Interactive robotics – the key to small series production?

Over the past couple of years, robotics has frequently made the headlines.  For example, Frost & Sullivan have listed robotics as one of the future megatrends. It is expected to gain a similar position as the Internet. The expectations of robotics are high, particularly in terms of its ability to increase efficiency in European and Finnish manufacturing.

Robotics to promote European manufacturing

Attitudes to robotics in production are contradictory: on the one hand, manufacturing is expected to get a boost in efficiency, but on the other hand, there are fears that jobs will be lost. However, more efficient production can mean the preservation of current jobs, the creation of new ones and a change in the nature of work in a more technical direction. Robotics can thus help European manufacturing to survive in the face of the competition from lower-cost countries.

Industrial robots and humans

In industrial robotics, cooperation between humans and robots is a new phenomenon that is referred to using terms such as interactive robotics, collaborative robotics or human–robot interaction. They all mean that a human and robot work simultaneously within the same space. The human can even be in physical contact with the robot. Interaction makes it possible to effectively utilise human perception abilities and powers of reasoning.

New standards as an enabler

The introduction of interactive robotics in industry has now been made possible by new safety standards for robots, ISO/TS 15066 in particular. It identifies four types of collaborative operations: safety-rated monitored stop, hand guiding, speed and separation monitoring, and power and force limiting. Within these categories, robots no longer need to be isolated from their operating environment in e.g. cages.  When a robot is performing an automatic task, a human approaching or even entering its workspace does not have to trigger an emergency stop – reducing speed and, if necessary, stopping movement is enough. When the human has left the space, the robot can continue operating as usual. Moreover, if the force exerted by the robot is sufficiently small and the robot reacts to contact, it can operate alongside humans. Possible dangerous situations caused by the robot tool must naturally be taken into account.

From a future concept to agile small series production

It took quite a while before technology – and standards in particular – developed to the level required by practical applications. Professor Aarne Halme, who at the time worked for the University of Oulu and later became a long-time Professor of Automation Technology at the Helsinki University of Technology and a prominent figure in the field of robotics in Finland, introduced interactive robotics as early as the beginning of the 1980s. I myself used the heading of this article as the title of my conference presentation in 1987. Today, interactive robotics accelerates production and increases efficiency. It makes the programming of tasks faster and enables the automatic or semi-automatic execution of production tasks.  These issues are of key importance in agile small series production, in which new goods are continuously put into production and batches of a few items or even single items are common.

Inexpensive force-limited robots

Several force-limited robot models – lightweight desktop robots – have been brought to the market whose accuracy is measured in hundreds of a millimetre at best. These robots can cost less than €20,000, meaning that investing in a robot now involves much less costs than before. Thanks to power and force limiting, cages are not needed to ensure safety. However, force-limited robots run at significantly lower speeds than regular industrial robots. Additionally, due to the less expensive materials and components used, their effective working hours can fall short of those of regular robots.

VTT's control stick enables faster teaching of paths

VTT’s control handle enables faster teaching of paths

Teaching a robot

In interactive robotics, a human interprets the environment for a robot and its sensors by pointing with a device or by using simple marking methods such as identifiers. The human tells the robot what the environment contains and, for example, which surface of a workpiece must be polished. The robot’s paths can also be programmed by showing the robot where to pick up and drop off a piece, or by teaching, for example, polishing paths with a tool attached to the robot and in contact with the workpiece. This can also be done without saving the robot’s path points, in which case the robot can be used as a skilful assisting device for moving heavy items. Heavy objects can even be assembled using this method. The human operator grabs the robot’s wrist or a control handle attached to the load and guides the robot to pick up the object and drop it off at the destination. In the interactive handling of objects or teaching of paths, it is essential that the robot is equipped with a sensor that recognises forces and with corresponding force/torque control.

VTT is a pioneer in interactive robotics

Technologies related to interactive robotics feature strongly on VTT’s robotics agenda. We have developed methods and wireless technologies for the observation and recognition of objects and humans, and have integrated these into the controls of robots and robot systems in order to provide flexibility and safety. Interactive robotics is a promising starting point for the needs of automation in small series production. VTT is ready to tackle challenges put forward by companies.

Tapio

Tapio Heikkilä

Principal Scientist

Vuorovaikutteinen robotiikka – avain piensarjatuotannon automaatio-ongelmiin?

Robotiikka on ollut voimakkaasti otsikoissa viimeisen parin vuoden aikana.  Esimerkiksi Frost & Sullivan on listannut robotiikan yhdeksi tulevista megatrendeistä. Robotiikan odotetaan kehittyvän samanlaiseen asemaan kuin internet. Odotukset robotiikalta ovat kovat erityisesti eurooppalaisen ja kotimaisen valmistavan tuotannon tehostajana.

Robotiikan avulla eurooppalaista tuotantoa

Robotiikkaan tuotannossa suhtaudutaan kaksijakoisesti – toisaalta odotetaan paljon tuotannon tehostumista, mutta toisaalta pelätään työpaikkojen vähenemistä. Robotiikan avulla tuotannon tehostaminen ei tarkoita työpaikkojen katoamista vaan tehostuneen tuotannon myötä työpaikat voivat säilyä, uusia muodostua ja lisäksi työn luonne muuttuu teknisemmäksi. Robotiikka siis mahdollistaa myös tulevaisuudessa eurooppalaisen tuotannon alhaisempien työkustannusten maiden tuoman kilpailun paineessa.

Teollisuusrobotti ja ihminen

Teollisuusrobotiikassa on noussut esille uutena ilmiönä ihmisen ja robotin yhteistyö termeillä vuorovaikutteinen robotiikka, kollaboratiivinen robotiikka tai interaktiivinen robotiikka. Nämä tarkoittavat ihmisen ja robotin työskentelyä yhtä aikaa ja samassa työtilassa. Ihminen voi olla jopa fyysisessä kontaktissa robotin kanssa. Vuorovaikutteisuudella ihmisen hahmottamis- ja päättelykykyä saadaan hyödynnettyä tehokkaasti.

Uudet standardit mahdollistajana

Vuorovaikutteisen robotiikan vienti teollisuuden käytäntöön on tullut mahdolliseksi uusien robotiikan turvastandardien myötä, joista voidaan poimia erityisesti ISO/TS 15066. Se luokittelee vuorovaikutteiset toiminnot neljään kategoriaan: turvaluokiteltu valvottu pysäytys, käsin ohjaaminen, nopeuden & etäisyyden seuranta ja tehon & voiman rajoitus. Näiden puitteissa robottia ei enää tarvitse eristää muusta toimintaympäristöstä esimerkiksi häkkeihin.  Robotin suorittaessa automaattista ohjelmaansa ihmisen tulo robotin työalueen läheisyyteen tai jopa työalueelle ei tarvitse johtaa robotin ohjelman hätä-seis -pysäytykseen vaan liikenopeuksien alentamiseen ja tarvittaessa pysäyttämiseen. Ihmisen poistuessa alueelta robotti voi jatkaa toimintaansa normaalisti. Lisäksi jos robotin voimantuotto on riittävän pieni ja se reagoi kosketukseen ja törmäyksiin, se voi sellaisenaan toimia samassa työtilassa ihmisten kanssa. Toki on huomioitava robotin työkalun mahdollisesti aiheuttamat vaaratilanteet.

Tulevaisuuden konseptista ketterään piensarjatuotantoon

Paljon täytyi aikaa kulua ennen kuin teknologia ja erityisesti standardit kehittyivät käytännön edellyttämälle tasolle. Profesori Aarne Halme, silloin Oulun yliopistossa toimiessaan ja myöhemmin Teknillisessä Korkeakoulussa automaatiotekniikan professorina pitkään toiminut kotimainen robotiikan merkkihenkilö, esitteli vuorovaikutteisen robotiikan jo 80-luvun alkupuolella. Itse käytin tämän kirjoituksen otsikkoa konferenssiesitelmäni otsikkona vuonna 1987. Nyt vuorovaikutteinen robotiikka nopeuttaa ja tehostaa tuotantoa. Työtehtävien ohjelmointi on nopeampaa ja automaattinen tai puoliautomaattinen ohjelmien suorittaminen mahdollista.  Nämä ovat keskeisiä tekijöitä ketterässä piensarjatuotannossa, missä uusia tuotteita otetaan tuotantoon jatkuvasti ja sarjakoko on muutaman kappaleen luokkaa tai jopa yksi.

Edulliset voimarajoitteiset robotit

Markkinoille on tullut useita voimarajoitteisia robottimalleja, kevyitä niin kutsuttuja desktop- robotteja, joiden toistotarkkuus on parhaillaan millin sadasosien luokkaa. Näiden robottien hinta voi olla jopa alle 20000 euroa. Tämä tarjoaa mahdollisuuden robotti-investointiin huomattavasti aiempaan alemmilla kustannuksilla. Voimarajoituksen takia robottia ei tarvitse turvallisuussyistä eristää häkkiin. Näiden voimarajoitteisten robottien nopeudet ovat kuitenkin selkeästi perinteisiä teollisuusrobotteja alhaisempia. Lisäksi edullisemmista materiaali- ja komponenttiratkaisuista johtuen, niiden teholliset käyttötunnit voivat jäädä perinteisiä teollisuusrobotteja alhaisemmiksi.

Robotti_opettaminen

VTT:n kehittämän voimaohjaussauvan avulla ratojen opettaminen on nopeaa

Robotin opettaminen

Vuorovaikutteisessa robotiikassa ihminen tulkitsee robotille ja sen sensoreille ympäristöä osoitinlaitteella osoittamalla tai yksinkertaisilla merkkausmenetelmillä kuten tunnistetarroilla. Ihminen kertoo robotille mikä ympäristössä on mitäkin ja esimerkiksi mikä on robotin kohdekappaleen hiottava pinta. Robotin ratojen ohjelmointi voidaan tehdä myös näyttämällä radat suoraan robottia taluttamalla kappaleiden tartunta- ja irrotuspisteisiin, tai näyttämällä käsittelyradat kuten esimerkiksi hiontaradat työkalu robottiin kiinnitettynä ja kontaktissa kappaleeseen. Tämä voidaan tehdä myös tallentamatta robotin ratapisteitä, jolloin erityisesti raskaiden kappaleiden siirtelyssä robotti toimii tällöin taitavana kuormankannattimena. Jopa raskaiden kappaleiden kokoonpano on mahdollista samalla periaatteella. Ihmisoperaattori tarttuu robotin ranteeseen tai siirrettävään taakkaan kiinnitetystä ohjauskahvasta ja taluttaa robotin tarttumaan kappaleeseen ja kohdepaikkaan irrottamaan kappaleen. Vuorovaikutteisessa kappaleiden käsittelyssä tai ratojen opetuksessa on välttämätöntä, että robotti on varustettu kontaktivoimat tunnistavalla anturilla ja vastaavalla voima-/momenttisäädöllä.

VTT vuorovaikutteisen robotiikan edelläkävijä

Vuorovaikutteiseen robotiikkaan liittyvät teknologiat ovat vahvasti esillä VTT:n robotiikka-agendassa. Kappaleiden ja ihmisten havainnointiin ja tunnistamiseen on kehitetty menetelmiä ja langattomia teknologioita, joita on liitetty robottien ja robottijärjestelmien ohjaukseen tuottamaan joustavuutta ja turvallisuutta. Vuorovaikutteinen robotiikka on lupaava lähtökohta joustavan piensarjantuotannon automaatioon tarpeisiin. VTT on valmiina vastaamaan yritysten asettamiin haasteisiin.

Tapio

 

Tapio Heikkilä

Johtava tutkija