Programmeren door handbegeleiding
hand guided teach-in voor efficiënte robotprogrammatie
Een robot inschakelen in de productie is veel meer dan het aanschaffen van de robot. Programmatie bevat een groot deel van het werk en kost. De vraag naar flexibele automatisatie stelt dus hoge eisen aan efficiëntie en flexibiliteit van robot-programmatie. Efficiënte manieren zoals met de hand begeleid inleren bieden hier een oplossing.
programmatie van robots
Robots zijn alomtegenwoordig. Verkoop van industriële robots zat het voorbije decennium ook wereldwijd jaarlijks in de lift. In 2018 schatte men de wereldwijde verkoop nog op ongeveer 400.000 in vergelijking met 60.000 in 2009 (met een kleine terugval op ongeveer 373.000 in 2019).
Als we kijken naar de kost van automatisatie met robotica is de robot zelf dikwijls een kleine kost. Verschillende aspecten komen erbij kijken. Men verwijst soms naar de automatisatie-ijsberg waarvan de robot zelf slechts de top is. De kost van de robot zelf is de laatste decennia zelfs enorm gezakt. Een robot is bv. niks zonder een eind-effector: het stuk dat van de robot een nuttig voorwerp maakt die kan interageren met zijn omgeving en taken uitvoeren zoals bv. objecten vastgrijpen of puntlassen leggen. Andere zaken zoals energie - zowel elektrisch als pneumatisch (perslucht is allesbehalve gratis), licenties voor software, veiligheidsapparatuur, afscherming, gereedschapswisselaars, bijkomende sensoren (bv. krachtsensoren), een visiesysteem in 2D of 3D, de integratie met een reeds bestaande productielijn - en de sturing hiervan - en onderhoud maken ook een groot deel van de kost uit.
Tot slot niet te onderschatten dat de robot eigenlijk een ‘empty shell’ is, die op zichzelf niks kan. Alles wat een robot doet, moet je erin stoppen. We zijn nog niet zo ver dat je een robot ergens zet, een beschrijving geeft van zijn taak en hij deze zomaar op een slimme manier kan uitvoeren.
Alles wat een robot doet, moet je erin stoppen
In de praktijk moet je de robot programmeren. Het is zelfs zo dat het programmeren vaak de grootste bottleneck is in het proces van automatiseren met een robot. Het programmeren vereist expertvaardigheden en kan, afhankelijk van de taak die moet worden geprogrammeerd, een groot deel van de totale kost worden omdat het bijzonder tijdsintensief kan zijn. Deze bottleneck wordt zeer belangrijk binnen de context van flexibel automatiseren.
Programmeermethodes
Hieronder een overzicht van methodes die kunnen worden aangewend om de programmatie te vereenvoudigen.
We kunnen twee hoofdcategorieën onderscheiden: offline en online programmatie. Daar waar de eerste toelaat om de robot te herprogrammeren terwijl deze taken aan het uitvoeren is in de productie, moet men voor de tweede methode de robot uitzetten, de taak programmeren, en de robot terug inschakelen. Dit laatste verhoogt dus de downtime van de robot terwijl de eerste methode bijvoorbeeld kan worden gebruikt om een verbetering in de programmatie te ontwikkelen of de volgende taken reeds kunnen worden geprogrammeerd terwijl de robot blijft taken uitvoeren.
Offline programmatie
Klassiek kan men een programma voor de robot gaan schrijven in de robot-eigen programmeertaal en deze op de robot downloaden. De meest gangbare manier is via een virtuele simulatieomgeving. Hiermee kan een robotprogramma ontwikkeld worden met behulp van een virtueel model van de realiteit en kan in simulatie de programmatie verder worden aangepast en verbeterd.
Dit kan op twee manieren: met de software van de robotfabrikant of met third party software die merkonafhankelijk is. Deze laatste heeft het enorme voordeel dat het toelaat om de robot te vervangen door één van een ander merk, mits deze ongeveer dezelfde werkruimte heeft, zonder deze te moeten herprogrammeren. De software doet deze vertaling, en kan dit omdat het programma merkonafhankelijk is opgesteld. Het programmeren vereist echter een zeker kennis van de softwareomgeving en is niet altijd zo laagdrempelig als het lijkt.
Teach-pendant
De klassiek gangbare manier van het programmeren van industriële robots is met behulp van de teach-pendant. Dit is een soort van afstandsbediening waarmee de robot kan 'gejogd' worden, zowel in Cartesiaanse of operationele ruimte (x, y, z, en oriëntatie) of volgens elke as individueel (joint space). Het joggen wordt dan gebruikt om de robot op een bepaalde gewenste positie te plaatsen. De operator kan dan deze positie opslaan in het robotgeheugen.
Er komt nog een heel merkspecifieke robottaal bij kijken
om de robot een gewenste taak te laten uitvoeren
Deze manier van programmatie heet men ‘teachen’ omdat de punten aangeleerd worden aan de robot. Het blijft echter niet bij teachen/programmeren van de punten, er komt nog een heel merkspecifieke robottaal bij kijken om de robot een gewenste taak te laten uitvoeren. Er moet namelijk een programma worden geschreven om de robot van geleerd punt tot geleerd punt te laten bewegen of om deze te laten reageren op externe ingangen en signalen naar de buitenwereld te geven eens de taak afgerond is of er input van een ander systeem nodig is.
Het handige is dat de teach-pendant naast de robot aanwezig is en dus heel eenvoudig snel kan worden geprogrammeerd. Het programmeren zelf vraagt echter een heel specifieke kennis van de robotprogrammeertaal. Een bijkomend nadeel is dat deze methode wel vereist dat de robot stilgelegd wordt tijdens het programmeren, gezien het een online programmeermethode is.
De meer moderne teach-pendants bieden een grafische user interface aan waarbij de roboteigen programmeertaal achter de schermen zit.
Teaching by demonstration
Bij deze methode gebruikt men het concept van het teach-in via de teach-pendant maar gaat men een stapje verder. Men gaat de robot niet joggen met de pendant maar de robotarm wordt fysiek verplaatst met de hand, door de operator, naar gewenste posities met een gewenste oriëntatie. De robotpose wordt dan opgeslagen in het robotgeheugen. De eenvoudigste manier van programmeren is dan om een sequentie van posities te teachen en telkens een actie bij te definiëren (grijper open, grijper dicht …).
Dit kan via de teach-pendant of een specifiek voor deze manier van programmeren ontworpen tool, zoals knoppen op de eindeffector met elk hun eigen functie, zoals het openen en sluiten van de grijper of het opslaan van een pose van de robot. Dergelijke tools zijn soms aanwezig op robots die specifiek voor dergelijke manier van programmeren ontworpen zijn.
Het uitvoeren van de taak vereist dan enkel dat de geleerde sequentie ‘afgespeeld’ wordt. Hetzelfde geldt voor het aanleren van trajecten (bijvoorbeeld het aanbrengen van een lijmspoor). De robot wordt vastgenomen en langs het traject bewogen door de operator, terwijl de sturing van de robot de beweging registreert. Het uitvoeren van het traject vereist dan opnieuw enkel het afspelen van het ‘opgenomen’ traject. Het is een bijzonder intuïtieve en zeer snelle en laagdrempelige manier van programmeren maar is typisch minder nauwkeurig en vereist bijgevolg soms extra sensoren.
Dergelijke manier van programmeren is uiteraard enkel toepasbaar bij robots die dit fysiek toelaten. Zo moet bij kleine klassieke robots de rem worden uitgezet, of kan worden gebruikgemaakt van krachtsensoren die de kracht van de operator registreren terwijl de sturing van de robot via een krachtcontrole de robot in de gewenste positie verplaatst. Voor een klassieke industriële robot is dit doorgaans een dure en complexe oplossing. Hier zijn de cobots in het voordeel gezien deze functionaliteit doorgaans standaard is.
Robots werden klassiek ingezet voor grote batches aan, meestal altijd dezelfde, repetitieve taken. De komst van Industrie 4.0 en flexibele productie/assemblage stellen andere eisen aan robots. De grote uitdaging zit hem in het aanbieden van een methode om de robot zeer flexibel te programmeren, ofwel automatisch, ofwel manueel. Automatisch programmatie vereist dan een ganse set aan standaarden en een robotonafhankelijke methode om de robots te programmeren. Om robots flexibel en efficiënt manueel te herprogrammeren steunt men op methodes die het de operator eenvoudig maken en de drempel verlagen. Het met de hand begeleid leren is hier een mooi voorbeeld van. robot (of cobot) wordt flexibel inzetbaar voor kleinere batches en wordt hierdoor bijzonder attractief voor kmo's als onderdeel van de transitie naar I4.0 en 5.0. De combinatie van cobot en het met de hand begeleid leren in de context van I5.0 leent zicht perfect als middel om aan een optimale mens-machinebalans te werken binnen de productie. De cobot staat aan de zijde van de mens en neemt de repetitieve en saaie taken over, terwijl de mens zich kan toeleggen op de taken waarin hij echt excelleert ten opzichte van automatisatie. Daarnaast wordt de operator ondersteund in het programmeren van de robot door technologie. Sommige robotfabrikanten halen als argument aan dat cobots ongewenste repetitieve taken overnemen en assemblage en verpakking met 30% optimaliseren.
Teaching bij demonstration laat toe de cobot
zeer flexibel in te zetten voor kleine batches
Terwijl klassiek een robot, eens geprogrammeerd, altijd dezelfde taak uitvoert, laat deze manier van programmeren toe dat de cobot zeer flexibel ingezet kan worden voor kleine batches. De robot kan zelfs worden verplaatst naar een ander station om op een heel snelle manier geprogrammeerd te worden om iets totaal anders te doen, daar waar de nood er is, wat het bijzonder interessant maakt voor flexibele productieomgevingen en kmo’s. De kostenijsberg onder water is dus vaak dikwijls een pak kleiner dan bij klassieke automatisatie, en dit deels omdat de programmatie veel eenvoudiger is.
Andere methodes
Naast het met de hand begeleid leren zijn ook andere nieuwe methodes om robots te programmeren in opmars. Zo kan een operator bijvoorbeeld met een soort teach-pen een gewenste positie van de robot aanduiden op een werkstuk en met een klik het punt programmeren, of een gans traject tekenen. Het is een soort met de hand begeleid leren zonder dat de fysieke robot moet worden bewogen. Andere methodes, waar nog veel onderzoek naar is, focussen dan op het programmeren van robots in Augmented Reality, zowel offline als online.
