PATRONI ROBOTYKI:
 

WIADOMOŚCI PRZEMYSŁOWE

2017-01-17 15:08

KUKA i KUBE - ręce pełne roboty

Robotyka przemysłowa przyzwyczaiła nas do pewnego zestawu czynności, które nieodmiennie kojarzą nam się z robotami. Czy to przy stanowiskach spawalniczych, lakierniczych, czy przy zadaniach typu pick and place. Przy tym dominującym obrazie robotów nie trudno zapomnieć o tym, że mogą one mieć swoje inne, niekomercyjne oblicze. O tym jak Polscy naukowcy z Politechniki Łódzkiej postanowili wykorzystać roboty w sposób nieszablonowy, dowiecie się z poniższego artykułu.

Per aspera, ad astra mawiać miał Juliusz Cezar, dając wyraz swojemu przekonaniu, iż osiągnięcia są proporcjonalne do włożonego w nie wysiłku. Te słowa najwyraźniej nie przeterminowały się, o czym dobitnie przekonał się prof. Grzegorz Granosik z Zakładu Sterowania Robotów w Instytucie Automatyki Politechniki Łódzkiej. Pomysłem instytutu było stworzenie na uczelni stanowiska badawczego z udziałem robotów, które dzięki swojej wszechstronności i możliwości konfiguracji wielu parametrów, dałoby bazę do prowadzenia licznych badań z różnych dziedzin naukowych. Wytrwałość w dążeniu do celu opłaciła się - trzeci ze złożonych wniosków o wsparcie został rozpatrzony pozytywnie, a instytut otrzymał dotację celową na duża infrastrukturę badawczą. Mając zapewnione środki na nową inwestycję, uczelnia przystąpiła do uszczegółowienia projektu i zakupu zintegrowanego stanowiska złożonego z robotów, chwytaków, zadajników i czujników wizyjnych, które zostały wytypowane już na etapie składania wniosku. W efekcie już niebawem w Zakładzie Sterowania Robotów miejsce zagrzały dwa nowe roboty KUKA LBR iiwa oraz cały dodatkowy osprzęt niezbędny do kontroli wizyjnej i siłowej współpracy maszyn z ludźmi. Ze względu na charakterystyczny, sześcienny kształt przestrzeni badawczej, nowe stanowisko ochrzczono mianem KUBE. Zachęcamy do kliknięcia poniższego zdjęcia i przeniesienia się do wnętrza tej niecodziennej konstrukcji.

robot_robotyka_automatyka_kuka_kube_politechnika_lodzka_360

Panorama sferyczna stanowiska badawczego (link na zdjęciu)

Dlaczego KUKA?

Projekt zakładał, że stanowisko ma służyć do badania interakcji ludzi z robotami na różnych płaszczyznach. Już to wymaganie mocno zawężało grono robotów, które mogłyby być użyte w tym celu. Wszak klasyczne roboty przemysłowe nie posiadają wystarczających zabezpieczeń, które umożliwiłyby im bezpieczną pracę we wspólnej przestrzeni z ludźmi. Tym samym pod kątem wniosku rozpatrywane były jedynie roboty współpracujące, które w dalszym ciągu są swoistym novum w branży. Tym bardziej były one nowością kilka lat temu, gdy powstawał pierwszy zarys projektu. Szukając inspiracji, pracownicy i doktoranci Instytutu Automatyki odwiedzali targi branżowe, oraz stanowiska badawcze na Politechnice Warszawskiej, Politechnice Poznańskiej oraz Politecnico di Milano, gdzie pracowały już roboty KUKA. Cieszące się wzorową opinią, stanowiłyby idealnych kandydatów do stanowiska na łódzkiej uczelni. Jednak ówcześnie KUKA nie posiadała jeszcze w swojej ofercie robotów współpracujących.

Sytuacja uległa zmianie w 2015 roku, kiedy po roku intensywnych testów w fabrykach BMW i Mercedesa, miała miejsce oficjalna premiera robota współpracującego LBR iiwa. Nie dość że spełniał podstawowe założenia projektantów stanowiska badawczego, miał siedem stopni swobody i możliwość dowolnego montażu, to posiadał jeszcze jednego asa w swoim robotycznym rękawie – kilka trybów współpracy z zewnętrznymi układami sterowania w tym integrację z Robot Operating System (ROS). Robot o takich parametrach gwarantował solidną postawę do projektu, zapewniając przy tym elastyczność, która pozwoliłaby rozwijać różne pomysły. W ten sposób do wniosku z 2015 roku włączone zostały roboty KUKA LBR iiwa, a los projektu się odwrócił - wniosek został w końcu pozytywnie rozpatrzony przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

robot_robotyka_automatyka_kuka_kube_politechnika_lodzka_1

Robot współpracujący KUKA LBR iiwa wykorzystany w projekcie KUBE

Elastyczność ponad wszystko

"Na uczelni, będąc nieograniczonymi przez komercję, mamy sposobność rozwijania niestandardowych rozwiązań," przyznaje prof. Grzegorz Granosik i po chwili dodaje, iż "Fabryka zainwestuje w to, co przynosi zwrot z inwestycji. Dzięki wsparciu Ministerstwa możemy swobodnie myśleć nad rozwijaniem własnych pomysłów." Nie jest to jednak jednoznaczne z tym, iż KUBE nie posiada zastosowań, które podlegałyby komercjalizacji. Wręcz przeciwnie – poprzez pełną konfigurowalność systemu i jego parametrów KUBE może spełnić się na wielu polach eksploatacji, a do uczelni należy ich opracowanie w drodze eksperymentów i ciągłych udoskonaleń całego systemu.

Prof. Granosik przyznaje, iż pomysł na utworzenie stanowiska badawczego był naturalną drogą rozwoju projektów, które dotychczas funkcjonowały w obrębie Instytutu Automatyki. Pojawienie się robotów współpracujących otworzyło nowe perspektywy i pola badawcze. Ich potencjał, przejawiający się w mnogości zastosowań, jawił się pracownikom uczelni, jako doskonały punkt wyjścia do badań nad interakcją ludzi z robotami. W tej opinii utwierdzili pracowników instytutu również nowi doktoranci, którzy wnieśli do projektu wiele ciekawych pomysłów i świeże spojrzenie. Od pierwotnego projektu do wykonania minęły prawie trzy lata i w marcu 2016 naukowcy na Politechnice Łódzkiej powitali swojego nowego kolegę - KUBE. Firma KUKA, która dostarczyła roboty, zasugerowała firmę ARET jako godnego polecenia integratora. Za sprawą tej firmy KUBE nabrał swojego charakterystycznego kształtu.

Stanowisko badawcze wyznacza sześcienna konstrukcja z aluminiowych profili. Na pionowych, przeciwległych bokach kwadratu umieszczono dwie prowadnice, do których przytwierdzono roboty. Prowadnice te mogą być umieszczone na dowolnej ścianie kostki oraz pod różnymi kątami, dzięki temu ramiona robotów pracują nie tylko w określonym promieniu –  mogą również przemieszczać się liniowo względem całego układu. W efekcie ramiona są w stanie sięgnąć do dowolnego punktu w przestrzeni badawczej, a znaczna przestrzeń robocza jest dostępna dla obu ramion jednocześnie. Jako elementy zadające w układzie funkcjonują rękawice sensoryczne oraz siedmioosiowe układy haptyczne (omega.7), które umożliwiają sterowanie ruchem ramion robota poprzez ruchy rąk. Element wykonawczy to rzecz jasna roboty KUKA LBR iiwa, wyposażone w dwa chwytaki – trójpalczasty oraz pięciopalczasty, będący pierwszym tego typu urządzeniem w Polsce. Dzięki pracy w trybie impedancyjnym można precyzyjnie dostroić podatność ruchów robota, tak aby odpowiadała konkretnemu zadaniu. W obrębie stanowiska zainstalowano również system wizyjny, który zapewnia operatorowi wgląd w każdy kąt KUBE. Obraz może być wyświetlany na ekranie monitora, bądź na ekranie okularów wirtualnej rzeczywistości a także jest analizowany przez oprogramowanie Halcon.

robot_robotyka_automatyka_kuka_kube_politechnika_lodzka_2

Wewnątrz stanowiska badawczego KUBE

Do wygodnej obsługi całości układu pisane jest oprogramowanie zgodne z Robot Operating System. Tak wszechstronny projekt stwarza jednak pewne trudności  - "Dążymy do spójnego systemu sterowania bazującego na ROS - niestety nie wszystkie ze sprzętów są przystosowane do tego środowiska wprost,” przyznaje prof. Granosik. "Na stanowisko składa się wiele różnych produktów, które muszą ze sobą zostać połączone. Są to nowe rozwiązania, które zazwyczaj nakierowane są na aplikacje przemysłowe. Na uczelni chcemy wejść jak najgłębiej w ich układ sterowania i dojść do rozwiązań, które zapewnią nam pełną funkcjonalność."

Pełna funkcjonalność w służbie ludzkości

KUBE nie jest układem komercyjnym sensu stricto. Nie powstał aby generować zysk, jak jemu podobne konstrukcje pracujące w fabrykach. Nie oznacza to jednak, że nie przysłuży się rozwojowi naukowemu, który za sobą pociągnie realne profity. Stanowisko to powstało jako możliwie elastyczny system, który pozwoli sprawdzić różne ustawienia, zestawione z myślą o różnorakich przeznaczeniach. Uczelnia pragnie przeprowadzać z udziałem robotów swoje prace badawcze, ale jak to podkreśla prof. Grzegorz Granosik, instytut nastawia się też na współpracę z innymi placówkami edukacyjnymi
i komercyjnymi przedsiębiorstwami.

Główną myślą przewodnią, towarzyszącą projektowaniu stanowiska, było zastąpienie możliwości człowieka wprost. W związku z tym centralnym elementem całego układu jest para robotów KUKA, wyczuwających siłę kontaktu, a sterowanie nimi poprzez rękawice sensoryczne oraz zadajniki haptyczne i wizyjne stanowi na ten moment najbardziej wierne odwzorowanie ruchów rąk człowieka. Efektem tego jest możliwość symulowania działań, które mogłyby zostać wykonane poprzez manualną pracę człowieka, w układzie gdzie elementem wykonawczym są ramiona robota i jego chwytaki.

robot_robotyka_automatyka_kuka_kube_politechnika_lodzka_3

Robot współpracujący KUKA LBR iiwa z pięciopalczastym zręcznym chwytakiem SCHUNK

Pośród potencjalnych pól eksploatacji pojawiają się pomysły z różnych dziedzin naukowych. W świetle robotyki, KUBE jest wyjątkowo elastycznym środowiskiem, które potencjalnym klientom komercyjnym zapewnia optymalne warunki, do prowadzenia badań nad swoimi nowymi produktami. Tym samym możliwe jest ograniczenie kosztów związanych z prototypowaniem, a także sprawdzenie wielu ustawień bez konieczności tworzenia nowych stanowisk badawczych. Tym samym Instytut Automatyki stanowi rzetelnego partnera do prowadzenia badań, z wysoce rozwiniętym zapleczem technicznym.

Wedle jednego z głównych zamysłów naukowców z Politechniki Łódzkiej było zbadanie potencjału KUBE w rehabilitacji pacjentów po urazach. Odpowiednio duża przestrzeń pozwala na zmieszczenie łóżka lub wózka inwalidzkiego w obrębie sześciennej kostki, a dwa ramiona robotów KUKA LBR iiwa pozwalają odtwarzać ruchy, jakie wykonywałby terapeuta dążący do przywrócenia sprawności w kończynach pacjenta. Jest to zastosowanie, które ma duże szansę powodzenia - powtarzalne ruchy wykonywane przez terapeutę bardzo dobrze nadają się do zastąpienia przez robota. Nie dość że robot będzie w stanie wykonywać pracę bez przerwy, nie odczuwając skutków zmęczenia, to daje on również gwarancję, że czynności będą przez niego wykonywane za każdym razem tak samo. KUBE może również wspomagać specjalistę, z którym będzie współpracował, a terapia prowadzona na cztery „ręce" ma szanse przynieść oczekiwane efekty w krótszym czasie.

Roboty a psychologia człowieka

Naturalnym zdaje się zapytać o bezpieczeństwo całego stanowiska badawczego – wszak w jednej przestrzeni mają pracować roboty i przebywać ludzie. W przypadku prowadzenia rehabilitacji, kontakt pomiędzy człowiekiem a robotem ma być siłowy i bezpośredni. "Robot KUKA LBR iiwa posiada czujniki momentu we wszystkich złączach. Dzięki temu kontakt może być wykryty w dowolnym miejscu - nawet ten delikatny," wyjaśnia prof. Granosik. KUBE ponadto wyposażony został w zaawansowany system wizyjny, który pozwala na bieżąco kontrolować sytuację w jego wnętrzu, a zaprogramowane w ROS wartości, przy których załączają się hamulce bezpieczeństwa, są wyjątkowo restrykcyjne. Samo wyjaśnienie kwestii zapewnienia bezpieczeństwa daje podłoże do kolejnych tematów, które można badać przy pomocy KUBE – aspektów psychologicznych współpracy z robotami.

Czy ludzie czują się bezpiecznie w otoczeniu robota? Co można zmienić, aby zbudować zaufanie człowieka do maszyny? Jak osoba powinna komunikować się z robotem, a jak robot powinien odpowiadać? Wraz z usunięciem barier i skróceniem dystansu dzielącego ludzi od robotów, pojawia się nowa dziedzina, która wykracza poza granice klasycznej robotyki – psychologia robotyczna. Ludzkość w większości nie jest gotowa do bezpośredniego kontaktu z robotami, a wiedzę na ich temat opinia publiczna czerpie przeważnie z gatunku science fiction. W związku z tym przed naukowcami z Politechniki Łódzkiej stoi również zadanie zbadania, jak roboty oddziaływają na ludzi i z jakimi intencjami ludzie podchodzą do robotów. Celem tego działania ma być wypracowanie modelu, który pozwoli ludziom oswoić się z techniką oraz uodpornić ich na stres związany z nowymi sytuacjami. Jako iż ta tematyka wykracza poza robotykę w ścisłym ujęciu, konieczna będzie współpraca z innymi placówkami naukowymi. Zakład Sterowania Robotów współpracuje już teraz ze studentami z łódzkiej Akademii Sztuk Pięknych, którzy pod kierunkiem prof. Anny Miarki projektują wizualną stronę maszyn przyszłości. Wzornictwo przemysłowe dotyczące robotów będzie w najbliższych latach odgrywało coraz większą rolę – wymagania bezpieczeństwa, oraz aspekty psychologiczne wynikające z bezpośredniego kontaktu człowieka z maszyną stwarzają potrzebę opracowania robotów, z którymi ludzie nie będą obawiali się pracować.

Ponadto instytut bierze udział w projekcie "Roboterapia - zrobotyzowane środowisko pracy terapeutów dzieci z silnym upośledzeniem psychicznym", w ramach którego angażowani są psychologowie, terapeuci oraz projektanci wzornictwa przemysłowego, w celu stworzenia użytecznego systemu. KUBE i jego możliwości wprost idealnie wpisują się w założenia tego projektu, mogąc nadać mu większej dynamiki.

robot_robotyka_automatyka_kuka_kube_politechnika_lodzka_4

Jak skrócić dystans dzielący ludzi od robotów?

KUBE i koledzy

Pomimo rozmiarów projektu jakim jest KUBE, oraz jego znaczenia dla całego instytutu, błędem byłoby nie wspomnieć o innych istotnych projektach realizowanych w ramach Zakładu Sterowania Robotów. A jest się czym chwalić – Team Raptors, zwycięzcy tegorocznej edycji zawodów łazików marsjańskich European Rover Challenge, to zespół studentów i naukowców z Politechniki Łódzkiej, któremu przewodzi prof. Grzegorz Granosik. Międzynarodowy sukces nie przyszedł od razu, jednak jak to wspominaliśmy na początku tego artykułu - per aspera ad astra. Wieloletnie starania i ciągłe udoskonalenie projektu opłaciło się – Polacy zdominowali zawody i udowodnili drużynom z całego świata, jak należy się zabierać do konstrukcji łazików marsjańskich. W minionych latach studenci we współpracy z kołem naukowym SKaNeR tworzyli również roboty rozrywkowe o różnych kształtach, ubierając je między innymi w stroje lalek. Te niecodzienne konstrukcje przedstawiały w satyryczny sposób Łodzian i ich zachowania na uroczystościach związanych z dziesięcioleciem polskiego członkostwa w Unii Europejskiej. Oprócz tego instytut organizuje kursy programowania dla dzieci, konstruuje własne drony, które z powodzeniem biorą udział w ogólnopolskich zawodach, a także rozwija projekty robotów inspekcyjnych.

Łazik Raptors, drony oraz technologia autonomicznej nawigacji i manipulacji doskonalona przez studentów Koła SKaNeR oraz kadrę instytutu, przyniosły pod koniec 2016 roku jeszcze jeden sukces – reprezentacja Politechniki Łódzkiej jest jedyną drużyną z Polski na zawodach Mohamed Bin Zayed International Robotics Challenge. Współzawodnictwo 28 drużyn z całego świata będzie miało miejsce w marcu 2017 w Abu Zabi.

robot_robotyka_automatyka_kuka_kube_politechnika_lodzka_5

Prof. Grzegorz Granosik, mgr Igor Zubrycki – doktorant

oraz inż. Tigran Sogbatyan – dyplomant z Politechniki Łódzkiej

Politechnika Łódzka - partner naukowy oraz biznesowy

W momencie kiedy czytacie te słowa, KUBE prawdopodobnie pracuje w pocie serwonapędów. Jego wszechstronność i możliwość konfiguracji wielu parametrów może być wykorzystana nie tylko przez uczelnię, ale także przez podmioty zewnętrzne, które chciałyby przy jego pomocy przeprowadzić konkretne eksperymenty. Prof. Grzegorz Granosik otwarcie przyznaje, że liczy na współpracę firm z zewnątrz. Możliwości KUBE pozwalają znacznie ograniczyć wydatki na projekt na poziomie jego developmentu oraz prototypowania, a wysokiej jakości roboty dostarczone przez firmę KUKA gwarantują długą żywotność i powtarzalność wykonywanych operacji.

Los projektu zmienił się w momencie, gdy zostały włączone do niego roboty współpracujące KUKA LBR iiwa. Może to właściwy czas, aby zainwestować w te roboty i pozwolić aby to Wasze  przedsiębiorstwo było tematem kolejnego success story inspirowanego robotami KUKA.


Źródło: robotyka.com / Politechnika Łódzka (p.lodz.pl) / Studenckie Koło Naukowe Robotyki SKaNeR (skaner.p.lodz.pl)