Robotica

Robots beginnen steeds gebruikelijker te worden in de industriële automatisering. Saai herhalend werk dat voorheen door mensen werd gedaan, wordt steeds vaker door robots uitgevoerd. Dit document bevat basiskennis over robotica voor engineers in de industriële automatisering.

Naamgeving

‘Robot’ werd voor het eerst toegepast als term voor kunstmatige automaten in het toneelstuk R.U.R. door de Tsjechische schrijver Karel Čapek. Josef Čapek werd echter door zijn broer Karel genoemd als de ware uitvinder van de term robot. Het woord ‘robot’ zelf was niet nieuw, aangezien het in de Slavische taal al voorkwam als ‘robota’ (dwangarbeider), een term die de verplichte dienstplichtige boeren onder het feodale systeem classificeerde.

De International Federation of Robotics (IFR), een wereldwijde branchevereniging van robotfabrikanten en nationale robotvereniging van robotfabrikanten en nationale robotverenigingen, erkent twee soorten robots; industriële robots die worden gebruikt in automatisering en servicerobots voor huishoudelijk en professioneel gebruik. Servicerobots kunnen worden beschouwd als cobots, omdat ze bedoeld zijn om naast mensen te werken. Industriële robots werkten traditioneel gescheiden van mensen achter hekken of andere beschermende barrières, maar cobots nemen die scheiding weg.

Industriële robot

Een industriële robot is een robotsysteem dat wordt gebruikt voor fabricage. Industriële robots zijn geautomatiseerd, programmeerbaar en kunnen op drie of meer assen bewegen. Er zijn zes verschillende typen industriële robots.

Articulated robots. Dit zijn de meest voorkomende industriële robots. Ze zien eruit als een menselijke arm, daarom worden ze ook wel robotarm of manipulatorarm genoemd. Hun articulaties met verschillende vrijheidsgraden laten de gelede armen een breed scala aan bewegingen toe.
Cartesian coordinate robots. Ook wel rechtlijnige robots, portaalrobots en x-y-z-robots genoemd, hebben drie prismatische verbindingen voor de beweging van het gereedschap en drie roterende verbinden voor de oriëntatie in de ruimte.
Cylindrical coordinate robots. Deze worden gekenmerkt door hun roterende verbinding aan de basis en tenminste één prismatische verbinding die de schakels verbindt. Ze kunnen verticaal en horizontaal bewegen door te schuiven. Door het compacte effectorontwerp kan de robot krappe werkruimten bereiken zonder snelheidsverlies.
Spherical coordinate robots. Deze robots hebben alleen roterende verbindingen. Ze zijn een van de eerste robots die in industriële toepassingen zijn gebruikt. Ze worden vaak gebruikt voor machinebewerkingen bij spuitgieten, kunststofinjectie en extrusie, en voor lassen.
SCARA robots. Dit is een afkorting voor Selective Compliance Assembly Robot Arm. Deze robots zijn te herkennen aan hun twee parallelle gewrichten die zorgen voor beweging in het x-y-vlak. Roterende assen zijn verticaal gepositioneerd bij de effector. Deze robots worden gebruikt voor taken die nauwkeurige zijwaartse bewegingen vereisen. Ze zijn ideaal voor montagetoepassingen.
Deltarobots. Deze worden ook wel parallel-link-robots genoemd. Ze bestaan uit parallelle verbindingen die zijn verbonden met een gemeenschappelijke basis. Deltarobots zijn met name handig voor directe besturingstaken en manoeuvreerwerkzaamheden met veel manoeuvres (zoals snelle pick-and-place-taken).

Deltarobot — voorbeeld van een deltarobot

Cellen

Een robot en een verzameling machines of randapparatuur wordt een werkcel of cel genoemd. Een typische cel kan een onderdelenaanvoer, een vormmachine en een robot bevatten. De verschillende machines in de cel moet worden geprogrammeerd, zowel wat betreft hun positie in de cel als wat betreft synchronisatie met hen.

Posities

Er zijn verschillende manieren om de punten van robot te definiëren. De meest gebruikelijke en handigste manier om een punt te definiëren, is door er een Cartesiaanse coördinaat voor te specificeren, dit wil zeggen de positie van de ‘eindeffector’ in mm in de X-Y-Z-richting ten opzichte van de oorsprong van de robot. Zie assenstelsels.

Programmeren

Het instellen of programmeren van bewegingen en sequenties voor een industriële robot wordt doorgaans aangeleerd door de robotcontroller te koppelen aan een laptop of desktopcomputer.
De computer is geïnstalleerd met bijbehorende interfacesoftware. Het gebruik van een computer vereenvoudigt het programmeerproces aanzienlijk. Gespecialiseerde robotsoftware wordt uitgevoerd in de robotcontroller of in de computer of beide, afhankelijk van het systeemontwerp.
Er zijn twee basisentiteiten die moeten worden aangeleerd (of geprogrammeerd); positiegegevens en procedure. Bij een taak om bijvoorbeeld een schroef van een feeder naar een gat te verplaatsen, moeten de posities van de feeder en het gat eerst worden aangeleerd of geprogrammeerd. Ten tweede moet de procedure om de schroef van de feed ernaar het gat te krijgen worden geprogrammeerd samen met eventuele I/O die erbij betrokken is, bijvoorbeeld een signaal om aan te geven wanneer de schroef zich in de feeder bevindt, klaar om te worden opgepakt. Het doel van de robot software is om beide programmeertaken te vergemakkelijken.

Positie programmeren

Het aanleren van de robotposities kan op een aantal manieren worden bereikt. Bij positionele commando’s kan de robot naar de gewenste positie worden gestuurd met behulp van een GUI of tekst gebaseerde commando’s waarin de vereiste X-Y-Z-positie kan worden gespecificeerd en bewerkt.

Teach pendant

Robotposities kunnen ook worden geleerd via een teach-pendant. Dit is een handbediende besturings- en programmeereenheid. De gemeenschappelijke kenmerken van dergelijke eenheden zijn de mogelijkheid om de robot handmatig naar een gewenste positie te sturen, of “inch” of “joggen” om een positie aan te passen. Ze hebben ook een middel om de snelheid te veranderen, aangezien een lage snelheid vereist is voor zorgvuldige positionering of tijdens het testen van een nieuwe of gewijzigde routine. Meestal wordt er ook een grote noodstopknop meegeleverd.

Als de robot eenmaal is geprogrammeerd, wordt de teach-pendant meestal niet meer gebruikt. Alle teach-pendants zijn uitgerust met een dodemansschakelaar met 3 standen. In de handmatige modus kan de robot alleen bewegen als deze zich in de middelste positie bevindt (gedeeltelijk ingedrukt). Als deze volledig wordt ingedrukt of helemaal losgelaten, stopt de robot. Door dit werkingsprincipe kunnen natuurlijke reflexen worden gebruikt om de veiligheid te vergroten.

Lead-by-the-nose

Ook kan de lead-by-the-nose techniek worden toegepast. Bij deze methode houdt de ene gebruiker de manipulator van de robot vast, terwijl de andere persoon een commando invoert dat de robot spanningsloos maakt en daardoor slap wordt. De gebruiker beweegt de robot vervolgens met de hand naar de gewenste posities en/of langs een vereist pad terwijl de software deze posities in het geheugen registreert. Het programma kan de robot later naar deze posities of langs het aangeleerde pad sturen. Deze techniek is populair voor taken zoals verfspuiten.

Offline programmeren

Offline programmeren is waar de hele cel, de robot en alle machines of instrumenten in de werkruimte grafisch in kaart worden gebracht. De robot kan vervolgens op het scherm worden verplaatst en het proces kan worden gesimuleerd. Een robotsimulator wordt gebruikt om embedded applicaties voor een robot te maken, zonder afhankelijk te zijn van de fysieke werking van de robotarm en eindeffector.

De voordelen van robotsimulatie zijn dat het tijd bespaart bij het ontwerpen van robottoepassingen. Het kan ook het veiligheidsniveau van robotapparatuur verhogen, aangezien verschillende “wat als”-scenario’s kunnen worden uitgeprobeerd en getest voordat het systeem wordt geactiveerd. Robotsimulatie biedt een platform om programma’s te leren, testen, uitvoeren en debuggen die in verschillende programmeertalen zijn geschreven.

Simulatie

Met een robotsimulatietools kunnen roboticaprogramma’s gemakkelijk offline worden geschreven en debuggen met de definitieve versie van het programma die op een echte robot is getest. De mogelijkheid om een voorbeeld van het gedrag van een robotsysteem in een virtuele wereld te zien, maakt het mogelijk om een verscheidenheid aan mechanismen, apparaten, configuraties en controllers uit te proberen en te testen voordat ze worden toegepast op een systeem in de echte wereld. Robotica-simulatoren kunnen in real-time de gesimuleerde beweging van een industriële robot berekenen met behulp van zowel geometrische modellering als kinematica-modellering.

Merk onafhankelijke tools

Het vervaardigen van onafhankelijke programmeertools voor robots is een relatief nieuwe maar flexibele manier om robottoepassingen te programmeren. Met behulp van een grafische gebruikersinterface wordt het programmeren gedaan via slepen en neerzetten van voor gedefinieerde sjablonen/bouwstenen.

Als het systeem native robotcode kan compileren en uploaden naar de robotcontroller hoeft de gebruiker niet langer de eigen taal van elke fabrikant te leren. Daarom kan deze aanpak een belangrijke stap zijn om programmeermethoden te standaardiseren.

HMI

Machine-operators gebruiken bovendien vaak gebruikersinterface-apparaten, meestal touchscreen-eenheden, die dienen als bedieningspaneel voor de operator. De operator kan van programma naar programma overschakelen, aanpassingen maken binnen een programma en ook een groot aantal randapparatuur bedienen die in hetzelfde robotsysteem kan zijn geïntegreerd. Deze omvatten eind-effectoren, feeders die componenten aan de robot leveren, transportbanden, noodstopbesturingen, machine vision-systemen, veiligheidsvergrendelingssystemen, barcodeprinters en een bijna oneindige reeks andere industriële apparaten die toegankelijk zijn en worden bediend via het bedieningspaneel van de operator.

De teach-pendant of pc wordt meestal losgekoppeld na het programmeren en de robot draait dan op het programma dat in de controller is geïnstalleerd. Een computer wordt echter vaak gebruikt om de robot en eventuele randapparatuur te ‘superviseren’, of om extra opslagruimte te bieden voor toegang tot tal van complexe paden en routines.

PLC-Robot communicatie

PLC’s worden vaak de hoofdcontroller genoemd die de hoofdlogica volgt en netwerkgegevens op geautomatiseerde apparatuur beheert. Third-party-products, zoals servomotoren, vision-systemen of robotica worden vaak gebruikt als aanvulling op een PLC. Deze complementaire apparaten worden de slave-componenten genoemd die in harmonie werken met de geautomatiseerde systemen en worden aangestuurd door de PLC in een master/slave-relatie.

Conceptueel bestaat de integratie van apparaten van third-party-devices uit I/O met afzonderlijke bedrading om een handshake te krijgen tussen PLC’s en zijn slave-apparaten. Naarmate de technologie evolueerde werd veldbus de voorkeursintegratiemethode voor connectiviteit en het delen van geheugentoewijzingen tussen een master-PLC en zijn slave-apparaten.

Wanneer de PLC die de robot bestuurt dezelfde PLC is die de andere systeemcomponenten bestuurt, wordt het robot interface punt geëlimineerd en wordt de algehele systeemcomplexiteit aanzienlijk verminderd. Bovendien kan het hardware ontwerp van de besturingselementen voor een PLC gebaseerde robotbesturing nu gebruikmaken van een gemeenschappelijke besturingsarchitectuur met systeembesturingen.

Het alarmsysteem, foutregistratie, gegevensbewaking en alle andere functies die beschikbaar zijn voor de HMI, wordt dan ook gebruikt voor de robot. Dit draagt bij aan een flexibelere structuur.

Cobots

Cobots, of collaboratieve robots, zijn robots bedoeld voor directe menselijke robotinteractie binnen een gedeelde ruimte, of waar mensen en robots zich dicht bij elkaar bevinden. Cobot-toepassingen staan in contrast met traditionele toepassingen voor de industriële robot omdat deze namelijk worden geïsoleerd van menselijk contact. De veiligheid van een cobot kan berusten op lichtgewicht constructiematerialen, afgeronde hoeken en inherente beperking van snelheid en kracht, of op sensoren en software die veilig gedrag garanderen.

Cobots kunnen veel toepassingen hebben, van informatierobots in openbare ruimtes, logistieke robots die materialen binnen een gebouw transporteren tot industriële robots die helpen bij het automatiseren van on-ergonomische taken, zoals het helpen van mensen bij het verplaatsen van zware onderdelen, of machinale toevoer of montagehandleidingen.

De IFR definieert vier soorten collaboratieve fabricagetoepassingen:

Co-existentie: Mens en robot werken naast elkaar, maar zonder gedeelde werkruimte;
Opeenvolgende samenwerking: Mens en robot delen een hele of gedeeltelijke werkruimte, maar werken niet tegelijkertijd aan een onderdeel of machine;
Samenwerking: Robot en mensen werken tegelijkertijd aan hetzelfde onderdeel of dezelfde machine, en beide zijn in beweging;
Responsieve samenwerking: De robot reageert in real-time op de beweging van de werknemer.

In de meeste industriële toepassingen van cobots delen de cobot en de menselijke-werker dezelfde ruimte, maar voeren ze taken onafhankelijk of opeenvolgend uit (co-existentie of opeenvolgende samenwerking). Samenwerking of responsieve samenwerking komen momenteel minder vaak voor.

Assenstelsels

Een cartesisch coördinatenstelsel is een orthogonaal coördinatenstelsel waarbij de afstand tussen de twee coördinaatlijnen constant is. Voor elke dimensie is er een as (coördinaat as) die bij twee of drie dimensies onderling loodrecht op elkaar staan. Alle punten in dit stelsel die gegeven worden door hun coördinaten ten opzichte van de assen, vormen samen het cartesisch vlak.

Een punt in een driedimensionale ruimte wordt aangegeven met X-Y-Z. In drie dimensies zijn er (afgezien van rotatie in het geheel) twee manieren om de drie assen onderling loodrecht op elkaar te zetten, namelijk via het zogeheten linkshandig of rechtshandig assenstelsel.

Een rechtshandig coördinatenstelsel kan gecontroleerd worden met de rechterhandregel. Spreid duim, wijs- en middelvinger van de rechterhand zo, dat ze onderling haaks op elkaar staan. De wijsvinger is gestrekt en de middelvinger naar binnen gebogen. Wijs met de wijsvinger in de richting van de positieve x-as en met de middelvinger in de richting van de positieve y-as. Als de duim in de richting van de positieve z-as wijst, is er sprake van een rechtshandig assenstelsel.

Eerste stappen in robotica? Of gevorderd?

Robotica maakt steeds meer integraal deel uit van industriële automatisering. Vandaar dat je er als engineer steeds vaker mee te maken krijgt. Daarom hebben we de volgende robot trainingen beschikbaar;