Всем привет. Мы студенты Одесской национальной академии пищевых технологий и на сегодняшний момент уже сотрудники одной Украинской компании — интегратора промышленной робототехники. Наша статья посвящена новому тренду в робототехнике — коллаборативной робототехнике и будет интересна в первую очередь всем гикам, программистам, мейкерам инженерам и автоматчикам действующих предприятий и студентам технических университетов, короче всем неравнодушным к вопросу развития робототехники вообще в Мире и в Украине в частности.
С каждым днем все больше набирает популярность такое понятие как «коллаборативный робот». Это автоматическое устройство, которое может работать совместно с человеком для создания или производства различных продуктов. Как и промышленные роботы, коботы состоят из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора. Коллаборативные роботы применяются на производстве в решении задач, которые нельзя полностью автоматизировать. Из-за нехватки рабочей силы, необходимой для выполнения черных и однообразных действий, многие компании решаются устанавливать коботов на своем производстве.
Экономичные, универсальные, безопасные, простые в использовании коллаборативные роботы (коботы) позволяют повысить контроль на любом предприятии. Коботы никогда не болеют, не покидают рабочее место без предупреждения, не страдают от скуки, не получают травмы и не требуют много времени для обучения новым процессам. Из-за перечисленных причин они становятся важным и неотъемлемым дополнением к будущей рабочей силе.
Коботы, в отличие от обычных промышленных роботов, очень просты в программировании. Им можно дать рабочие инструкции без кодирования, используя графический интерфейс пользователя и соответственно не нужно каждый раз обращаться к поставщикам с целью изменения строчек кода. Например в нашем случае, распаковать роботов, включить и научится программировать простейшие циклические задачи у нас ушло менее часа. При том, что никто из нас не имел никакого предварительного скила в их программировании, да и в программировании вообще. К слову роботы в нашей лаборатории появились в результате освоения одного из грантов, который Университет выиграл для развития своей материально — технической базы.
Они оснащены датчиками, которые контролируют положение человека и не допускают причинение ему вреда. Некоторые модели можно устанавливать непосредственно на рабочих местах. Некоторые модели коботов способны обучаться. Например, вначале работник может переместить манипулятор руками по желательным траекториям в необходимые позиции; в дальнейшем кобот будет повторять эти движения самостоятельно. Таким образом, сотрудники могут легко перепрограммировать коботов и использовать их для решения самых разных задач.
Коботы значительно дешевле промышленных роботов. Для их размещения, как правило, не требуется выделять дополнительные производственные площади, их не нужно ограждать заборами «безопасных» для человека зон. Но скорость их движений меньше, чем у промышленных роботов (а значит, ниже и производительность), меньше и создаваемые коботами усилия. Таким образом, их нельзя использовать в случаях где необходима значительная грузоподъемность (более 16кг) или вылет руки более 1,3 метра и где нужны огромные скорости выполнения (для больших скоростей предпочтительнее использовать SCARA или Delta конструктивы промышленных роботов).
Большинство коллаборативных роботов имеют небольшие размеры по сравнению с обычными промышленными роботами и требуют питания лишь в 220 В. Поэтому их можно относительно легко перемещать и использовать в разных точках производственной цепочки. Коботы обычно способны манипулировать грузами массой до 10 кг (хотя уже стали появляться коллаборативные роботы с грузоподъёмностью до 16 кг). Особенно хорошо они выполняют повторяющиеся действия, такие как расстановка, упаковка, нанесение клея или пайка, сборка, погрузка, обслуживание станков, тестирование качества и сварка.
Коботы можно устанавливать на любой поверхности — горизонтальной, вертикальной, а некоторые, в случае производственной необходимости, — даже «вверх тормашками».
Как правило, внедрение коботов не требует больших инвестиций, поэтому они хорошо подходят для использования в малом и среднем бизнесе.
История
В 2008 году датская компания Universal Robots совершила революцию в мире робототехники и выпустила коллаборативного робота в том виде, в котором мы знаем его сегодня: самостоятельное устройство, которое может работать в непосредственной близости от человека и быть абсолютно безопасным. Компания Universal Robots была учреждённая еще в 2005 году студентами Эсбеном Остергордом (Esben Østergaard), Каспером Стёй (Kasper Støy) и Кристианом Кассоу (Kristian Kassow), которые познакомились в Университете Дании. Обобщенно, научным направление изысканий ребят было сделать роботизированные технологии доступными для малых и средних предприятий. Основание компании стало возможным благодаря инвестициям Syddansk Innovation. Первая выпущенная модель UR5 имела грузоподъемность 5 кг, чего было вполне достаточно для большинства операций.
Ключевыми потребителями новой продукции стали небольшие производственные предприятия с конвейерным производством. Промышленные решения были не по карману малому бизнесу. Тем более, они накладывали серьезные ограничения на общую мобильность производства и требовали наличия значительных производственных площадей.
С момента появления первых коботов прошло больше 10 лет. При этом ежегодно рынок коллаборативной робототехники увеличивается на 50%.
Успех Universal Robots породил настоящую «коботоманию». В течение нескольких лет один за другим свои коллаборативные модификации выпустили как гиганты робототехники — ABB, Кuka, Fanuc, Yaskawa, — так и молодые фирмы: Kinova, Rethink Robotics, Franka. По данным Barclays Equity Research, количество продаваемых коботов вплотную приблизится к 1 млн штук ежегодно к 2025 году.
На сегодняшний день в Украине есть только один официальный дистрибьютор Universal Robots. Этот кредит доверия от зачастую старомодных и часто заскорузлых европейцев был получен молодыми ребятами из Qweedo Robotics — выходцам Одесской Лаборатории Мехатроники и Робототехники — MiRONAFT FabLab (FabLab — Fabrication Laborotory, открытая лаборатория цифрового производства, входящая в сеть аналогичных лабораторий по всему миру). Про лабораторию уже писали на портале DOU в статье «Проектор: MiRONAFT FabLab — самая большая в Украине лаборатория робототехники, открытая для всех». Лаборатория и сегодня находится в Одесской Национальной академии пищевых технологий и открыта для всех желающих 6 дней в неделю и все также в ней регулярно проводят экскурсии для детей и не только. Так что и сегодня любой, даже далекий от робототехники человек, может попробовать себя в роли интегратора, и написать программу на контроллере.
Наш опыт
На сегодняшний день у нас уже есть значительный опыт интеграции таких роботов, достаточный для решения любого «проблемного» участка. Причем запросы были самые разные, а иногда курьезные: от применения коботов в учебном процессе для студентов и школьников до промышленных задач перемещения продуктов на конвейере до автоматизации сварочных работ и обслуживания больших промышленных ЧПУ фрезеров. Например, в сотрудничестве с одной из столичных студий фото/видео сьемки мы интегрировали робота для видео сьемки (тут и тут). Вышло круто))
К сожалению, описывать подробно большинство этих кейсов нам еще ближайших где 5, где 10 лет запрещают целая серия подписанных NDA. Те же роботы, которые установлены на базе Одесской Национальной академии пищевых технологий в нашей лаборатории напротив — доступны для всех желающих научится их программировать. Мало того, понимая, что для этого мало кто сможет специально приехать в Одессу — мы запланировали на этот год целую серию бесплатных! выездных мастер-классов в рамках единого турне: Одесса — 26 июня (приглашаем предприятия Одесской, Херсонской и Николаевской областей. Работаем на базе лаборатории FabLab MiRONAFT университета Одесской национальной академии пищевых технологий), Харьков — 07 августа (приглашаем предприятия Харьковской, Сумской и Полтавской областей. Работаем на базе Научного парка «Синергия» Харьковского национального университета радиоэлектроники), Луцк — 11 сентября (приглашаем предприятия Луцкой, Ровненской и Тернопольской областей. Работаем на базе Луцкого национального технического университета), Днепр — 25 сентября (приглашаем предприятия Днепровской, Запорожской и Кировоградской областей. Работаем на базе Национального технического университета «Днепровская политехника»), Львов — 30 октября (приглашаем предприятия Львовской, Ивано-франковской и Ужгородской областей. Работаем на базе Tech StartUp School Национального университета «Львовская политехника»), Киев — 27 ноября (приглашаем предприятия Киевской, Житомирской, Черниговской и Черкасской областей. Работаем на базе Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского») и Винница — 11 декабря (приглашаем предприятия Винницкой, Черновицкой и Хмельницкой областей. Работаем на базе Винницкого национального технического университета). Все карантинные ограничения и предосторожности обещаем соблюсти! В частности, количество мест строго ограничено.
Зарегистрироваться для участия в мастер-классах могут все желающие по ссылке.
Технические особенности коллаборативных роботов
О контроллерах и блоках управления, рассмотрим на примере Universal Robots UR5 E-Series. Блок управления (Control Box) данного робота имеет 16 цифровых входов и выходов, 2 аналоговых входа и выхода, связь USB 2.0, USB 3.0 (чтобы загрузить операционную систему через usb-флешку), Ehternet, Modbus TCP, PROFINET.
На внешней стороне блока управления (проще — контроллер) размещается крепление для блока обучения, так называемого Teach Pendant. По сути, это планшет с сенсорным экраном, на котором изображен интерфейс для программирования робота, так на задней части блока обучения присутствует usb порт для загрузки каких-либо программ.
На верхней части контроллера размещается кнопка Free Drive при зажатии которой мы можем задать роботу движения вручную. Проще говоря, своими руками, взяв робота за любое плечо и перемещая куда нам угодно. Сам Teach Pendant соединяется с блоком управления кабелем и имеет кнопку аварийной остановки робота в случае какой-либо экстренной ситуации.
С классом защиты IP64, уровнем шума 70дБ (сопоставимо с большинством современных обычных холодильников) и точностью позиционирования в 0.03 мм эти 6-ти осевые коллаборативные «работяги» являются незаменимыми в роботизации большинства технологических процессов и не только. Все чаще коллаборативные роботы в виду их безопасности начинают использовать для нетипичных направлений: например, для автоматизации ресторанов, кафе, пиццерий, для автоматизации кино/фото студий, сферы развлечений и здравоохранения.
И как же всё-таки программируются эти коллаборативные роботы
Есть различные способы, но сразу уточним, что я сам не являюсь IT-специалистом и имел опыт лишь в написании кода html/css, однако мне не составило большого труда создавать какие-либо программы для коботов способами которые будут описаны ниже.
Если у Вас не получается принять участие в одном из запланированных бесплатных мастер-классов в этом году, то для того, что бы лучше понимать что к чему вы можете зарегистрироваться на сайте Universal Robots Academy пройти бесплатный курс обучения онлайн, прямо в браузере, состоящий из различных уровней сложностей, начиная со знакомства с самим роботом, заканчивая программированием робота на конвейерном производстве.
Первый способ: Программирование непосредственно на блоке обучения (контроллере) и при наличии робота. Способ создания программы не зависит от вида робота, так что метод одинаковый для любого из URов (учитываем только грузоподъемность робота, полезную нагрузку, габариты, safety-зону и так далее).
Интерфейс операционной системы Universal Robots (на базе Linux), довольно простой и понятный. Для начала включаем питание робота, после чего мы можем разблокировать сервоприводы, и проводить с роботом любые манипуляции.
В распоряжении у нас есть 4 вида движений:
- MoveJ — используется в основном для перемещения робота в пространстве.
- MoveL — для перемещения робота строго по прямым (для соблюдения точности в работе с координатами и т. д.).
- MoveP — перемещать инструмент в линейном движении с постоянной скоростью с помощью скруглений и предназначен для технологических операций, таких как герметизация или дозирование.
- MoveC — для кругового перемещения.
Для точной работы кобота, инструменту (tool — на английском) который использует наш UR нужно зажать точку TCP, полезную нагрузку (payload), и center of gravity. Подробнее об этом можно узнать на сайте Universal Robots.
После этого мы можем программировать робота и задавать ему передвижения в контексте тех что были приведены выше.
Второй способ: доступен всем и каждому, у кого есть компьютер, способ обобщенный для всех роботов и заинтересует программиста.
Для программирования нашего кобота можно использовать различные программы, в которые загружены 3д модели UR-ов (и не только), а также можно создавать внешнюю среду, писать программы на Python, после чего можно загрузить код в робота.
Одна из таких программ, это RoboDK, исходя из личного опыта, могу сказать что так же далекий от программирования человек без особых трудностей может освоить данный софт, обучаясь с помощью видео уроков на YouTube.
Итак, что мы имеем
Коллаборативная робототехника — это быстро, недорого, просто в освоении, ну и конечно же — в тренде! Несмотря на НЕ самую лучшую экономическую обстановку в Украине на сегодня и не смотря на колоссальный отток профессиональных кадров, современные производства продолжают развиваться, а коботов становиться больше.
Темпы отечественных интеграторов говорят о том, что следом за Мировой тенденцией нас ждет самая настоящая коллаборативная революция, притом в ближайшие лет 5. Это говорит о том, что и любая другая робототехника станет доступнее для простых обывателей, и надеемся, что это послужит развитием различных направлений в школах и университетах, как это и произошло в нашем родном универе, где находится наша лаба.
Авторы статьи: Жигунов Иван, Тельпашов Кирилл https://dou.ua