A biztonság és hatékonyság találkozása
A modern gyártástechnológia egyre nagyobb mértékben támaszkodik kollaboratív robotokra (kobotokra), amelyek képesek emberi munkatársakkal együttműködni biztonságosan és hatékonyan. Az ilyen rendszerek fejlesztése során kulcsfontosságú, hogy a robotok végeffektora, azaz a robot „keze”, megfeleljen a szigorú biztonsági és funkcionális követelményeknek. A “Kollaboratív Végeffektor” projekt célja egy olyan eszköz megalkotása volt, amely megfelel az ISO/TS 15066 (2016) szabvány előírásainak, miközben maximalizálja a hatékonyságot a gyártási folyamatok során.
Miért fontosak a kollaboratív végeffektorok?
A kobotok sikerének kulcsa az ember-robot interakcióban rejlik. Azonban ahhoz, hogy ezek a robotok biztonságosan működhessenek közvetlen emberi jelenlétben, érzékelniük kell a környezetüket, reagálniuk kell a hirtelen eseményekre, és minimalizálniuk kell az esetleges sérülési kockázatokat. A végeffektorok fejlesztése ezen kihívások kulcsfontosságú része, hiszen ez az eszköz valósítja meg a fizikai kapcsolatot a robot és a kezelendő tárgy vagy maga az ember között.
A projekt és annak élenjáró megoldásai
A “Kollaboratív Végeffektor” fejlesztésének fő célja egy olyan moduláris eszköz létrehozása, amely könnyen integrálható a különböző ipari alkalmazásokba, miközben biztosítja az optimális teljesítményt és biztonságot. A projekt keretében a következő kulcstechnológiák kerültek kidolgozásra:
- Erőérzékelő rendszerek: Az integrált erőérzékelők segítik a robotokat abban, hogy pontosan szabályozzák az alkalmazott erőt, elkerülve az emberi munkatársak vagy a kezelendő tárgy sérülését.
- Puha és rugalmas anyagok: A végeffektorok burkolatához és munkafelületeihez használt anyagok csökkentik az ütközések káros hatásait.
- Gyors moduláris csatlakozók: Ezek lehetővé teszik a végeffektor gyors cseréjét és testreszabását a különböző alkalmazási forgatókönyvekhez.
Az ISO/TS 15066 szabvány szerepe
Az ISO/TS 15066 (2016) az ipari kollaboratív robotok biztonsági szabványait határozza meg. Ez a dokumentum pontosan leírja azokat a paramétereket, amelyek mentén egy robot biztonságosan együttműködhet emberekkel, beleértve az ütés és nyomás értékeit is, amelyeket az emberi test még károsodás nélkül kibír.
A projekt során a fejlesztési csapatunk gondosan figyelembe vette ezeket az előírásokat, biztosítva, hogy az új végeffektor minden tekintetben megfeleljen a szabvány elvárásainak.
- kép zárt állapot
A projekt során elvégzett szakmai feladatok eredményei
1 Irodalomkutatás
A projekt előkészítési szakaszában a szükséges szabványok beszerzése és tanulmányozása történt meg. Az elvégzendő feladatok szempontjából az alábbi szabványok bizonyultak relevánsnak:
ISO/TS 15066:2016 – Kollaboratív robotok biztonsági követelményei
MSZ EN ISO 10218-1:2016 – Ipari robotok biztonsági követelményei (1. rész)
MSZ EN ISO 10218-2:2016 – Robotrendszerek és összehangolásuk (2. rész)
MSZ EN ISO 13849-1:2016 – Gépek biztonsága, vezérlőrendszerek tervezési alapelvei
ISO/TR 20218:2018 – End-effektorok biztonságos kialakítása
ISO/TR 20218:2017 – Kézi terhelésű állomások biztonságos tervezése
A szabványok alapján a projekt specifikus követelményeit és tervezési irányelveit azonosítottuk.
2 Tervezési alapok és prototípus tervezés
A tervezési szakaszban az end-effektor biomechanikai hatásait, valamint a burkolat kialakításának követelményeit vizsgáltuk. A burkolat célja az ütközési erők minimalizálása és a biomechanikai előírások betartása volt. A tervezés során a következő szempontokat vettük figyelembe:
Erőhatások és biomechanikai követelmények: A burkolatnak el kell oszlatnia az ütközési erőket, minimalizálva a sérülés kockázatát.
Geometriai optimalizálás: A hexagonális és gömbfelületű burkolatok alkalmazásával a felületi nyomás csökkenthető.
Mozgatás és vezérlés: Az aktuátorok számának minimalizálásával egyszerűsítették a vezérlést, amely csökkentette a költségeket és növelte a megbízhatóságot.
Az első prototípus egy UR3 e-series robotra készült, amely kis mérete és alacsony tömegközéppontja miatt optimális választás volt.
3 Prototípus tervezés
A prototípus tervezése során a fő cél a “rough design” elkészítése volt, amely lehetővé tette az alkatrészek méretének és tömegének előzetes meghatározását. Az alkatrészek 3D nyomtatással készültek, amely gyors iterációkat és költséghatékony hibakezelést tett lehetővé. A tervezés során az alábbi megállapításokat tettük:
A burkolat és a kinematikai lánc összeszerelhetősége érdekében két elemből álló burkolatot terveztünk.
Az aktuátor és a burkolat közötti kapcsolat optimalizálása csökkentette a mozgó alkatrészek számát.
Az elsődleges tervezési cél az egyszerű gyárthatóság és alacsony költségek biztosítása volt.
4 Prototípus gyártáselőkészítés és gyártás
A prototípus gyártását 3D nyomtatással kezdtük meg. A gyártási folyamat során számos technikai kihívást azonosítottunk:
Nyomtatási hibák: Szálanyag beégése, rétegek közötti kohézió hiánya és nagy felületű termékek felhajlása jelentették a leggyakoribb problémákat.
Karbantartási igények: A nyomtatók 50-60 üzemóra után rendszeres karbantartást igényeltek.
A munkahenger kiválasztásánál az SMC eszközt használtuk, amely kis mérete és nagy merevsége miatt ideális volt a feladathoz.
5 Összeszerelés
Az összeszerelési szakaszban a nyomtatott alkatrészek illeszkedési problémáit azonosítottuk és javítottuk. Az első prototípus tapasztalatai alapján a következő módosításokat végeztük el:
A furatok méretét növeltük a könnyebb szerelhetőség érdekében.
Az alkatrészek illesztéseit átterveztük, hogy minimalizáljuk a mechanikai hibákat.
- kép működés közben
6 Erőmérő kalibrálás
Az erőmérők kalibrálásához speciális szerszámokat fejlesztettünk, amelyek lehetővé tették a pontos beállítást. A mérési adatok alapján meghatároztuk az erőmérők által mért értékek terhelési paramétereit. A kalibrálás során az etalon sablonok szélességi értékeit variáltuk, hogy pontos mérési sorozatot hozzunk létre.
7. Prototípus terv fejlesztése
A prototípus összeszerelése során több problémát azonosítottunk, amelyek a szerelést és programozást nehezítették:
A megfogó hatásvonalai és az erőmérő tengelyei nem estek egybe a robot belső szenzorainak tengelyével. Ez elforgatott TCP (szerszámközéppont) és COG (tömegközéppont) értékekkel való számolást igényelt volna, ami bonyolította volna a programozást.
Túlzsúfolt belső szerelési helyek és az egy hengerrel mozgatott mechanika okozta beállítási problémák.
Ezek megoldására:
Egy extra mozgató hengert terveztünk az ajtó mozgatásához, amely függetlenítette a megfogó Z irányú mozgását az ajtó nyitásától.
Egyszerűsítettük a szerkezetet, csökkentve az alkatrészek számát, és több helyet biztosítottunk a beépítéshez.
A szenzortartó kereten további optimalizálásokat végeztünk.
8 Teljesítmény- és erőhatárolás számításai és módszereinek vizsgálata
A szabványok, különösen az EN TS 15066 műszaki előírás, részletes útmutatót nyújtanak a kollaboratív robotok biztonsági követelményeiről.
A vizsgált módszerek:
Biztonsággal összefüggő leállításfelügyelet
A robot mozgását érzékelők (fényfüggöny, területszkenner) segítségével állítjuk meg, mielőtt az ember a veszélyes zónába lépne.
A védőtávolságot az ISO TS 15066-2016 és az MSZ EN ISO 13855-2010 szabványok alapján számítottuk.
Sebesség- és elkülönítés-ellenőrzés
A robot sebessége dinamikusan változik az ember távolságától függően.
Kézi vezérlés
Az operátor egy vezérlőeszközzel lassú sebességgel irányíthatja a robotot.
Teljesítmény- és erőhatárolás
Az ember-robot érintkezés megengedett, ha az nem okoz fájdalmat. Az EN ISO TS 15066-2016 határértékeket ad meg az ütközési erőkre.
Kvázi statikus ütközések esetén a robot mozgását úgy kell tervezni, hogy a megállási út kisebb legyen, mint az érintett testrész deformációja.
Tranziens ütközések során a robot és az ember közötti mozgási energia elnyelését vizsgáltuk.
9 Mérőelektronika beállítása
A mérőelektronika konfigurációját a Pi Mach II szoftverrel végeztük. Az alapbeállítások (pl. eszköznév, IP-cím) után a digitális output kapcsolási értékeit határoztuk meg. A hiszterézis értékeit az egyes limitekhez igazítottuk, hogy az outputok az elvárt módon működjenek.
10 Robot konfiguráció
Az applikáció megfelelő működéséhez az Universal Robot konfigurációját az alábbiak szerint végeztük el:
Megfogó paraméterei: Tömeg, tömegközéppont, ki- és bemeneti jelek.
Biztonsági beállítások: Mozgási és sebességkorlátok, biztonsági bemeneti jelek.
Modbus kommunikáció: A robot és a külső eszközök közötti jelek rögzítése.
Tesztjeink azt mutatták, hogy az azonnali fékezés elengedhetetlen a gyors reakciók kiváltásához.
11 Megjelenítő és kiértékelő szoftver
Az erőmérő szenzorok adatainak valós idejű rögzítésére és megjelenítésére új szoftvert fejlesztettünk, mivel a korábbi UR Log Viewer nem tudta kezelni az összes szükséges adatot. Az RTDE (Real-Time Data Exchange) interfészen keresztül Python nyelven gyűjtöttük az adatokat, amelyeket valós időben jelenítettünk meg.
A burkolat súlya alapterhelést jelentett a szenzorokon, ezért a programban folyamatosan nulláztuk az értékeket, hogy kompenzáljuk ezt a hatást.
Eredmények és jövőkép
A “Kollaboratív Végeffektor” projekt már most számos érdemi eredményt hozott, beleértve egy prototípus sikeres tesztelését, amely bizonyította a rendszer hatékonyságát és biztonságosságát. A következő lépés az ipari partnerekkel való szorosabb együttműködés, hogy a végeffektor valódi gyártókörnyezetben is bizonyíthasson.
A fejlesztés nemcsak az ipar, hanem a kutatás és az oktatás számára is értékes, hiszen az innovatív technológiák hozzájárulhatnak a kobotok további fejlődéséhez, miközben elősegítik a biztonságos ember-robot együttműködés elterjedését.
Záró gondolatok
A “Kollaboratív Végeffektor” projekt bizonyítja, hogy a jövő ipari technológiáinak kulcsa az innováció, a biztonság és az emberi igényekre való odafigyelés. A robotok és emberek közötti hatékony együttműködés nemcsak a gyártási folyamatokat forradalmasíthatja, hanem az általános munkahelyi környezetet is biztonságosabbá és produktívabbá teheti.
A B&O Kft. a projektet a Széchenyi 2020 program keretében meghirdetett Gazdaságfejlesztési és Innovációs Operatív Program „Vállalatok K+F+I tevékenységének támogatása kombinált hiteltermék” felhívásának a keretében valósította meg, GINOP-2.1.2-8-1-4-16-2018-00618 azonosító szám alatt.
Szerző: Óvári Attila, tulajdonos, ügyvezető, vezető kutató
Ha feliratkozik a Műszaki Magazin Hírlevelére, sosem marad le a híreinkről! További friss híreket talál a Műszaki Magazin főoldalán! Csatlakozzon hozzánk a Facebookon is!
