Suomen Automaatioseura ry ROB 1/1 Finlands Automationssällskap rf Finnish Society of Automation

Transkriptio

1 Suomen Automaatioseura ry ROB 1/1 Hannu Lehtinen VTT ROBOTIT Johdanto Kaikki robotit hyödyntävät automaatiota monipuolisesti ja ovat osa automaatiota. Tehtaiden miljoona teollisuusrobottia ovat koneita koneiden joukossa, ja ne tekevät usein lisää koneita tai autoja. Liikkuvia älykkäitä ja itsenäisiä koneita voidaan kutsua myös roboteiksi. Itsenäisesti toimivat isot työkoneet ovat nyt tulossa käyttöön mutta turvallisuuden vuoksi yleisöltä suojatuissa tiloissa. Paremmin itsenäiset robotit tulevat esille kodeissa mutta yhden tehtävän halpana laitteena. Automaattinen pölynimuri on kohta monessa kodissa, tai toinen robotti leikkaamassa ruohoa pihalla. Kehitys on kuitenkin ollut nopeaa, kun otetaan huomioon, että ensimmäinen teollisuusrobotti toimitettiin vuonna Robotti-käsitteen kehittyminen Robotti-sanan keksi noin vuonna 1920 Josef Capek veljensä Karel Capekin näytelmään Rossum's Universal Robots (R.U.R.) kuvaamaan keinotekoisia työntekijöitä. Termi tulee tšekinkielisestä verbistä robota, joka tarkoittaa maanomistajalle veroluonteisesti tehtävää työtä. Ensimmäinen ohjelmoitavissa ollut ruiskumaalausmekanismi suunniteltiin Ensimmäinen teollisuusrobotti suunniteltiin 1954 Unimation-yhtiön pohjaksi. Sen ensimmäinen Unimate-robotti toimitettiin autoteollisuuteen Näitä robotteja käytettiin avustamaan valukoneiden käsittelyssä kuumissa olosuhteissa. Aluksi päämääränä oli suunnitella yksi teollisuusrobottityyppi, jota voitaisiin käyttää kaikkiin tehtäviin. Parhaiten yleistyi Unimationin PUMA-käsivarsi (Programmable Universal Machine for Assembly), joka suunniteltiin Pian huomattiin, että eri tehtäviin kannattaa käyttää erilaisia teollisuusrobotteja. Erilaisten teollisuusrobottien määrää on lisännyt myös valmistajien halu kyetä toimittamaan robotti kaikkiin teollisuuden tehtäviin. Erilaisia teollisuusrobotteja on useita satoja malleja ja niitä arvioidaan olleen käytössä kappaletta vuoden 2001 lopussa (N.N., 2002). Nykyään ne ovat koneita koneiden joukossa. Teollisuusrobotit ovat määritelmänsä mukaan (ISO 8373) monikäyttöisiä ja uudelleenohjelmoitavia. Yhtä erityistä liikettä varten tehtyjä mekaanisia laitteita ei määritelmässä luokitella teollisuusroboteiksi. Yleinen kielenkäyttö on kuitenkin vapaampaa. Japanissa jopa automaattisia ovia on kutsuttu robottioviksi. Ensimmäinen liikkuva robotti, jolla oli kuvankäsittelykyky, toteutettiin Se ei tosin kyennyt kantamaan huoneen kokoista tietokoneettaan. Työkoneita on automatisoitu Suomen Automaatioseura ry, Asemapäällikönkatu 12 B, HELSINKI puh: , fax: , sähköposti:

2 Suomen Automaatioseura ry ROB 2/2 itsenäiseen toimintaan 1980-luvulta lähtien. Ensimmäiset ovat jo toiminnassa teollisuuden raskaissa siirtotehtävissä ja kaivoksissa. Niiden sovellukset ovat nyt kasvuvaiheessa ainakin rahassa mitattuna. Ensimmäisiä ihmisen näköisiä energiajärjestelmänsä kantavia käveleviä robotteja on esitelty Japanissa vuodesta 1997 lähtien. Toistaiseksi ne kykenevät liikkumaan muutamia kymmeniä minuutteja jopa rappusissa, mutta eivät vielä tekemään juuri mitään hyödyllistä. Ihmisen energiajärjestelmä on ylivoimainen. Kahdella jalalla kävelyä kokeiltiin jo 1980-luvulla, mutta laitteet oli kytketty kaapelilla teholähteisiin ja yläraajoja tai -ruumista niillä ei yleensä ollut ollenkaan. Ihmisen toimintoja jäljitteleviä robotteja tutkitaan kuitenkin monipuolisesti. Markkinoilla on jo nukkeja, jotka kykenevät ilmeillään jäljittelemään ja matkimaan ihmisten tunteenilmaisujen tunnusmerkkejä (esim. nauru, itku) ja voivat oikein kohdeltuina oppia 2-vuotiaalle lapselle ominaisia toimintoja ja käyttäytymistä. Kasvu viihdemarkkinoilla voidaan ennustaa nopeaksi. Robotit ovat jo nyt ihmisen kumppaneita ja yhä enemmän tulevaisuudessa. Isaac Asimov on kuvannut science fiction -novelleissaan ja -romaaneissaan ihmisten ja ihmisten kaltaisten kotirobottien yhteistoimintaa ja kehittymistä tulevaisuudessa. Jopa robotin muuttumista kuolevaiseksi ja julistamista ihmiseksi on käsitelty. Asimov on kutsunut näitä ihmisen kaltaisia robotteja androideiksi. Teollisuusrobotti kone koneiden joukossa Määritelmän (ISO 8373) mukaan teollisuusrobotti on uudelleen ohjelmoitavissa oleva monipuolinen, vähintään kolminivelinen mekaaninen laite, joka on suunniteltu liikuttamaan kappaleita, osia, työkaluja tai erikoislaitteita ohjelmoitavin liikkein monenlaisten tehtävien suorittamiseksi teollisuuden sovelluksissa. Uudelleen ohjelmoitavuus on siis olennainen piirre. Yksinkertaistettuna teollisuusrobotti on mekaaninen kone, joka siirtää työkalun kiinnityslaippaa halutulla tavalla. Liikerata voi olla kokonaan etukäteen määritetty, toimintaympäristön tapahtumien perusteella valittava tai antureiden perusteella liikkeiden aikana määritelty. Robotin jalustan ja työkalun välissä on tukivarsia, joita nivelet liittävät toisiinsa. Niveliä liikuttavat takaisinkytketysti ohjattavat servotoimilaitteet. Teollisuusrobotit jaetaan yleensä luokkiin mekaanisen perusrakenteensa ja liikekoordinaatistonsa mukaan. Niitä kuvaavat termit (suorakulmainen, rinnakkaisrakenteinen, sylinteri, napakoordinaatisto ja rinnakkainen rakenne sekä SCARA ja kiertyvänivelinen). Kiertyvänivelinen on yleisin robottityyppi. Sen kaikki kuusi niveltä ovat kiertyviä. Työkalun suoraviivaiset liikkeet toteutetaan laskennallisesti. Tarvitaan interpolaatioksi ja käänteiseksi kinemaattiseksi tehtäväksi kutsuttuja laskentamenetelmiä.

3 Suomen Automaatioseura ry ROB 3/3 SCARA-robottia käytetään asennustehtäviin ylhäältä alas. Sen käsivarren kolme ensimmäistä niveltä ovat kiertyviä, ja niillä sen työkalu paikoitetaan halutun kohdan yläpuolelle. Robotti solun osana Nykyaikaisissa aistinohjatuissa robottisovelluksissa pelkkä uudelleen ohjelmoitavuus ei riitä, vaan robotit on saatava muodostamaan tuotteiden suunnittelutiedoista ja ympäristömallista liikeratansa, jota päivitetään prosessia tarkkailevien antureiden avulla. Toimiessaan tehtävässään robottijärjestelmä koostuu seuraavista komponenteista: työkalu ympäristöä tarkkailevat eli ns. prosessianturit tai -aistimet käsivarsi ohjausjärjestelmä ympärys- eli oheislaitteet liitännät robotin toimintaa mahdollisesti ohjaaviin ulkoisiin tietokoneisiin. Robottien yhteydessä huomio kiintyy usein liian paljon käsivarteen. Ohjausjärjestelmä on yleensä vaikeampi toteuttaa. Ne vastaavat ohjelmistoineen selvästi suuremmasta työpanoksesta robotin kehittämisessä. Samoin teollisuusrobottiyksilön osista ohjausjärjestelmä on yleensä kalliimpi. Teollisuusrobottisovellusten rakentamista on helpotettu ja tuotteistettu niin paljon kuin mahdollista. Esimerkiksi tarraimet ja työkalut valitaan valmiista moduuleista; usein vain kontaktipinta eli sormipalat tulee suunnitella uutta sovellusta varten. Aikaisempia sovelluksia kopioidaan uuteen tilanteeseen siinä määrin, että autovalmistajat eivät enää kysy tarjouspyyntöjä kuin muutamalta robottisovellustalolta. Teollisuusrobotteja on ryhdytty soveltamaan myös leikkaussaleissa. Vuoden 2001 lopussa lääkinnällisissä tehtävissä yleensä avustajina leikkauksissa on ollut lähes 2000 robottia (N.N., 2002). Niiden määrä noussee 6000:lla vuoden 2005 loppuun mennessä. Lonkkaleikkauksessa robotti kykenee työstämään luuhun liityntäkolot proteeseja varten selvästi ihmistä tarkemmin. Tällöin toipuminen leikkauksestakin on selvästi nopeampaa. Käsivarsia myös palvelutehtävissä Teollisuuden ulkopuolelle sijoitettuja teollisuusrobottien kaltaisia käsivarrella varustettuja robotteja kutsutaan palveluroboteiksi. Sovellusesimerkkejä ovat lypsy- ja tankkausrobottijärjestelmät.

4 Suomen Automaatioseura ry ROB 4/4 Autoja tankkaavia robottijärjestelmiä on jo muutamia käytössä linja-autoja varten. Henkilöautojen vastaavat markkinat olisivat suuret, mutta autoihin tarvittavat pienet turvallisuutta parantavat muutokset ovat estäneet yleistymistä. Ensimmäiset, nyt Suomessa yleistyvät lypsyrobottijärjestelmät toteutettiin Belgiassa 1980-luvulla. Konseptimallina oli australialaiset automaattiset lampaiden keritsemisjärjestelmät, joita toteutettiin neljä kappaletta. Sarjavalmistuksen esteeksi tuli korkea hinta. Lampaan iho vaurioitui vähemmän kuin ihmisen suorittaessa keritsemisen. Itsenäiset työkoneet ja liikkuvat robotit yleistymässä Tietokoneiden ohjaamia automaattisia itsestään liikkuvia ajoneuvoja kutsutaan itsenäisiksi ajoneuvoiksi. Vihivaunut ovat sellaisia, ja ne ovat olleet käytössä tehtaissa ja varastoissa jo 1970-luvulta lähtien. Nimensä ne ovat saaneet lattian alla kulkevasta kaapelista, jota ne seuraavat induktiivisten antureiden avulla. Nykyisin liikkuvia robotteja pyritään soveltamaan vähemmän ja vähemmän jäsentyneisiin ympäristöihin tehdasympäristön ulkopuolelle myös luontoon. Liikkuvien robottien sovellusalueita ovat esimerkiksi kuljetukset rakentaminen ja purkaminen palontorjunta- ja pelastustehtävät kaivokset ja satamat maa- ja metsätalous vedenalaiset tehtävät vartiointi ja opastus siivous satelliittien huoltotehtävät. Ensimmäisinä yleistyvät suuret sovellukset, joissa on vaikea saada korkeatasoisia kuljettajia vaurio- ja virhetoimintoherkkiä ajoneuvoja varten. Esimerkkeinä ja perusteina automatisoinnille voidaan mainita seuraavat tapaukset: Autioilla ja kuumilla alueilla sijaitsevissa isoissa satamissa konttilukkien kuljettajat ajavat ahtaiden konttirivien välissä. Ajaminen vaatii huolellista keskittymistä vapaan tilan ollessa noin puolen metrin levyinen. Toisen sivurungon edessä olevalle alueelle ei näe.

5 Suomen Automaatioseura ry ROB 5/5 Kaivosten tuotantoalueet voivat olla kahden kilometrin ajomatkan päässä maanpinnalta. Tunneleissa on vapaata tilaa vain noin muutamia kymmeniä senttimetrejä, jotta "sivukiveä" ei tarvitse kuljettaa maanpinnalle. Maataloustyö pelloilla on usein niin pölyistä, että ilmastoitu ja painava ohjaamo on kuljettajalle välttämätön. Vaikka satelliittia huoltava robotti ei tarvitse paineistettua ilmapitoista lämmintä tilaa, eikä tuota jätteitä, niin monista eduista huolimatta itsenäisiä tai Maasta teleoperoitua robotteja ei ole käytetty satelliittien huoltoon. Pitkälle päässeitä kehityshankkeita on kyllä ollut. Tässäkin voidaan odottaa muutosta lähivuosina; sen verran ovat menestyneet muutamat Kuuhun ja Marsiin lähetetyt itsenäiset robottijärjestelmät. Ehdottoman turvallisuuden vaatimus on hidastanut itsenäisten liikkuvien robottien ja työkoneiden sovellusten yleistymistä. Ympäristön tilan hahmottaminen on yleinen vaikeus ja myös kallista. Siksi isoja itsenäisiä työkoneita ei päästetä alueille, joilla voi olla yleisöä, odottamattomia autoja tai esimerkiksi hirviä. Yleensä turvallisuuden varmistavat portit takaavat, että työkoneiden itsenäiset liikkeet keskeytyvät jonkin portin auetessa odottamatta. Turvallisuuden kannalta kriittiset toiminnot tehdään usein teleoperoinnin avulla, jolloin teleoperaattori on vastuussa turvallisuudesta. Itse ajoneuvoissa on yleensä myös aistinjärjestelmiä, jotka varmistavat liikkeen suunnan olevan vapaana. Amsterdamin ja Antwerpenin lentokentillä on kokeiltu vuodesta 1997 lähtien lentoterminaalien ja parkkipaikkojen välisiä kuljetuksia itsenäisillä vaunuilla, joita ihminen käyttää hissien tapaan. Amsterdamin järjestelmä on edelleen käytössä. Itsenäisten liikkuvien robottiajoneuvojen ohjaus Liikkuva robotti tarvitsee monipuolista aistinjärjestelmää ympäristön ja oman tilansa havainnointiin. Tavallisimpia liikkuvien robottien paikannuksessa käytettyjä robotin aistinjärjestelmiä ovat merkintälasku (kutsutaan myös odometriaksi tai murtoviivasuunnistukseksi) eli pyörien nopeuden mittaus ja ajoneuvon suunnan arviointi ohjaavien pyörien tukirakenteiden nivelten asentoa mittaamalla ympäristöä havaitsevat etäisyysanturit usein nopeasti ympäristöä pyyhkivä laseranturi tai useita ultraääniantureita rungon nopeudet kuudessa vapausasteessa (liike- ja kulmanopeudet) eli inertiaanturijärjestelmät näköjärjestelmät. Navigointijärjestelmän tehtävänä on määrittää liikkuvan robotin paikka ja asento joko absoluuttisessa maailmakoordinaatistossa tai suhteellisessa tehtäväkoordinaatistossa.

6 Suomen Automaatioseura ry ROB 6/6 Navigoinnissa käytetään yllä mainittuja aistinjärjestelmiä useita samanaikaisesti yhdistäen. Lisäksi käytetään keinotekoisia ja luonnollisia maamerkkejä paikkaestimaatin tarkistamiseksi eli täsmäyttämiseksi. Ulkosovelluksissa GPS (Global Positioning System) on usein erittäin käyttökelpoinen, vaikka mittaukset eivät ole aina jatkuvia. Muista paikannusmenetelmistä voidaan mainita esimerkiksi seuraavat: Laserpaikannusjärjestelmästä on kyse silloin, kun vaakatason paikannusjärjestelmässä ajoneuvolla on pyörivä laser, joka havaitsee heijastimista takaisin tulleita pulsseja. Kun saadaan suuntakulma neljään heijastimeen, ajoneuvon (laserin) paikka voidaan laskea. Servoteodoliitti seuraa ajoneuvolla olevaa prismaa myös korkeustieto saadaan mitattua. Keinotekoisella täsmäyttimellä eli maamerkillä parannetaan paljon paikkavirhettä aiheuttava suuntaestimaatti. Useiden menetelmien tuloksia fuusioidaan eli yhdistetään. Esimerkiksi liukkaalla alustalla ei voida luottaa pyörien pyörimiseen ja asentoon, vaan inertia-anturit antavat parempia tuloksia. Robottia valvovan ohjausjärjestelmän tehtävänä on toteuttaa reitin suunnittelu tehtävänkuvauksen ja ympäristöhavaintojen perusteella. Lisäksi sen tulee hallita useita poikkeustilanteita, kuten odottamattomien esteiden kiertäminen. Liikkuva robotti tarvitsee myös käyttäjäliitynnän, koska toimintaa valvova ihminen voi haluta muuttaa robotin tehtävää kesken suorituksen. Ihminen voi olla myös kiinnostunut laitteen järjestelmien toimintakunnosta tai haluta teleoperoida robottia tai jotakin robotin osajärjestelmää. Joillakin liikkuvilla roboteilla (itsenäisillä työkoneilla) voi olla myös mukana varsinaisia prosessityökaluja, kuten pora, kauha tai hydraulipuomisto työkaluineen. Varsinaisen prosessilaitteen ohjaus on toteutettu usein erillisellä ohjausjärjestelmällä. Kotirobotit imuroivat kohta kodeissa Kotirobotteja imuroinnissa, ruohon leikkauksessa ja muissa tehtävissä oli IFR:n mukaan (N.N., 2002) vuoden 2001 lopussa noin Vuosina ennustetaan kasvun olevan merkittävät kappaletta. Viihde- ja harrastusroboteissa esimerkiksi Sonyn Aibo-koira tai Legon robotit kasvu tulee olemaan vastaavanlaista: vuoden 2001 lopussa oli robottia ja seuraavien neljän vuoden aikana on odotettavissa uutta yksilöä. Rodney A. Brooks on perustanut 1990-luvun alussa irobot-yhtiön ( joka toimittaa merkittäviä määriä 199 USD:n hintaista (USAssa) pölynimurirobottia nimeltä Roomba. Se iskenee hyvin markkinoilla, joilla vakavin kilpailija on

7 Suomen Automaatioseura ry ROB 7/7 Electroluxin yli 1000 euron Trilobite-pölynimuri. irobot on saanut kehitysvaiheen rahoittajaksi pääomasijoitusyhtiöitä. Husqvarnan itsenäinen nurmikon leikkuukone Auto Mower pitää kaapelilla rajatulla alueella ruohon lyhyenä ja huolehtii itse latauksestaan. Leikkuuteho on pieni turvallisuuden ja äänettömyyden vuoksi, mutta korvautuu jatkuvalla toiminnalla. Ruoho hienonnetaan niin pieneksi, että se maatuu esitteiden mukaan nopeasti. Hinta on vielä melko korkea, noin Vaikka aihe on teknisesti ja taloudellisesti hankala, niin älykkäälle ja käyttäjäänsä avustavalle rullatuolille voi olettaa kasvavia markkinoita. Teknisesti asia on ratkaistu monessa demonstraatiosovelluksessa, mutta hoidosta vastuussa olevat organisaatiot eivät ole vielä tyytyväisiä tuotteiden hintatasoon. Vammaisille ja vanhuksille on myös kokeiltu heitä syöttäviä tai muuten avustavia robottijärjestelmiä. Esimerkkinä voisi olla PC-työasema, jossa CD-levykkeitä ja printteriä hoitaisi robotti. Jopa älykäs rollaattori, joka tukisi ja ohjaisi käyttäjäänsä liikkumaan kotona kaatumatta, voisi olla menestys markkinoilla. Talous ratkaisee robottisovellusten yleistymisen Tällä hetkellä robottiautomaatiota voitaisiin kehittää hyvin monenlaisiin sovelluksiin. Sovelluksen hinta riippuu paljon niiden kopioiden määrästä, eikä niinkään siitä, miten paljon toimilaitteita, tukivarsia ja tietokoneita käytetään. Robottiautomaation kehittämisen vaikeus on päästä suuriin tuotantomääriin, jotka ovat edellytyksenä, jotta sovelluksia ja laitteita voitaisiin myydä markkinoita tyydyttävään hintaan. Suuren hinnan vuoksi voi olettaa, että ihmisen kaltaisia kotirobotteja ( androideja ) ei lähivuosina kodeissa paljoa nähdä. Muutamia teollisuusrobottimalleja tehdään useita tuhansia vuodessa. Niitä käytettäessä huomaa selvästi, että mitään muuta mahdollisuutta toteuttaa sovelluksessa tarvittavia monipuolisia ja tarkkoja liikkeitä ei ole. Maantiellä ja kaupungissa muun liikenteen joukossa itsenäisesti ajavaa autoa on kokeiltu monessa kehityshankkeessa aina ihmiskuljettajan kanssa, joka on ollut valmiina tarvittaessa hoitamaan ohjauksen. Vastuuta ajamisesta ei ole haluttu antaa automaatiolle, vaikka itsenäiset autot voisivat joutua kolareihin ihmistä selvästi harvemmin. Tärkeimmät automaattisen ajamisen edut parantuneen turvallisuuden lisäksi olisivat seuraavat: Mahdollisuus ajaa jonoissa jopa alle 2 m:n päässä edellisestä autosta. Tällöin polttoainekustannukset pienenisivät ilmanvastuksen pienenemisen kautta. Kaikki matkustajat voisivat tehdä muuta. Erityisesti tietoverkkoyhteydet olisivat käytettävissä. Ruuhkautuminen voitaisiin minimoida automaattisen reitityksen avulla. Perille löydettäisiin aina.

8 Suomen Automaatioseura ry ROB 8/8 Nopeusrajoituksia noudatettaisiin. Vedenalaisiin tehtäviin on kehitetty paljon teleoperoituja käsivarsilla varustettuja järjestelmiä. Öljyputkien tarkkailua, videokuvausta ja jopa valokaapelin vetämistä varten on toteutettu myös itsenäisiä sukellusveneitä. Syvällä merien pohjassa on metalleja saostuneena noduleihin. Innostus oli suuri, kun ne keksittiin parikymmentä vuotta sitten. Nodulien keräämiseen tarvitaan suuri joukko pohjassa ryömiviä kerääjiä luvun alussa on julkaistu pillerikameroita, jotka kuvaavat ihmisen suolistoa sen läpi matkatessaan. On myös suunniteltu robotteja, jotka tekisivät terveydenhoitotehtäviä suolen tai jopa verisuoniston läpi kulkiessaan. Yllä olevista esimerkeistä käy ilmi, että robotit voivat antaa vielä paljon ihmiskunnalle ja niissä on vielä paljon kehittämistä. Kirjallisuutta: Aalto, H. et al Robotiikka. Toim. Kuivanen, R. Vantaa: Talentum. S (ISBN ) N.N World Robotics 2002 Statistics, market analysis, forecasts, case studies, and profitability of robot investment. Geneva. United Nations & Int. Federation of Robotics (IFR). P (ISBN , ISSN ).