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ARSControlAutomation, Robotics and System Control lab

Robot collaborativi per la fabbrica 4.0

Cristian Secchi, Cesare FantuzziARSControl Lab, University of Modena and Reggio Emilia, Italy

LA ROBOTICA COLLABORATIVA IN AZIENDA

Obiettivi del seminario

� Robotica collaborativa, cioè della possibilità di fare lavorare in stretto contatto il robot con l'operatore umano, sfruttando le moderne tecnologie elettroniche ed informatiche (Industria 4.0) per garantire la sicurezza anche in assenza di barriere fisiche.

� Industria 4.0: portare l’elettronica a livello del singolo componente, aprendo scenari di tracciamento e sviluppo di servizi a valore aggiunto per il cliente.

� Esempio di interazione uomo robot: apprendimento di cicli di lavoro tramite insegnamento diretto, dove l'operatore mostra al robot le operazioni da compiere spostando l'organo di presa con la propria mano (teach

by demonstration).

� Demo su prototipo di laboratorio.

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Lo scenario: la fabbrica 4.0

Meccanizzazioneforza vapore, forza idraulica.

Produzione di massa, linea di assemblaggio,potenza elettrica.

Automazione e informatica.= il sistema è controllato da un computer.

Sistemi «cyber-physical» = il componente /prodotto è controllato da un computer.

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Internet delle cose

� Il termine "Internet delle cose" è accreditato a Kevin Ashton che lo coniò nel 1999 mentre era dipendente della Procter & Gamble.

� A livello intuito per "Internet delle cose" si intende un dispositivo in grado di rilevare ed elaborare grandezze nel mondo reale (temperatura, illuminazione, umidità, etc.) per poi utilizzarle per ottenere una funzione o valore aggiunto.

� Il termine "Internet" significa che l’oggetto raggiunge la propria funzione attraverso la condivisione di tali informazioni con altri dispositivi o macchine.

� a differenza di quanto si intende oggi in cui la maggior parte dei dati su Internet viene prodotta e consumata da persone (testo, audio, video.

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Alcune applicazioni

I sensori installati all'interno apparecchiatura controllano le tolleranze dei componenti, inviando automaticamente un report se sono rilevati malfunzionamenti.

I negozianti possono rilevare le modalità d’acquisto dei propri clienti

Sistema che notifica lo stato di blocco, scadenza o rimozione di un estintore.

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Catena del prodotto (Tradizionale)

FABBRICAMacchine e

Servizi

MATERIALE DI IMBALLO

MATERIALEGREZZO

ENERGIA

MAGAZZINI/ DISTRIBUTORI CLIENTE

Nella fabbrica tradizionale, il ciclo del prodotto è «one-way»

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Catena del prodotto (4.0)

FABBRICAMacchine e

Servizi

MATERIALE DI IMBALLO

MATERIALEGREZZO

ENERGIA

MAGAZZINI/ DISTRIBUTORI CLIENTE

Con la tencologia «Internet delle Cose» (IoT), è possibile introdurre una retroazione che misura le performance nelle varie fasi del ciclo di vita di prodotto per fornire un feedback sui processi produttivi, di stoccaggio e di consumo.

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Industria 4.0: collaborazione uomo-robotSeparazione Coesistenza

Divisione del lavoro Condivisione del lavoro8

Robot collaborativi

� Progetto Tyrebot.

� Progetto Assemblaggio Cooperativo

� Progetto Programmazione-per-dimostrazione (demo di laboratorio a seguire).

� Nuove normative di sicurezza per la robotica cooperaiva.

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Progetto TIREBOT

A Tire-Workshop Robotic Assistant

Durata 18 mesi (Mag 2015 – Ott 2016)

Budget 501 k€ (299 k€ finanziamento EC)

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TIREBOT – Il Mercato

278.8 Milioni di automobili e camion in Europa

332.2 Milioni di pneumatici necessitano sostituzione

SOLO PER ADERIRE ALLE NORMATIVE EUROPEE!!!11

TIREBOT – Il Mercato

� Piccole e Medie Imprese (PMI)

� Densamente distribuite in Europa

� Alcune operazioni sono già automatizzate

� È però necessario molto lavoro manuale

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Un giorno dal gommista

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12 – 80 kg

Un giorno dal gommista

PRO

• Capacità cognitive di alto livello dell’utente per:– Svitare viti– Smontare ruote dal veicolo– Utilizzare macchinari specifici

CONTRO• L’utente è coinvolto in operazioni di basso

livello– Sollevamento di ruote e pneumatici– Trasporto e movimentazione

• Mentre l’utente attende, non viene svolta alcuna operazione!

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Un giorno dal gommista con TIREBOT

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Divisione del lavoro

Basso livello e faticose

TIREBOT

Alto livello e agevoli

Gommista

� Uomo e robot collaborano per il cambio della ruota� Riduzione tempo/ruota

� Riduzione sforzo gommista

� Il lavoro deve essere formalizzato e suddiviso.

� TIREBOT e il gommista si devono sincronizzare.

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Divisione del lavoro� TIREBOT deve essere in grado di:

� eseguire il lavoro in autonomia (trasporto)

� lavorare a stretto contatto con il gommista (posizionamento ruota)

� Sistema di navigazione autonoma

� Sistema di collisiondetection and avoidance

� Pianificazione

� Riconoscimento oggetti

� Riconoscimento gommista

� collaborazione uomo robot

� sicurezza e prestazioni

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Sicurezza dinamica

� Il tipo di sicurezza dipende dalla situazione in cui si trova il robot

� La suddivisione del lavoro definisce la sicurezza18

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Divisione del lavoro: La lezione di TIREBOT

� Uomo e robot possono co-esistere e collaborare per lo svolgimento di un lavoro

� Oltre alla coesistenza è necessario suddividere il lavoro e il robot deve capire lo stato del lavoro

� Sicurezza dinamica: il compito da eseguire influenza il tipo di comportamento sicuro

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Progetto Assemblaggio Cooperativo

TASK

� 3 Livelli di priorità

� 2 aree operative: alimentazione, montaggio

� Assemblaggio cooperativo

� L’operatore insegna il task al robot

Vincoli

� Sicurezza fisica per l’operatore

� Prestazioni: alte velocità e evitare interferenze

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Uomo e robot

� Spazio di lavoro condiviso (coesistenza)

� Spazio di lavoro limitato (collisioni)

� Eseguono in modo concorrente il lavoro (condivisione del lavoro)

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Percezione

� Presenza dell’operatore

� Stato dell’assemblaggio

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Sicurezza

� Controllo di impedenza con:

� limitazione forza

� limitazione energia scambiata

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Percezione, azione e sicurezza

� Il robot pianifica in continuazione il proprio movimento in base a:� il compito di assemblaggio

� lo stato dell’assemblaggio

� la presenza dell’essere umano

� e se incontra un ostacolo cambia la sua “rigidezza” per assicurare la sicurezza� limitando l’energia scambiata

� limitando la forza scambiata

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Assemblaggio Cooperativo

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Condivisione del lavoro: la lezione dell’assemblaggio cooperativo

� Durante la co-esistenza e l’esecuzione concorrente di un lavoro in uno spazio limitato è necessario gestire in modo sicuro l’interazione fisica.

� Per un esecuzione efficiente del lavoro, il robot deve essere in grado di monitorare lo stato del lavoro e ripianificare continuamente l’azione da eseguire e il movimento da fare

� Se il robot può prevedere cosa farà l’operatore, allora è possibile rendere il sistema più efficiente.

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Programmazione per dimostrazione

- Demo a seguire in laboratorio -

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Requisiti di sicurezza per robot collaborativi� Specifiche di sicurezza per le applicazioni di robot

industriali:

� ISO 10218-1, ISO 10218-2.

� Relativi standards e direttive.

� Nuovo standard di sicurezza per robot collaborativi

� ISO/TS 15066

� modalità collaborativa:Per rispettare le Limitazione di Forza e Potenza, sono necessari sistemi di controllo in grado di monitorare a livello ISO 13849-1 PLd, cat.3, o IEC 62061 SIL 2 un valore di energia trasmessa dalla macchina all’esterno.

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Tipi di operazioni collaborative

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Conclusioni 1/2

� Diversi livelli di collaborare con un robot� coesistenza, divisione, condivisione

� Percepire lo spazio di lavoro è fondamentale per garantire la sicurezza e le prestazioni� ripianificazione

� La sicurezza:� può dipendere dalla fase di lavorazione

� divisione del lavoro, condivisione del lavoro

� può essere garantita tramite distanze di sicurezza � co-esistenza, divisione lavoro

� può essere garantita tramite controllo di interazione� condivisione lavoro

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Conclusioni 2/2

� La robotica cooperativa è la prossima rivoluzione della robotica

� La complessità di un lavoro può essere dominata dall’accoppiamento sinergico delle capacità complementari di uomo e robot.

� La sicurezza è necessaria ma non sufficiente per garantire una collaborazione prestante

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