ROBOTIIKKA (2016) 1. JOHDANTO JA HISTORIAA

Transkriptio

1 ROBOTIIKKA 1. JOHDANTO JA HISTORIAA ROBOTTITYYPIT JA RAKENTEET Yleistä Teollisuusrobotiikka Suorakulmaiset robotit Scara - robotit Kiertyväniveliset robotit Sylinterirobotti Rinnakkaisrakenteiset robotit Yhteistoiminta robotit (COLLABORATIVE ROBOTS) Palvelurobotiiikka Kenttärobotiiikka Hoitorobotiikka Muu robotiikka Metsätalous Maatalous Maarakennus ja rakentaminen Logistiikka Valvonta,turvallisuus, sotilasteknologia Liikenne Kinematiikkaa ja robotin geometriset riippuvuudet Johdanto Robotiikan matematiikkaa Robotiikan suora- ja käänteinen kinematiikka Robottien koordinaatistojärjestelmät ja kehykset... Virhe. Kirjanmerkkiä ei ole määritetty. 2.8 Robotin ohjausjärjestelmät ROBOTTIEN OHJELMOINTI Yleistä Johdattamalla ohjelmointi Opettamalla ohjelmointi Etäohjelmointi (off-line) ROBOTTITARRAIMET, TYÖKALUT JA AISTINJÄRJESTELMÄT Tarraimet ja työkalut Aistinjärjestelmät ROBOTISOINNIN PERUSTEET JA ROBOTTISOVELLUTUKSET Yleistä Yleisimmät robotisointikohteet Robotisointiprojektin suunnittelu ja toteutus TURVALLISUUS Yleistä Robotisoinnin luomat uudet työtehtävät Robottijärjestelmän suunnittelussa huomioitavia asioita Robotin aiheuttamat tyypillisimmät vaaratilanteet Robotin pysäytystoiminnot Kehittyneet turvalaitteet ihmisen ja robotin välisessä vuorovaikutuksessa

2 ROBOTIIKKA (216) 1. JOHDANTO JA HISTORIAA Roboteista muodostunut mielikuva on usein peräisin tieteiselokuvista, niin nuorilla kuin ehkä vanhemmillakin. Robotiikkaan liittyvien tekniikoiden kehittyminen on ollut nopeaa, ja robotit ovat tulleet ihmisille paljon arkipäiväisimmiksi mm. palvelurobotiikan ansiosta. Valtaosa roboteista on toki vielä teollisuuden tarpeisiin tehtyjä. Teollisuuteen sijoitetut robotit ovat tärkeä osa sen toimintaa, ja ilman niitä monen yrityksen kilpailukyky ei olisi riittävä kovassa kansainvälisessä kilpailussa. Tärkein lenkki robottien käytössä on kuitenkin ihminen. Ihminen suunnittelee järjestelmät, kokoaa ne, ohjelmoi laitteet ja pitää ne kunnossa. Robotiikkaan liittyy paljon asioita, jotka tulevat esille eri tekniikan alojen kursseilla. Robotiikassa yhdistyy useiden eri alojen tietämys ja osaaminen. Kappaleenkäsittelyn automaatiosovellutuksissa käytettiin aikaisemmin mekaanisia, hydraulisia ja pneumaattisia toimilaitteita, jotka rakennettiin sovellutuskohtaisiksi. Koneiden asetukset kestivät useita päiviä, mikäli asetuksia voitiin lainkaan muuttaa ilman laitteiden täydellistä uusimista. Koneiden panostus, kappaleiden siirrot työnvaiheiden välillä koneessa ja valmiiden tuotteiden purku koneesta olivat tyypillisiä automatisointikohteita. Nämä automatisointiratkaisut soveltuivat suurien sarjojen ja pitkäikäisten tuotteiden valmistukseen. Tuotanto oli tavallisimmin varastotuotantoa, jolloin valmistettiin pitkälle vakioituja tuotteita. Vaatimukset tuotannon joustavuudesta, asiakasmyötäisyydestä ja pienien sarjojen yleistyminen edellyttivät, että tuotantoautomaatiossa otettiin käyttöön ohjelmallisesti muunneltavat toimi- ja kappaleenkäsittelylaitteet. Servo-ohjatut ohjelmoitavat robotit ovat ideaalinen ratkaisu piensarjatuotannon kappaleenkäsittelyn ongelmiin ja 199 luvuilla robottisovellutukset vastasivat joustavuudeltaan aikaisempia manipulaattori- ja toimilaiteautomatisointeja. Robottien hankala ja työläs ohjelmointi esti robottien joustavuuden hyödyntämisen piensarjatuotannossa. Nykyisten robottien käyttövarmuus ja luotettavuus on hyvä. Robottien ohjelmointi on kehittynyt myös ripeästi. Korkean tason ohjelmointikielet helpottavat ja nopeuttavat robottien ohjelmien tekoa. Robotteihin liitetyt anturit mahdollistavat älykkäiden ympäristön muutoksiin automaattisesti sopeutuvien ja reagoivien robottien käytön entistä vaativammissa sovellutuksissa. Yksittäisten automaatiosaarekkeiden lisäksi robotteja käytetään laajempien joustavien automaattisten tuotantojärjestelmien osana. Kansainvälisen robottiyhdistyksen määritelmän mukaan robotti 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 olennaista, mutta nykyaikaisissa aistinohjatuissa robottisovelluksissa pelkkä uudelleen ohjelmoitavuus ei riitä, vaan robotit on saatava muodostamaan tuotteiden suunnittelutiedoista ja ympäristömallista liikeratansa, jota päivitetään prosessia tarkkailevien antureiden avulla. Yksinkertaistettuna teollisuusrobotti on mekaaninen kone, joka siirtää työkalun kiinnityslaippaa halutulla tavalla. Liikerata voi olla kokonaan etukäteen määritetty, 2

3 toimintaympäristön tapahtumien perusteella valittava tai antureiden perusteella liikkeiden aikana luotu. Robotin jalustan ja työkalun välissä on tukivarsia, joita nivelet liittävät toisiinsa. Niveliä liikuttavat takaisinkytketysti ohjattavat servotoimilaitteet. Suomessa robottitilastot ovat Suomen robotiikkayhdistyksen julkaisemia. ( Historiaa: Robottisana on peräisin tšekkiläisestä näytelmästä RUR vuodelta Ensimmäinen teollisuusrobotti syntyi vuonna 1959 ja 6-luvulla GM otti ensimmäisen teollisuusrobotin käyttöön autotehtaallaan tekemään sisustan erilaisia osia autoihin ja myöhemmin se laajensi robottien käyttöä autojen pistehitsaukseen. Eräs ensimmäisistä teollisuusroboteista oli myös Kanadan Ontariossa karkkitehtaassa 196-luvun alussa. Vuonna 1969 kehitettiin tietokoneohjattu robottikäsi "Stanford Arm" jossa oli kuusi akselia. Ensimmäinen "ihmismäinen" robotti WABOTI syntyi Sen kehitti Ichiro Kato ja robotilla oli näkö, sen raajoja pystyi liikuttamaan ja sillä pystyi kommunikoimaan Hiroshi Makino kehitti SCARA-robotin, josta tuli laajasti käytetty teollisuusrobotti. ASEA kehitti ensimmäisen täysin sähköisen mikroprosessoriohjatun robotin 7-luvun alkupuolella General Robotics kehitti ohjelmoitavan robotin, jossa oli infrapuna-anturit, kamera- ja ääniyhteys, törmäysanturit ja äänisyntetisaattori. Se pystyi toimimaan itsenäisesti ja oppimaan ympäristönsä otettiin käyttöön ensimmäiset "palvelurobotit" Connecticutilaisessa sairaalassa Honda kehitti P2 robotin joka oli ensimmäinen askel kohti sen tunnettua ASIMO-robottia. Vuonna 1999 Sony julkaisi Aibon, kuluttajamarkkinoille suunnatun robotin. Aibo muistutti koiraa ja oli siis "viihderobotti". 22 Honda julkaisi ASIMOn, jonka oli tarkoitus toimia henkilökohtaisena avustajana. Se pystyi tunnistamaan omistajansa ja kommunikoimaan eleillä tai äänellä. ASIMOn kehitystä jatkettiin ja sen uusin versio (211) pystyy juoksemaan jopa 9km/h ja hyppäämään ilmaan. Tällä hetkellä robottien edistystä johtaa ATLAS, joka on amerikkalaisen Boston Dynamicsin kehittämä humanoidirobotti. Sen ensimmäinen versio valmistui 213 ja se pystyy kävelemään epätasaisessa maastossa, kiipeämään esteiden yli ja seisomaan yhdellä jalalla. ATLAS:n kehitystä on jatkettu ja suurimpana erona se ei enää tarvinnut olla kytkettynä kaapeleilla. Päivitysten myötä se on oppinut mm. ajamaan autoa, käyttämään työkoneita (esim. poraa) ja reagoimaan ympäristön muutoksiin (esim. seuraamaan laatikkoa, kun sitä liikutetaan). Suomessa robotisointi käynnistyi 7-luvulla, jolloin pääpaino oli maalausrobotiikassa. Hitsaus- ja kappaleenkäsittelysovellukset yleistyivät 198-luvulla, jolloin robottien kokonaismäärä oli noin 5 kpl, joista puolet oli hitsaustehtävissä. 199 luvun alussa Suomessa oli robotteja noin 1 kpl, 1996 robotteja oli jo 165 kpl. Vuosituhanteen vaihteessa robottien määrä ylitti 3 kpl:n rajan, vuonna 27 niitä oli jo 5821 kpl. Nykyään Suomessa on käytössä teollisuusrobotteja noin 45 5 kpl, riippuen miten lasketaan, koska uusimmissa tilastoissa robotin käyttöikänä pidetään 12 vuotta, vaikka se on huomattavasti pidempi. 3

4 Kuva 1.1 Arvio Suomessa käytössä olevien robottien vuosimuutoksesta (Lähde: IFR World Robotics 214) Robotiikalla on todellista potentiaalia luoda työpaikkoja, parantaa tuottavuutta ja turvallisuutta sekä parantaa vanhenevan väestön elämänlaatua. Robotiikka on jo nyt tärkeää monella suomalaisella teollisuudenalalla. Maamme työkoneteollisuus on kansainvälistä kärkeä automaatioteknologioitten hyödyntämisessä. Robotiikan on sanottu vievän työpaikkoja, mikä aivan lyhyellä tähtäimellä voi pitää paikkansakin. Robotiikka ei kuitenkaan pelkästään korvaa ihmistä, vaan ennen muuta tekee kilpailukykyisen ja laadukkaan tuotannon tai toiminnan mahdolliseksi. Kaikkeen kehitykseen ja kasvuun liittyy luovan tuhon elementtejä, ja omaksumalla Suomessa robotiikkaa ja muita uusia teknologioita pysymme varmimmin kansakuntana kestävän kehityksen ja kilpailukyvyn uralla. Robotiikka antaa pidemmällä aikavälillä mahdollisuuksia vastata väestön ikääntymisen aiheuttamiin paineisiin tukemalla ikääntyvää väestöä ja terveydenhuoltoa. Suomalaisten asenne teknologioita kohtaan on positiivisempi kuin monissa maissa. Robotiikka on monitekninen alue, jossa suomalainen korkealaatuinen osaaminen mm. ICT:ssä, automaatiossa, elektroniikassa sekä konetekniikassa tarjoaa todellisia mahdollisuuksia sekä olemassa olevalle teollisuudelle että uusille innovaatioille. EU:n Robotics Strategic Research Agenda SRA jakaa robotiikan markkinat seuraavasti: kuluttajat (robotiikan kuluttajamarkkinat, kuluttajille suunnatut robotit), julkinen sektori (sis. mm. julkisen infrastruktuurin ylläpito, ympäristöasiat, pelastustoimi, lainvalvonta), yksityinen sektori (palveluiden ja tuotteiden tuotanto yksityisellä sektorilla), liikenne ja logistiikka (ihmisten ja tavaroiden liikuttaminen, varastot), puolustus tai sotilassovellukset, valmistus, maatalous ja terveydenhuolto. 4

5 5

6 Teollisuusrobotiikka on ollut koko 2-luvun keskimäärin 6 % nosteessa lukuun ottamatta vuotta 29. Maailmanlaajuisesti teollisuusrobotiikan liiketoiminnan arvo on 26 miljardia EUR. Maailmalla oli v. 213 tilastojen mukaan käytössä n. 1,4 miljoonaa teollisuusrobottia, joista suurin osa Aasiassa. Kasvu Kaukoidässä näyttäytyy tilastoissa vahvana erityisesti Kiinan osalta. Maailman vuosittaisista 179. robotin investoinneista menee Kiinaan 4. robottia. Sovellusaloista autoteollisuus on perinteisesti suurin robotiikan soveltaja 39 %:n osuudella, elektroniikkateollisuus seuraavana 2 %:n osuudella. Suomen perinteisesti hyvä sijoittuminen kansainvälisissä robottitilastoissa on selvässä laskussa, kun mittarina on robottitiheys laitteita/1. teollisuustyöntekijää. Euroopan osalta valmistavan teollisuuden karkaaminen Aasiaan näkyy myös tilastoissa. Kuva 1.2 Arvio käytössä olevien robottien vuosimuutoksesta (Lähde: IFR World Robotics 214) Kuva 1.3 Teollisuusrobottien lukumäärä valmistavan teollisuuden 1 työntekijää kohden (Lähde: IFR World Robotics 214) 6

7 Kuva 1.4 Suomessa käytössä olevien teollisuusrobottien lukumäärä tuotantotyypeitäin (Lähde: IFR World Robotics 214) Teollisuusrobotteja on tähän mennessä valmistanut ainakin viisisataa yritystä. Kunkin valikoimaan on koko ajan kuulunut useita robottimalleja. Yhden mallin elinkaari on kestänyt keskimäärin neljä vuotta. Lisäksi rakenteita on jouduttu erilaistamaan patenttien ja eri sovellusten vuoksi. Joten erilaisia teollisuusrobotteja on suunniteltu useita tuhansia. Markkinoiden keskittyessä on vaihtoehtojen kirjo hieman supistunut, mutta jatkuvasti ilmaantuu uusiakin robottien valmistajia. Standardi ISO 8373 määrittelee teollisuusrobottien sanastoa ja myös yleisemmät robottimallit mekaanisen rakenteen mukaan. Merkittäviä robottivalmistajia: ABB ( Motoman ( Fanuc ( KUKA ( Kawasaki ( Yleisimmät rakenteet: Suorakulmainen robotti Sylinterirobotti Napakoordinaatisto robotti Scara-robotti Kiertyvänivelinen robotti Rinnakkaisrakenteinen robotti 7

8 2. ROBOTTITYYPIT JA RAKENTEET 2.1 Yleistä Varsinaisten teollisuusrobottien lisäksi on olemassa erilaisia erikoisrobotteja. Tietokoneiden ohjaamia ajoneuvoja ja työkoneita kutsutaan liikkuviksi roboteiksi (mobiilirobotit). Vihivaunut (Automatically guided vehicle, AGV) ovat olleet käytössä teollisuudessa ja varastoissa jo 197-luvulta lähtien. Liikkuvien robottien sovellusalueita ovat: kuljetukset, rakentaminen, palontorjunta- ja pelastustehtävät, kaivokset, maa- ja metsätalous, vartiointi, siivous, satelliittien kokoonpano- ja huoltotehtävät ja sodan käynti. Nykyään näiden navigoinnin apuna käytetään myös GPS- järjestelmää (Global Positioning System). Perinteisesti robotiikka on sovellettu tuotantolinjoilla, mutta yhä enemmän robotiikka on myös valtaamassa palvelutehtäviä, jolloin puhutaan palvelurobotiikasta. Esimerkkeinä tällaisista ovat robottipölynimurit, lentokoneiden pesurobotit, vanhusten hoitoon tarkoitetut robotit, lypsykonerobotit jne.. Omana erittäin vaativana robotiikan alana ovat ns. ihmisrobotiikka eli humanoid robotics. Kuva vapausasteen humanoidirobotti Kuva 2.2 Motoman:n kahdella käsivarrella varustettu robotti baarimestarina 8

9 Palvelurobotiikka Laajasti ymmärrettynä on robotiikkaa, jonka sovellusalue kattaa muut työt kuin perinteiset tehdastyöt ja palveluroboteilla on myös hyvä liikkuvuus. Tärkeimmät sovellukset alueet: Työkoneteknologia rakentamisessa ja luonnonvarojen hyödyntämisessä. Avaruudentutkiminen(kuu, planeetat, asteroidit,). Palvelutoiminnot (yksitoikkoiset, raskaat tai terveydelle vaaralliset työt, kotiapu, vammaisteknologia) Sotilasteknologia Katastrofien jälkihoito, ydinteknologian purkaminen Viihde Erot tehdasrobotiikkaan: Tehtaissa usein työt liikkuvat ja robotit pysyvät paikoillaan. Palvelurobottien tapauksessa töitä ei voida useinkaan liikuttaa, vaan robotin on liikuttava työn luokse. Tehtaissa robotin työympäristö on usein järjestäytynyt ja voidaan olettaa tunnetuksi, mikä helpottaa ohjausta. Tehtaiden ulkopuolella palvelurobottien työympäristö on usein järjestäytymätön, usein etukäteen vähän tunnettu, mikä vaatii kehittyneitä ohjaus- ja aistinjärjestelmiä. Ihmisten läsnäoloa ei voida valvoa robottien toiminta-alueilla! Palvelurobotin osajärjestelmät: Energiajärjestelmä Liikuntajärjestelmä Liikkeenohjausjärjestelmä(pilotti) Navigointijärjestelmä Aistinjärjestelmä Toiminnansuunnittelu ja ohjausjärjestelmä Työjärjestelmä Ihminen-robottiliittymä Suurimmat haasteet tutkimuksessa ja teknologian kehittämisessä: Liikuntajärjestelmät ovat edelleen pullonkaula monissa sovellutuksissa kaukana siitä, mitä luonto on kehittänyt, erityisesti kävely on vielä tehotonta. Energiajärjestelmä saattaa rajoittaa autonomisuutta huomattavasti (sähkönvarastointi) Ympäristön aistinta kyky vielä riittämätön moniin sovellutuksiin Ihminen-koneliitäntäpinta tulisi kehittää tasolle, jossa robotti ja ihminen kommunikoivat ihmisen ehdoilla Taitoa vaativien työtehtävien opettaminen ja suorittaminen robotilla vastaa vielä eloa kivikaudella ihmiskunnan kehityksessä Kaupalliset palvelurobotit tekevät tuloaan Imurit Seuralaiset, jne. 9

10 Joka kodin imurointirobotti lienee lähimpänä kaupallista läpimurtoa. Useat yritykset ovat julkistaneet oman versionsa, joilla on mm. seuraavia ominaisuuksia: Välttää esteitä, kuumia paikkoja ja portaita aistijärjestelmän avulla Säätää ajo nopeutensa pölymäärän mukaan Toiminta-aika noin 6 min. Kuva 2.3 Japanilaisen Matshushitan (Panasonic) imurirobotti. Kuva 2.4 Hondan Asimo-robotti, joka painaa 13 kg, kiihtyvyys 1m/s, hyötykuorma 5 kg ja toiminta-aika 15 min. Keskellä lemmikkirobotti ja oikealla Mitsubishi Wakamaru yleiskäyttöinen kotirobotti, puhuu perheensä kanssa, tarjoaa tietoa (internetistä), valvoo kotia kun muut ovat poissa, hinta 14$ 1

11 Teollisuusrobottityypit: Robotin määritteleminen yksikäsitteisesti on vaikeaa. Teollisuusrobotti voidaan määritellä toimilaitteiden, ohjelmointitavan, nivelrakenteen- ja käyttötarkoituksen perusteella monella tavalla. Tässä yhteydessä: "Teollisuusrobotti on ohjelmoitava monitoimilaite, joka on suunniteltu sekä käsittelemään että kuljettamaan osia tai työkaluja ja tarkoitettu muunneltavine, ohjelmoitavine ratoineen erilaisiin tuotantotehtäviin". Pelkkää yksinkertaista toimilaitekäsivartta, joka panostaa ja purkaa konetta ei voida kutsua robotiksi, ellei sitä voida ohjelmoida uudelleen toiseen tehtävään. Japanilaisen määritelmän mukaan teollisuusrobotteja ovat: manuaalinen manipulaattori kiinteän sekvenssin robotti muunneltavan sekvenssin robotti johdattamalla ohjelmoitava robotti numeerisesti ohjattu robotti älykäs, havainnoiva robotti Suomessa roboteiksi luokitellaan neljä viimeistä tyyppiä. Määritelmän kirjavuus aiheuttaa vaikeuksia, kun tulkitaan kansainvälisiä, maittain tehtyjä robottitilastoja. Japanilaisten väljä robotin määrittely selittää osan Japanin ylivoimaisista robotisointimääristä. Robottien rakenteessa on usein yritetty matkia ihmisen nivelien toimintaa ja robotin rakenteessa on ihmisen käsivartta, rannetta ja kouraa vastaavat nivelliikkeet. Robotin käyttäjää ei välttämättä kiinnosta analogia ihmisen liikkeisiin eikä robotin liikkeiden taustalla oleva koordinaatistojen matemaattinen hallinta eivätkä liikenopeuksien laskemiseksi käytetyt algoritmit. Käyttäjä on kiinnostunut ainoastaan siitä suoriutuuko robotti sille suunnitellusta käsittely- ja siirtotehtävästä. Robottien käyttösovelluksissa robotin tarkkuus on olennainen tekijä. Lähes kaikkien robottien tarkkuus on rakenteesta riippumatta +- 1 mm, mutta nykyisin yleensä paljon parempi. Kokoonpanorobotilta vaaditaan parempaa tarkkuutta, jolloin robotin on pystyttävä mm:n asemointitarkkuuteen. Robottien kappaleenkäsittelykyky vaihtelee laajoissa rajoissa: pienet robotit on suunniteltu kg kappaleiden käsittelyyn, suurimmat teollisuusrobotit nostavat jopa satojen kilojen taakkoja. Käsivarsien liikeratojen lisäksi myös robotin ranne voi kiertyä tavallisesti kolmen akselin ympäri. Kiertyvän ranteen ohella robotin tarttujaan voidaan liittää ylimääräisiä liikeakseleita, joilla siirrettävien kappaleiden asemointia on mahdollista säätää ja tarkentaa. Ranteen nivelliikkeiden käytölle asettavat rajoja tarttujan Robotit seisovat tavallisesti omalla kiertyvällä jalustallaan. Robotin käyttö on monipuolisempaa, kun robotti asennetaan lineaariradalle, jolloin yhdellä robotilla voidaan palvella useita etäällä toisistaan olevia työasemia. Robotti on mahdollista ripustaa myös ylösalaisin roikkumaan portaaliin. Työpisteen yläpuolelle kiinnitetty robotti tarjoaa katveettoman ja laajan työskentelyalueen. 11

12 2.2 Teollisuusrobotiikka Suorakulmaiset robotit Suorakulmaisten robottien kolme ensimmäistä vapausastetta ovat lineaarisia. Tyypillisintä edustajaa kutsutaan yleensä portaalirobotiksi. Sen rakenne on tuettu työalueen nurkista palkeilla. Kuva 2.5 Yleiskuva portaalirobotista (vasemmalla, ABB:n,robottiesitteet) sekä pienikokoinen portaalirobotti (oikealla) Kuva 2.6 Kyseisen robotin kinemaattinen kaavio ja työalue Suorakulmaisia robotteja on kooltaan isoja ja pieniä. Isoja portaalirobotteja voidaan käyttää logistiikka- ja varastosovelluksissa ja pieniä kevyessä työstössä, työstökoneiden panostuksessa ja esimerkiksi 3D-tulostin laitteet ovat rakenteeltaan usein vastaavia. 12

13 2.2.2 Scara robotit Kuva 2.7 Scara robotti Scara - robotissa (Selective Compliance Assembly Robot Arm) on tiettyyn suuntaan joustava kokoonpanorobottikäsivarsi ja kolmella kiertyvällä nivelellä työkalu saadaan tietyllä tasolla oikeaan kohtaan ja kiertymäkulmaan. Neljäs lineaarinen pystyliike on työtason normaalin suuntainen. Scara-robotti muistuttaa ihmisen vaakatasossa liikkuvaa käsivartta, mutta ranteeseen on asennettu pystyjohde. Kuva 2.8 Kyseisen robotin kinemaattinen kaavio ja työalue Scara -robottia voidaan käyttää kappaleiden poiminnassa kuljettimelta, pienten kappaleiden kokoonpanorobottina etenkin elektroniikkateollisuudessa. 13

14 2.2.3 Kiertyväniveliset robotit Kiertyvänivelisessä robotissa kaikki vapausasteet ovat kiertyviä. Nämä ovat tavallisimpia teollisuusrobotteja. Vapausasteita on yleensä kuusi tai neljä, mutta myös malleja, joissa on seitsemän vapausastetta Kuva 2.9 ABB:n IRB 64R kiertyvänivelinen teollisuusrobotti 1 kg: kantokyvyllä ja 4-vapausasteen paletointi- ja pakkausrobotti (ABB, robottiesite). Kuva akselinen NACHI robotti 5 kg:n kantokyvyllä ja liikkeen toistotarkkuus +-.7 mm ja Motoman:n uusi käsivarsirakenne Nykyiset teollisuusrobotit perustuvat lähes poikkeuksetta tähän mekaniikkaan, jossa tukivarret on kytketty peräkkäin. Tästä johtuu, että robottien kuormankantokyky on melko pieni, mutta työalue (ulottuvuus) suurehko. Mutta on myös olemassa robottikäsivarsia, joissa on yli kuusi vapausastetta paremman kurottelukyvyn saavuttamiseksi. Tällöin robotin on esimerkiksi mahdollista kurottua ikkuna-aukosta auton sisälle, liikuttaa työkalua halutulla tavalla ja samalla väistellä ikkunoiden reunoja. Nivelvarsirobottia käytetään mitä erilaisimmissa tehtävissä. 14

15 Kuva 2.11 Kyseisen robotin kinemaattinen kaavio ja työalue Sylinterirobotti Sylinterirobotin nimitys on luonnollisesti peräisin sylinterikoordinaatistosta. Sylinterirobotit ovat nykyisin harvinaisia, joten voidaan sanoa, että ne ovat jo historiaa. Kuva 2.12 Perinteinen sylinterirobottirakenne. Kuva 2.13 Kyseisen robotin kinemaattinen kaavio ja työalue 15

16 2.2.5 Rinnakkaisrakenteiset robotit Suuria voimia robotit saadaan kestämään kytkemällä joitain robotin vapausasteita (tai pikemminkin toimilaitteita) rinnakkain. Tällöin rakennekin tukevoituu, kuten Neos robotilla (ABB). Työalue tosin rajoittuu pieneksi. Nämä robotit soveltuvat erinomaisesti työstötehtäviin, joissa työstövoimat kasvavat suuriksi. Kuva 2.14 Rinnakkaisrakenteinen robotti työstötehtäviin Erästä perusratkaisua, jossa kahden levyn välistä asemaa muutetaan kolmella kumpaankin levyyn kytketyllä lineaarisella toimilaitteella, kutsutaan nimellä `Stewartin alusta'. Erittäin nopeita robotteja valmistetaan kytkemällä rinnakkain ultrakevyitä rakenteita, kunhan vain työkohteen ympärillä riittää vapaata työaluetta. Usein näihin on vielä lisätty tarttujan pyöritysliike 36 asteella. Tämän kaltaisia robotteja valmistaa useat eri valmistajat, koska näillä on kysyntää markkinoilla johtuen erilaisten tuotteiden poimintasovellusten lisääntymisellä. Kuva 2.15 ABB:n IRB 34 robotti soveltuu hyvin elintarviketeollisuuden pakkauslinjalle. Suljetun kinemaattisen rakenteen idea on jakaa tukivoimat toisiaan tukevien rakenteiden avulla, jolloin robotista tulee kestävä. Keveys ja mahdollisuus suuriin voimiin ovatkin rakenteen suurimmat edut. Näitä robottirakenteita on tutkittu ja suunniteltu vasta 199-luvulta alkaen. Ne ovat yleistymässä työstötehtävissä, esimerkiksi karaa liikuttavina rakenteina. 16

17 Kytkemällä mekaanisia vapausasteita eri tavalla yhteen ja varioimalla vapausasteiden liikematkoja saadaan lukuisia erilaisia robotteja Yhteistoiminta robotit (Collaborative robots) Useimmat valmistavan teollisuuden yritykset ovat tekemisissä samojen ongelmien kanssa kuten osaavien työntekijöiden palkkaaminen tuotantoasteen noustessa, tuotannon laadun parantamisen tavoittelussa ja tuotantokustannusten alentamisessa. Näitä kaikkia voidaan oleellisesti helpottaa automatisoinnilla ja robotiikalla. Tämähän on ollut jo aikaisemminkin tiedossa, mutta pienissä yrityksissä pienillä resursseilla on ollut vaikeuksia nähdä kokonaisuutta mistä voitaisiin aloittaa. Vastaus tähän on, että aloitetaan pienestä kehityskohteesta ja jatkaen kehitystyötä koko ajan päämääränä rakentaa menetelmät yrityksen menestykselle. Kuva 2.16 Kuinka analysoida ja lähteä liikkeelle yhteistoiminta robottien käyttöönoton suunnittelussa. Kuva 2.17 Esimerkki yhteistoiminta robottien käytöstä (Using collaborative robots) 17

18 Vaikkakin yhteistoiminta robotit edustavat uutta teknologiaa, niin tämä ei välttämättä tarkoita, että niiden käyttö on monimutkaista ja vaikeaa. Perinteiset teollisuusrobotit ovat yleensä tarkoitettuja suurille tuotemäärille, kun taas yhteistoiminta robotit ovat suunniteltu myös mahdollistamaan niiden järkevän käytön pienimmille tuotemäärille. Aivan samalla tavalla kuin perinteiset teollisuusrobotit yhteistoiminta robotit siirtelevät kappaleita, kykenevät suorittamaan liikeratoja, joita tarvitaan erilaisissa prosesseissa kuten hitsaamisessa sekä ylipäätänsä toimivat täysin automaattisesti pitkiäkin aikoja tehostaen näin tuotantoa ja parantaen myös laatua. Mutta toisin kuin perinteiset teollisuusrobotit yhteistoiminta robotit omaavat ominaisuuksia: - ohjelmointi ei vaadi ammattilaista, koska se on yksinkertaisempaa ja nopeampaa, puolen päivän perehdyttäminen ohjelmointiin riittää - robottien asennustilavaatimukset ovat huomattavasti pienemmät - useimmat sovellukset eivät vaadi turva-aitojen käyttöä - ne ovat helposti integroitavissa yksinkertaisiin työtehtäviin - ne ovat helposti uudelleen käytettävissä uusissa työtehtävissä Eli yleistettynä yhteistoiminta robotit mahdollistavat samojen tehtävien suorittamisen kuin perinteisillä teollisuusroboteilla on tehty, mutta pienemmällä laitteella ja pienemmällä investoinnin riskillä sekä huomattavasti joustavammin. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi konepalvelusovelluksissa osien paikoittamisessa koneeseen, jolloin koneenkäyttäjä vapautuu muihin tehtäviin tästä tarpeettomaksi tulleesta työtehtävästä. Samoin kuin perinteisissä Pick-and-Place tehtävissä nämä robotit ovat oivallisia. Nämä soveltuvat myös useisiin sovelluksiin, joissa ihmiseltä ei ole vaadittu erikoisempaa pätevyyttä kuten esimerkiksi tuotteiden kokoonpanotehtävissä. Tärkeimpinä vaatimuksina yhteistoiminta roboteissa on voiman mittaus ja muotoilun toteuttaminen siten, että se on ihmiselle turvallisempi. Kuva 2.18 Universal robotti auton moottorin kokoonpanotyössä 18

19 Kuva 2.18 Baxter robotti Kuva 2.19 ABB:n YuMi robotti Kuva 2.2 FANUC:.n tarjoama malli yhteistoiminta robotista muistuttaa perinteistä teollisuusrobottia 19

20 Kuva 2.21 Esimerkkejä yhteistoiminta robottien ominaisuuksista 2

21 2.3 Palvelurobotiikka Palvelujen robotiikka jaetaan tyypillisesti B2B- ja B2C-alueisiin sen mukaan, onko robotisoidun palvelun kohteena yritys (B) vai kuluttaja (C). Palvelurobotit ovat lähteneet luontaisesti kehittymään aluksi kalleimmille sovelluksille eli yrityksille. Maailmanlaajuinen liiketoiminnan volyymi oli 3 miljardia EUR, joka on siis vain 11 % teollisuusrobotiikkaan verrattuna. Puolustusteollisuuden laitteet muodostavat tästä suurimman osan, joten siviililaitteiden kehitys on vasta alkamassa. Vakiintuneita B2Baiheen merkittäviä siviilisovelluksia ovat navetoiden lypsyrobotit, erilaiset sisä- ja ulkologistiikan laitteet sekä sairaaloissa leikkausrobotit. Leikkausrobottien markkinajohtajan patenttien umpeutuminen lähivuosina tuonee huomattavaa kilpailua leikkausrobotteihin. Huikeista kasvunäkymistä huolimatta B2B-liiketoiminnan kasvu oli v. 213 vain 4 % vuodessa, joten kehitys ei edennyt ollenkaan kasvuennusteiden mukaan. Liiketoiminnan ennustetaan edelleen kuitenkin kasvavan vuoteen 22 mennessä yli 2 miljardin euron eli seitsemässä vuodessa seitsenkertaiseksi. Miehittämättömät lentolaitteet ovat erittäin suuren kehitystyön alla juuri nyt. Kuluttajille suunnattuja (B2C) robotteja ovat nykyisellään muun muassa pölynimurit, ruohonleikkurit ja koulutusta tukevat laitteet. Vuonna 213 koko kuluttajarobotiikan volyymi on ollut 1,5 miljardia EUR, eli puolet ammattirobotiikasta. Alan kasvua vuoteen 22 saakka ennustetaan yli 1 miljardin euron. Kehityksen voimakkain painopiste on nyt pölynimureissa, nelikoptereissa ja koulutuslaitteissa, suurelta osin erittäin halvassa markkinasegmentissä, jonka kehitys ja valmistus tapahtuvat Kaukoidässä. Pölynimurirobotiikan laajamittaista soveltamista Suomessa hidastavat sisustuskulttuuriimme oleellisesti liittyvät räsymatot. Lattiapintamme poikkeavat tässä yksityiskohdassa Kaukoidän laitekehittäjien tuotemäärittelyistä huomattavasti. Nykyiset laitteet on toistaiseksi suurelta osin suunniteltu toimimaan tasaisilla lattiapinnoilla. Kuva 2.22 Automaattilypsytilojen määrä Pohjoismaissa (Lähde: Valio). 21

22 Kuva 2.23 NAO robotti työssään. Tämän robotin hinta on alle Kenttärobotiikka Kaivoksissa robottityyppistä automaatiota käytetään tyypillisesti malmin ja sivukiven kuljetuksessa sekä poraamisessa. Moniporaisten porausjumbojen poraa liikuttavat puomistot ovat toiminnallisesti lähellä teollisuusrobotteja. Ne poraavat kallioon reikiä jopa vuorokauden itsenäisesti. Sandvikin AutoMine-järjestelmän7 osana ovat itsenäisesti ajavat kaivoskuorma-auto ja kuljettava lastauskone. Ne molemmat liikkuvat ahtaissa kaivoskäytävissä nopeammin kuin ihmisen kuljettamat ajoneuvot. Tämä liikeohjaus tehdään seuraamalla luolien kallioseiniä ilman navigoinnin laiteasennuksia luoliin. Suomessa on ollut kiitettävästi radioteknistä osaamista. Sen avulla on kehitetty radiojärjestelmiä, jotka toimivat luotettavasti ahtaista tiloista ja niissä olevista työkoneista huolimatta. Niitä tarvitaan esimerkiksi teleoperoinnissa lastauksen yhteydessä. Teleoperointi ja toiminnan valvonta tehdään etäyhteydellä jopa 8 km päässä työkoneista ilmastoidussa toimistossa. Kuva 2.24 Sandvikin AutoMine-teleoperointiasema ja itsenäinen lastauskone.(lähde: Sandvik Mining ja Mikko Ovaska) 22

23 2.5 Hoitorobotiikka Leikkausrobotit ovat saavuttaneet kaupallisen menestyksen viime vuosina. Yli 25 davinci-robottia on yli 2 sairaalassa nykyisin käytössä. Niistä Suomeen on investoitu 5 laitetta keskussairaaloihin pehmeiden sisäelinkudosten leikkaamiseen. Hyödyt ovat olleet ilmeisiä. Käsityötä pienemmät ja tarkemmat avanteet kudoksissa nopeuttavat huomattavasti potilaan paranemista ja sairaalassaolo on lyhentynyt. Laitteen yksikköhinta on 1,5 MEUR, joten niiden yleistymistä keskussairaaloiden ulkopuolelle jarruttaa korkea hinta. Kuva 2.25 davinci-leikkausrobotin varhaisia prototyyppejä. (Lähde: SRI International, 27) Röntgenlaitteiden valmistus on Suomessa ollut perinteisesti vahvaa. Terveydenhuollon työntekijöiden säteilyannoksen minimoimiseksi röntgenlaitteisiin on tulossa myös robottimaisia piirteitä. Nämä edesauttavat sujuvampaa työskentelyä laitteen ympäristössä. Kehitystyö on alalla vahvaa. Edulliset terapiarobotit n. 1 kpl, ovat olleet koekäytössä muutamissa vanhusten palvelutaloissa Helsingissä, Vantaalla ja Oulussa. Kokemukset niiden käytöstä eivät ole yksiselitteisen myönteisiä. Tämä johtuu terveydenhoidon järjestelmästämme, joka tuo kotihoidosta laitoshoitoon ainoastaan varsin huonokuntoisia vanhuksia, jotka eivät enää saa merkittävää kontaktia ympäristöönsä. Terapia- ja etäläsnäolorobottien parhaat sovelluskohteet vanhuksille ovatkin kotihoidossa ennen hoivakotivaihetta. Toisaalta kuntien mahdollisuudet rahoittaa laitteita kotihoidon asiakkaille ovat erittäin rajalliset. Niinpä hoivarobottien tulevaisuus Suomessa on hyvin haasteellinen. Terapia- ja etäläsnäolorobotit rauhoittavat muistisairasta ja antavat hoitajille mahdollisuuden suunnitella työnsä mahdollisimman tarkoituksenmukaisesti. Näin työolosuhteet kevenevät henkisesti ja fyysisesti kuormittavassa työssä. Lääkkeiden käyttöä voidaan vähentää, mikä puolestaan lisää potilaan vireyttä ja elämän laatua. 23

24 Tutkimuksen kohteena ovat voimakkaasti myös erilaiset exoskeleton-laitteet (ulkopuolinen tukiranka) tai aktiiviset proteesit, joiden avulla halvaantunut potilas voisi palauttaa raajojen liikkumiskykyä. Kaupallisia menestystarinoita alalla ei vielä ole. Kuva 2.26 Terveys- ja lääkintäalan robotisaatio osana hyvinvointirobotiikkaa 2.6 Muu robotiikka Metsätalous Robotiikalla on merkitystä suomalaisessa metsätaloudessa pääasiassa kahdesta perspektiivistä: Yhtäältä Suomi on kansainvälistä kärkeä metsäkoneiden valmistamisessa. Toisaalta Suomen metsätalouden kilpailukyky riippuu kustannustehokkuudesta ja puutavaran laadusta, korkea laatu merkitsee parempaa tuottoa, ja robotiikka tarjoaa kehitysmahdollisuuksia puutavaran laadun ja puutavaralajien virtojen hallintaan ja tehostamiseen. Metsäkoneet ovat pitkälti instrumentoituja, mutta toistaiseksi yhä pääosin käsiohjattuja. Niiden automaatioaste on yhä nousussa. Suomessa metsäkoneiden valmistukseen liittyy sekä suurta että pientä teollisuutta. Alalla on olemassa vahva kansallinen infrastruktuuri, koulutus ja tutkimus. Pitemmällä aikavälillä koneelliset ratkaisut metsän uudistamiseen (mm. istutus, taimikon hoito) ovat välttämättömiä tuottavuuden ja kannattavuuden kasvattamiseksi. Puutavaran laadun ja sahatuotteiden monipuolistamisen kehittämisessä olennaista ovat kattavat metsien puuston mittaukset. Robotiikka tarjoaa uusia mahdollisuuksia kattavampien mittausten toteuttamiseksi sekä maasta että ilmasta. Puunmittauslain- 24

25 säädännössä on otettu vastikään huomioon automaation tarpeet. Metsänmittaustietojen julkisuus tullee toteutumaan jatkossa Maatalous Robotiikan teknologioilla on maataloudessa kolme pääsovellusta: peltoviljelyssä käytettyjen työkoneiden automaatio, lypsyrobotit maidontuotannossa sekä eläintuotannon palvelurobotit (mm. navettojen ja sikaloiden siivous). Näiden lisäksi robotiikkaa voidaan käyttää myös mm. puutarhatuotannossa. Tilakokojen kasvu luo edellytyksiä edistyneemmän automaation käyttöönottoon. Traktoreiden (ja vastaavien työkoneiden) miehitetty automaattiajo on jo kypsän tuotteen tasolla. Myös saattueajo, jossa kuljettaja ohjaa ensimmäistä konetta ja muut seuraavat automaattisesti perässä, on mahdollista. Täsmäviljely (ympäristösyyt) sekä jäljitettävyyden vaatimukset lisäävät automaation tarvetta ja hyötyjä. Peltoviljelyn täysi automatisointi on haastavaa, koska mm. järjestelmän logistiikan (esim. lastaus) automatisointi tuottaa haasteita. Kansallisena erityispiirteenä Suomessa suuri osa pelloista koostuu pienistä peltolohkoista, joiden välillä kuljetaan yleisiä teitä. Tästä syystä autonomisen liikenteen lainsäädäntö tullee vaikuttamaan jatkossa myös autonomisten järjestelmien käyttömahdollisuuksiin peltoviljelyssä. Maidontuotannossa lypsyrobotit ovat mahdollistaneet tilakokojen kasvun. Eläintuotannossa palvelurobotit ovat yleistymässä ja mahdollistanevat vastaavantyyppisen kasvun. B2B-sovelluksissa Suomessa on hyviä kehitysmahdollisuuksia. Lypsyrobotiikka löi 2-luvulla itsensä läpi ja nykyisin maitotilojen uudet navetat ovatkin 7 tai 14 lehmän kokoisia lypsyasemien lukumäärän mukaan. Suomi on tosin laahaa investoinneissa muita pohjoismaita hieman jäljessä Maarakennus ja rakentaminen Väylärakentamisessa Suomi on eturintamassa työkoneautomaation soveltamisessa. Työkoneet saavat maastosuunnitteluohjelmistolta ohjeet siitä, miten maata tulee siirtää. Nämä ohjeet ovat parin senttimetrin tarkkuudella, standardoidun tietoteknisen määrittelyn mukaisia ja sisältävät myös kuvauksen lopputuloksen halutusta korkeudesta ja muodosta. Tätä tekniikkaa hyödynnetään nykyisellään sekä ratatyömailla että isoimmilla tietyömailla. Keilaimella selvitetyt maanpinnan muodot ovatkin edesauttamassa varsin useiden työkohteiden suunnittelussa. Nyt jo vakiintunut toiminta on luonut alalle erittäin edistyksellisen pienten yritysten muodostaman liiketoiminnan. Rakentamisen robotiikka on erittäin vaatimatonta. Potentiaali on suurta, mutta merkittäviä läpimurtoja ei tutkimustoiminnasta liiketoimintaan ole syntynyt. Alustavasti näyttää siltä, että betonirakenteiden itsenäiset purkurobotit olisivat ensimmäisiä yleistyviä kaupallisia laitteita työolosuhteiden (pöly, melu, työn raskaus) vuoksi. 25

26 Kuva 2.27 Maarakentamisen visio (Lähde: Oulun Yliopisto) Logistiikka Suomessa on vahvaa osaamista varastoissa ja logistiikkakeskuksissa käytettävien AGVvihivaunujärjestelmien suunnittelussa ja valmistuksessa sekä maailmanlaajuisesti johtava asema satamien automaattisessa kontinkäsittelyssä ja siihen liittyvässä raskaassa kenttärobotiikassa. Tämän automaation ja robotiikan volyymi suomalaisilla yrityksillä on 1 2 M. Siitä n. 2/3 tehdään Suomessa, loput yritysten ulkomaisissa yksiköissä. Sen sijaan kehittämistyöstä valtaosa tehdään kotimaassa ja Suomessa toimivat globaalit veturiyritykset ovat luoneet ympärilleen laajan toimittajaverkoston, josta löytyy suuri määrä vaativan automaation ja robotiikan asiantuntemusta esim. navigoinnin, paikannuksen, ympäristön havainnoinnin, etäoperoinnin, koneryhmien hallinnan ja kommunikoinnin aloilla. Satamien automaatio on vasta alussa. Niiden automatisointi merkitsee suuria projekteja ja kokonaisjärjestelmien toimituksia ja Suomella on jo hyvä jalansija tässä suuria mahdollisuuksia tarjoavassa robotiikan sektorissa. Se kehittyy kuitenkin nopeasti ja siksi on olennaisen tärkeää tunnistaa alan todelliset kehittämistarpeet ja niiden vaatimat toimenpiteet, jotka pitävät yllä kotimaisten yritysten innovaatio ja kilpailukykyä. Toimituksista kilpailevat konevalmistajan ohella myös suuret automaatio- ja ohjelmistotalot. Satamien, suurten varastojen ja logistiikkakeskusten robotiikka on poikkeuksetta suurten järjestelmien toimituksia. Suuria kokonaisuuksia tai alueita automatisoidaan kerralla, ihmisten kuljettamat koneet väistyvät ja alueet suljetaan muulta liikenteeltä ja ulkopuolisilta. Toimittajilta edellytetään kykyä hallita yksittäisen koneen lisäksi suuria koneryhmien ohjausjärjestelmiä ja jopa koko varaston tai sataman toiminnanohjausjärjestelmiä. Lisähaastetta tuo loppuasiakkaiden keskuudessa korostunut tarve koneiden ja järjestelmien rajapintojen standardointiin, joka tekee mahdolliseksi eri valmistajien järjestelmien toiminnan samassa ympäristössä. Logistiikan puolella robotiikkaa vievät eteenpäin samat ajurit kuin aikanaan teollisuudessa: tuottavuuden ja turvallisuuden kasvutavoitteet. Varastoissa ja satamissa 26

27 tavaran läpimenoaika ja hukkaprosentti ovat päämittareita, joilla tuottavuutta mitataan. Vain automaattiset koneet ja järjestelmät ovat niin hallittavissa ja tuottavat riittävästi tietoa, joiden avulla toimintaa tuottavuutta on mahdollista kasvattaa uudelle tasolle. Kuljettajien vaihtuvuus ja alhainen koulutustaso luovat lisätarvetta automaatiotason nostamiseen. AGV-vihivaunuille on olemassa turvallisuusstandardit ja ne voivat esimerkiksi toimia osin samoissa tiloissa ihmisten kanssa. Raskaan logistiikkarobotiikan kehitystä hidastaa vielä vakiintuneiden ratkaisuiden puute. Tyypillisesti koneet liikkuvat suljetulla alueella. Niitä seurataan ja tarvittaessa ohjataan alueella olevasta valvomosta käsin. Usein jokin yksittäinen liike tai työvaihe suoritetaan etäohjauksessa. Raskaiden automaattisten koneiden toiminta ainakin osittain ihmisten kuljettaman kaluston rinnalla olisi merkittävä harppaus, mutta vielä ei ole kyetty määrittelemään turvallisuusstandardeja, jotka edistäisivät näiden uusien ratkaisuiden käyttöönottoa. Alan valmistajat ja asiakkaat tekevät jatkuvaa yhteistyötä ja lisääntyneiden toimitusten avulla tilanne alkaa vähitellen olla valmis standardointityöhön Valvonta, turvallisuus, sotilasteknologia Tulipalojen sammutus ja pelastustehtävät ovat voimakkaan kehitystyön kohteena autonomisille robottilaitteille. Niiden avulla voidaan lähestyä vaarallisia kohteita, joihin ihminen ei voi mennä esim. luokse päästävyyden, kuumuuden tai säteilyn vuoksi. Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden yhteydessä kohteeseen räätälöidyt robotit osoittivat tehonsa erittäin vaikeissa olosuhteissa. Suomessa alan toimintaa ei juuri ole. Tikasautojen osaamisen ja valmistuksen kautta on mahdollista saada kehitystyötä lisätyksi myös Suomessa. Automaattiset vartiointirobotit ovat vähin erin yleistyneet suurten teollisuusalueiden ja valtiorajojen valvonnassa. Ennusteen mukaan vartioinnin ja tarkkailun robottimarkkinat kasvavat noin 1 % vuodessa välillä Tyypillisiä kohteita ovat tavaratalot, ostoskeskukset ja varastoalueet. Koska alueet ovat suhteellisen vähän muuttuvia ja vartiointiaikaan vähäliikenteisiä, niin vartioinnin teknologia liikeohjauksen, aistinten, videosiirron ja teleoperoinnin osalta on hyvin ratkaistu. Lisäksi yleistyvät nelikopterit antavat uusia vartiointimahdollisuuksia ja kustannuskilpailukykyä. Monen nelikopterin käyttö tehokkaasti kuitenkin vaatii optimointia ja järjestelmäintegraatiokykyä. Lisäksi joudutaan optimoimaan erilaisten aistinten käyttö kustannusten kannalta automaattisesti kussakin sovelluksessa. Sotilaalliset robottijärjestelmät ovat olleet monella robotiikan alalla kehityksen kärjessä viimeiset vuosikymmenet. Itsenäisiä ja teleoperoituja lentäviä, sukeltavia, pinta-aluksia ja maastoajoneuvoja on kokeiltu ja markkinoilla. Sotilaat pyrkivät myös hyödyntämänään siviilisovelluksia varten kehitettyä tekniikkaa. 27

28 2.6.6 Liikenne Liikenteen robotisaatio Autonomisia ajoneuvoja luokitellaan kirjallisuudessa yleensä kolmeen tasoon: - puoliautonominen (semi-autonomous), jolloin ajoneuvossa olevat kuljettajaa avustavat järjestelmät voivat toimia itsenäisesti tai integroituna kokonaisuutena (esim. kaistalla pysymisen tuki), mutta kuljettaja ohjaa ajoneuvoa kädet ohjauspyörässä tai vastaavassa. - pitkälle autonominen (highly autonomous), jolloin ajoneuvossa on kuljettajaa avustavia järjestelmiä, jotka toimivat integroituna kokonaisuutena, ja jotka määrätyissä oloissa (riippuen esimerkiksi säästä, kelistä, olosuhteista, infrastruktuurista) voivat hoitaa joitakin ajamiseen liittyviä tehtäviä ilman kuljettajan jatkuvaa aktiivista ajamista (esim. hätäjarrujärjestelmä). - täysautonominen (fully autonomous), jolloin kaikki ajoneuvon kuljettajaa avustavat järjestelmät ovat täysin integroituja ja toimivat yhtenä kokonaisuutena vastaten kaikista ajamiseen liittyvistä tehtävistä. Kuljettajan ei tarvitse pitää käsiä ohjauspyörässä, mutta hätä- ja virhetapauksissa kuljettajan on pystyttävä ottamaan ajoneuvo turvallisesti haltuunsa ja kyettävä ajamaan ajoneuvoa hallitusti. Autonomisuus tarkoittaa tässä yhteydessä siis ajoneuvon kykyä toimia itsenäisesti ennalta määrittelemättömässä liikenneympäristössä ajoneuvon omien järjestelmien ja mahdollisesti myös tietoliikenneyhteyksien ja taustajärjestelmien tukemana. Lisäksi on kauko-ohjattuja autonomisia ajoneuvoja. Tällöin kuljettaja on yhteydessä ajoneuvoon langattoman etäyhteyden kautta ohjaten ajoneuvoa ajantasaisen ajosimulaattorin tai vastaavan käyttöliittymän avulla. 2.7 Kinematiikkaa ja robotin geometriset riippuvuudet Johdanto Robottihan koostuu useista tukivarsista, joista kaksi liikkuu toistensa suhteen joko jonkin suoran suuntaisesti tai suoran ympäri (kiertoliike). Usein tätä akselia kutsutaan robotin niveleksi. Näiden nivelien avulla tukivarret muuttavat keskinäisiä asentojaan ja asemiaan. Tätä robotin perusliikettä eli siis niveltä kutsutaan robotin vapausasteeksi (DOF, degree of freedom). Nykyisissä roboteissa on yleensä kuusi tai neljä vapausastetta. Yleisin mekaaninen rakenne robotissa on siis sellainen, jossa tukivarsi aina kytketään edellisen perään (serial linked). Tätä rakennemuotoa kutsutaan avoimeksi kinemaattiseksi rakenteeksi (kuva 2.29). Tukivarret voidaan myös kytkeä rinnakkain, jolloin rakennetta kutsutaan suljetun kinematiikan rakenteeksi (kuva 2.28). 28

29 A B A B O1 O2 O1 O2 Kuva 2.28 Yhden vapausasteen suljetun kinematiikan rakenne. Tällaisessa rakenteessa annettaessa arvo tietylle nivelen kulmamuuttujalle määrätään samalla automaattisesti muidenkin kulmamuuttujien arvot. Normaalisti roboteissa halutaan kuitenkin antaa itsenäisesti jokaiselle nivelelle omat arvonsa, mikä suljetun kinematiikan rakenteissa on mahdotonta. Suljetun kinematiikan robottirakenteet ovatkin harvinaisempia, mutta kuitenkin nykyään on markkinoilla myös näitä rakenteita, kun halutaan erikoisen nopeaa toimintaa tai todella jäykkiä mekaanisia rakenteita. A B C O1 Kuva 2.29 Kolmen vapausasteen avoimen kinematiikan rakenne. Normaalisti robottien rakenne perustuu siis avoimen kinematiikan rakenteeseen, jossa jokaiselle nivelmuuttujalle voidaan antaa omat arvonsa, mutta käytännössä ei ole kuitenkaan mitään varmuutta, että robotin end-effector eli työkalun kärki on tarkoitetussa asemassa. Robotin ohjausjärjestelmän tärkein tehtävä on hallita työkalunsa asemaa ja liikettä annettujen ohjearvojen mukaisesti. Robotin on siis osattava laskennallisesti muuttaa haluttu työkalun asema robotin oikeiksi vapausasteiden paikkaohjearvoiksi. Tätä tehtävää sanotaan käänteiseksi kinemaattiseksi tehtäväksi (inverse kinematics). Suora kinemaattinen (forward kinematics) tehtävä on työkalun aseman määritys paikka-arvojen perusteella. Teollisuusrobotin koordinaatistot: Yleisesti käytössä ovat suorakulmaiset ortonormeeratut oikeakätiset koordinaatistot. Maailman koordinaatisto on robotin työskentely-ympäristöön sidottu robotin ulkopuolinen koordinaatisto. Peruskoordinaatisto on robotin jalustaan sidottu koordinaatisto. Tässä on yleisesti käytetty toteutusta, jossa robotin z-akseli yhtyy ensimmäisen vapausasteen akseliin, x-akseli osoittaa ensimmäisen nivelen työalueen keskikohtaan ja xy -taso yhtyy lattiaan (kuva 2.3). 29

30 Kuva 2.3 Robotin peruskoordinaatisto ja oikealla kuvattu robotin työkalulaipan ns. TOOL-työkalukoordinaatisto. Työkalukoordinaatisto on suorakulmainen koordinaatisto, joka sidotaan työkalumäärityksellä kiinni haluttuun kohtaan robotin työkalua verrattuna alkuperäiseen (TOOL ) työkalulaippaan sidottuun koordinaatistoon (kuva 2.3) Robotiikan matematiikkaa Matriiseja voidaan käyttää kuvaamaan pisteitä, vektoreita, kehyksiä, siirroksia, kiertoja ja muunnoksia. Näitä ominaisuuksia hyödynnetään myös robotiikassa. Pisteen esitysmuoto 3D-avaruudessa: Kuva 2.31 Pisteen esitys 3-ulotteisessa avaruudessa. Vektorin esitysmuoto 3-ulotteisessa avaruudessa: Vektori voidaan määritellä sen alku- ja loppupisteiden koordinaateilla. Esimerkiksi vektorin alkupiste on A ja loppupiste on B, niin saadaan vektori: P ( B AB X A )ˆ i ( B X Y A ) ˆj ( B Y Z A ) kˆ Vektorin alkupisteen ollessa origossa saadaan vektori: P a Z X iˆ b ˆj c kˆ Y Z 3

31 Yleensä aina vektorit esitetään robotiikassa matriisimuodossa: a X P b Y cz Tätä esitystä voidaan vielä kehittää ottamalla mukaan skaalauskerroin w, jolloin kyseinen vektori on muodossa: X Y Z w P, jossa ax = x/w, by= y/w ja cz= z/w Muuttuja w voi olla mikä luku tahansa, jolloin sillä voidaan muuttaa vektorin suuruutta. Tietokoneen kuvan zoomaus perustuu juuri tähän esitysmuotoon. Jos w on suurempi kuin 1, niin kaikkia vektorin komponentteja kasvatetaan ja jos se vastaavasti on pienempi kuin 1, niin niitä pienennetään. Vektorin suuntavektorin esityksessä w =, jolloin vektorin pituudella ei ole merkitystä. Kuva 2.32 Vektorin esitys 3-ulotteisessa avaruudessa. Esimerkiksi jos vektorina on matriisimuodossa on: P iˆ 5 ˆj 2 x Y Z kˆ ja skaalauskerroin on 2, niin vektorin esitys P ja sen suuntavektori matriisimuodossa: 3 5 P. 2 Yksikkövektoria varten on ensin laskettava vastaava yksikkövektorin pituus: , jossa 3 p X,. 811 jne. p X p Y p ja yksikkövektori: Z P Origoon kiinnitetyn kehyksen esitysmuoto: Kolmella vektorilla voidaan myös esittää kehys, jonka oma origo yhtyy peruskoordinaatiston origoon. Yleensä nämä kolme vektoria ovat kohtisuorassa toisiaan vasten ja niitä merkitään yksikkövektoreilla n, o, a kuvaamaan normaali-, orientaatio- ja asentovektoreita. Kaikki kolme p Y

32 yksikkövektoria määritellään kolmella komponentilla, joten kehys Frame voidaan matriisimuodossa esittää seuraavasti: n Frame n n X Y Z o o o X Y Z a a a X Y Z Kuva 2.33 Peruskoordinaatiston origoon kiinnitetty kehys. Omalla origolla varustetun kehyksen esitysmuoto: Jos kehys ei yhdy peruskoordinaatiston origoon, niin tällöin ilmoitetaan myös kehyksen origon etäisyys peruskoordinaatiston origosta, minkä tehtävän suorittaa vektori, jonka alkupiste on peruskoordinaatiston origossa ja loppupiste kehyksen origossa (kuva 2.34). Tällöin kehys voidaan määritellä kolmella yksikkövektorilla ja neljäs vektori määrittelee sen sijainnin: nx n Y Frame nz o o o X Y Z a a a X Y Z PX P Y PZ 1 Kuva 2.34 Peruskoordinaatisto suhteessa kehykseen. Kuten yllä olevasta matriisikuvauksesta voidaan todeta, niin nämä kolme vektoria ovat suuntavektoreita (w=) kuvaten kolmen yksikkövektorin n, o, a suuntia ja neljäs vektori (w=1) ilmoittaa kehyksen origon sijainnin peruskoordinaatiston origosta. Tämän neljännen vektorin pituus on tärkeä informaatio ja siksi käytössä on skaalauskertoimelle w arvo 1. Esimerkiksi kehyksen Frame origo sijaitsee 3,5,7 yksikön etäisyydellä perus-koordinaatiston origosta ja sen n-akseli on yhdenmukainen x-akselin kanssa, o-akseli on 45º kulmassa suhteessa y-akseliin ja a-akseli on 45º kulmassa suhteessa z-akseliin. Tällöin tämä kehys voidaan matriisin avulla määritellä seuraavasti: 32

33 Frame Kuva 2.35 Esimerkki kehyksen määrittelytä 3D-avaruudessa. Homogeeninen siirrosmatriisi: Jos kehyksen siirto avaruudessa tehdään ilman orientaation (kierron) muutosta eli kehyksen suuntavektorit eivät muutu, voidaan pelkkä siirto esittää matriisin muodossa seuraavasti: d d d Z Y X T, jossa vektorilla d ilmoitetaan sen komponenttien x, y ja z etäisyyden muutokset alkuperäisestä asemasta. Lopullinen kehyksen uusi asento saadaan seuraavasti: d P a o n d P a o n d P a o n P a o n P a o n P a o n d d d Z Z Z Z Z Y Y Y Y Y X X X X X Z Z Z Z Y Y Y Y X X X X Z Y X Frame Kuva 2.36 Kehyksen siirto (ei kiertoa) 3D-avaruudessa. Esimerkiksi siirrettäessä kehystä F yhdeksän yksikköä x-akselin suunnassa ja viisi yksikköä z- akselin suunnassa saadaan F:lle uusi sijainti seuraavasti: F alkup.

34 F d d d F Trans ( ) uusi x, y, z, alkup. F Kiertoliike x-akselin ympäri: Kuva 2.37 Pisteen P sijainti ennen kiertoa x-akselin ympäri ja sijainti kulman θ verran x-akselin ympäri. Yllä olevissa kuvissa on esitetty pisteen P kierto x-akselin ympäri kehyksessä, jonka origo yhtyy peruskoordinaatiston origoon ja lisäksi sen akselit ( n, o, a ) yhtyvät lähtötilanteessa x-, y- ja z-akseleihin. Kiertävä piste P (Px, P y ja Pz) kiertyy siis kierrettävän kehyksen mukana. Alla olevassa kuvassa on tarkasteltu pisteen P koordinaattipisteitä (P y ja Pz) 2D-tasossa x- akselin suhteen. Kuva 2.38 Pisteen P sijainti suhteessa alkuperäiseen kehykseen katsottuna x-akselin suunnasta (2D -näkymä). Uusiksi koordinaattiarvoiksi pisteelle P saadaan: Px = Pn P l 1 l y 2 P Pa P l 3 l z 4 P Pa cos sin sin cos 34

35 35 Samat matriisimuodossa: P P P P P P a o n z y x cos sin sin cos 1 Yksinkertaistettu kaavamuoto on P P noa xyz x Rot ), (, mutta se esitetään robotiikassa yleensä seuraavasti: P U = R U T x P R, jossa R U T on kehyksen R siirros kehyksen U (universaali) suhteen P R on Pnoa (piste P kehyksen R suhteen) P U on Pxyz (piste P kehyksen U suhteen) Kiertomatriisi x-akselin ympäri: cos sin sin cos 1 ) (x, Rot Kiertomatriisi y-akselin ympäri: cos sin 1 sin cos ) ( y, Rot Kiertomatriisi z-akselin ympäri: 1 cos sin sin cos ), ( z Rot Esimerkiksi piste P T 2,3,4) ( on kiinnitetty kierrettävään kehykseen, jota kierretään x-akselin suhteen 9º. Pisteen P uuden koordinaattiarvot saadaan seuraavasti: cos sin sin cos P P P P P P a o n z y x Yhdistettyjen siirrosten ja kiertojen toteutus: Esimerkiksi tehtäessä samanaikaisesti seuraavat toiminnot: Kierto x-akselin ympäri kulman α verran P P noa xyz x Rot ), (, 1 Lisäksi siirros [l1, l2, l3] x, y ja z-akselien suhteen P l l l P l l l P noa xyz xyz x Rot Trans Trans ), ( ),, ( ),, ( , 3 2 1, 2

36 Näiden lisäksi vielä kierto y-akselin ympäri kulman β verran Rot y, ) Rot( y, ) Trans(,, ) P xyz P P ( Rot( x, ) 3, xyz 2, xyz Esimerkiksi tehtäessä ensin 9º kierto z-akselin ympäri ja seuraavaksi 9º kierto y-akselin ympäri sekä lopuksi siirros [4,-3,7] saadaan lopulliseksi asennoksi: P 1 xyz P Trans ( 4, 3,7) Rot( y,9) Rot( z,9) = noa 1 l l l Siirrosmatriisin käänteismatriisi: Robotiikan useissa määrittelytehtävissä tarvitaan käänteismatriisia. Alla olevassa kuvassa kuvataan tilannetta, kun halutaan paikoittaa TOOL1(E) kohde-koordinaatistoon P, esimerkiksi käytännössä halutaan porata reikä kohde-koordinaatistossa P olevaan kappaleeseen työkalulla E. Robotin peruskoordinaatiston suhdetta maailman koordinaatistoon U kuvataan kehyksellä R. Porattavan reiän sijainti maailman koordinaatistoon nähden saadaan: U T E josta työkalun E sijainti kohdekoordinaatistossa saadaan siirroksena UP ja PE tai vaihtoehtoisesti siirroksina UR, RH ja HE. U T R R T H H T E U T P P T E P noa Kuva 2.39 Maailman (Universal) koordinaatisto, robotin peruskoordinaatisto (R), työkalukoordinaatistot TOOL(H) ja TOOL1(E) sekä kohdekoordinaatisto(p). Todellisessa tilanteessa robotin peruskoordinaatiston R siirros suhteessa maailman koordinaatiston U tiedetään, esimerkiksi asennettaessa robotti tuotantosoluun. Myös työkalukoordinaatiston H T E siirros on tiedossa, esimerkiksi määriteltäessä käytettävä työkalu TOOL:n suhteen. Myös kohde-koordinaatiston U T P siirros on tiedossa, esimerkiksi asennettaessa työpöytä maailman koordinaatiston suhteen. P TE on myös tiedossa, koska meidän täytyy tietää mihin esimerkiksi kappaleessa reikä porataan. Lopulta ainoa etukäteen tuntematon siirros on R T H eli työkalulaipan eli ns. TOOL:n siirros robotin peruskoordinaatistoon nähden, mikä onkin robottiohjaimen päätehtävä eli sen on laskettava 36

37 robotin akseleiden asennot saavuttaakseen haluttu loppuasema. Tähän tarvitaan käänteismatriiseja seuraavasti: ( U 1 U R H H 1 U 1 U P H 1 U 1 U T R) ( TR TH TE ) ( TE ) ( TR ) ( TP TE ) ( TE ), mutta koska ( R) ( TR ) 1 H 1 H T E) ( TE ) 1 saadaan R R U 1 U P H 1 T H seuraavasti: T H TR TP TE TE ( T ja Käänteismatriisin käytöstä esimerkkinä lasketaan seuraavaksi rotaatio eli kääntö x-akselin ympäri. Rotaatiomatriisihan oli: 1 Rot (x, ) cos sin sin cos Käänteismatriisin määrittelemiseksi tarvitaan: laskettava matriisin determinantti matriisin transpoosi korvataan saadun transpoosimatriisin elementit alideterminanteilla(minor) jaetaan saatu matriisi determinantilla Rotaatiomatriisin transpoosi: Rot ( x, ) T 1 cos sin sin cos Lasketaan kaikki alideterminantit (minor - tekijät). Esimerkiksi elementin 2,2 (cosθ):sta saadaan: cosθ*1 - *= cosθ ja elementti 1,1 (1):sta saadaan: cosθ* cosθ - sinθ*(-sinθ)=cos²θ + sin²θ=1. T T Lopputuloksena saadaan: Rot ( x, ) min or Rot ( x, ). Koska alkuperäisen rotaatiomatriisin determinantti on yksikkömatriisi, niin jakamalla saatu alideterminanttimatriisi determinantilla, lopputuloksena käänteismatriisille saadaan: 1 Rot ( x, ) Rot ( x, ) Sama lopputulos saadaan luonnollisesti tehtäessä rotaatio eli kääntö y- tai z-akselin ympäri. T Robotiikan suora- ja käänteinen kinematiikka Robotin liikkeiden toteutuksessa kinemaattisilla laskuilla voidaan saada vapausasteille tavoitearvoja, joihin vapausasteet tulisi ohjata. Normaalistihan tiedetään robotin akselien varsien pituudet ja nivelakselien väliset kulmat eli tiedossa on siis robotin mekaaninen konfiguraatio (Denavit-Hartenberg -parametrit), jolloin robotin työkalulaipan asennon (orientaation) ja aseman (sijainnin) laskutehtävää kutsutaan suoraksi kinemaattiseksi tehtäväksi. Toisin sanoen tiedettäessä robotin vapausasteiden muuttujien arvot saadaan suoralla kinematiikan laskutehtävällä robotin työkalulaipan (end effector) sijainti ja orientaatio. Yleensä tilanne on kuitenkin päinvastainen eli annetaan robotin työkalulaipalle haluttu orientaatio ja sijainti, 37

38 jolloin käytetään käänteistä kinemaattista laskutehtävää määritettäessä robotin kunkin vapausasteen muuttujien arvot. Suora ja käänteinen kinematiikka suorakulmaisessa koordinaatistossa: Tässä tapauksessa toteutetaan suoraviivaiset liikkeet kolmen pääakselin x-, y- ja z-suunnissa. Tämän tyyppisissä roboteissa kaikki robotin akselien toimilaitteet ovat lineaarisia (hydrauli- ja paineilma sylinterit tai sähkömoottoriset ruuviyksiköt) Kuva 2.4 Suorakulmainen eli karteesinen koordinaatisto Rotaatioiden puuttuessa tarvitaan siis vain siirroksen siirtomatriisi määriteltäessä uusi paikoitus pisteelle P. Suoran kinematiikan laskutoimitus pisteelle P peruskoordinaatiston suhteen saadaan: R T P T CART PX P Y PZ 1 Käänteisessä kinematiikan laskutoimituksessa yksinkertaisesti asetetaan haluttu asema samaksi kuin piste P. Suora ja käänteinen kinematiikka nivelkoordinaatistossa: Tämän tyyppisissä roboteissa kaikki robotin akselien toimilaitteet ovat AC- tai DC-sähköisiä servomoottoreita. Erona suorakulmaiseen koordinaatistoon verrattuna on se, että kaikki kolme pääakselia suorittavat kiertoja nivelvarsien välillä. 38

39 Kuva 2.41 Nivelkoordinaatisto, jota käytetään nivelvarsiroboteissa. Siirroksen siirrosmatriisi nähdään jäljempänä Denavit Hartenberg -esityksen yhteydessä. Orientaation eli työkalulaipan (ns. yläkäsivarsi tai ranne) asennon määrittely on oleellinen toimenpide sen jälkeen, kun robotti on liikkunut pääakselien (ns. alakäsivarsi) mukaiseen haluttuun asemaan. Mekaaninen toteutus robotin ranteelle voi olla erilainen: Roll, Pitch, Yaw (RPY) kulmat Euler kulmat Nivelakselit Roll, Pitch Yaw eli RPY kulmat: Kuva 2.42 RPY rotaatiot n, o, a -akseleiden suhteen Rotaatiota a-akselin suhteen (liikkuvan kehyksen z-akseli) kutsutaan Roll Rotaatiota o-akselin suhteen (liikkuvan kehyksen y-akseli) kutsutaan Pitch Rotaatiota n-akselin suhteen (liikkuvan kehyksen x-akseli) kutsutaan Yaw 39

40 Kuva 2.43 Euler kierrot akselien ympäri. DENAVIT HARTENBERG menetelmä Kinematiikan perustehtävähän on kiinnittää kuhunkin tukivarteen ja työkaluun koordinaatisto ja selvittää, miten vierekkäiset koordinaatistot liikkuvat toistensa suhteen, kun robotin nivelet liikkuvat. Tähän on kehitetty 195 luvulla tekijöiden mukaan nimetty menetelmä ns. Denavit Hartenberg menetelmä. Tästä on olemassa kuitenkin kaksi erilaista muotoa. Matemaattinen lopputulos eli homo-geeninen siirrosmatriisi on riippuvainen käyttäjän valitsemista koordinaatiston suunnista ja koordinaatistojen sijainnista tukivarren suhteen. Rajoittavat säännöt koordinaatistojen sijainnille: z-akseli sijoitetaan nivelen akselin kohdalle tukivarren työkalun puoleiseen päähän ensimmäiset siirtymät lasketaan robotin peruskoordinaatistosta lähtien x-akseli osoittaa seuraavaa z-akselia kohti 4

41 Kuva 2.44 Esimerkki koordinaatistojen sijoittamisesta tukivarsiin. Denavit Hartenberg parametrit: a: kahden perättäisen akselin lyhin mahdollinen etäisyys α: kahden perättäisen akselin välinen kulma θ: tukivarren kiertymäkulma lähtien akselien lyhimmistä etäisyyksistä d: siirtymä nivelen akselin suunnassa Kuva 2.45 Denavit- Hartenberg parametrien eräs nimeämistapa. Denavit - Hartenberg parametrien ja koordinaatistojen sekä kulmien määrittelyjen jälkeen saadaan homogeeninen siirrosmatriisi, jonka yksi nivel ja siihen liitetty tukivarsi määrittävät. Siirrosmatriisi: Kulma α on usein suorakulman monikerta, jolloin sen sisältämät termit matriisissa saavat usein arvot -1, tai 1. Samoin kulma θ on yleensä suorakulman monikerta, jollei se ole nivelmuuttuja. 41

42 2.7.4 Robottien koordinaatistojärjestelmät ja kehykset Robottien akselit (vapausasteet) eli nivelet voivat olla rakenteeltaan hyvin monenlaisia kuten suoraviivaisia, kiertyviä, pallomaisia tai liukuvia liikkeitä suorittavia. Robottien yleisimmät liikemuodot ovat kiertyvät ja suoraviivaiset liikkeet. Toimilaitteina lineaariliikkeille ovat yleensä pneumaattiset tai hydrauliset sylinterit sekä sähköiset lineaaritoimilaitteet. Kiertyvät liikkeet on yleensä toteutettu sähköisillä servomoottoreilla, mutta myös sähköisillä askelmoottoreilla sekä pneumaattisilla tai hydraulisilla vääntömoottoreilla voidaan kiertoliikkeet toteuttaa. Robottien konfiguraatiossa sen käyttämä koordinaatistojärjestelmä on yhdenmukainen sen mekaanisen rakenteen kanssa. Kuvassa 2.46 nähdään kaikki yleisimmät koordinaatistojärjestelmät: Suorakulmainen (Cartesian), sisältää kolme lineaarista nivelakselia Sylinterimäinen (Cylindrical), sisältää yhden kiertyvän ja kaksi lineaarista nivelakselia Pallomainen (Spherical), sisältää kaksi kiertyvää ja yhden lineaarisen nivelakselin Nivelmäinen (Articulated), sisältää kolme ihmiskäden kaltaista kiertyvää nivelakselia SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), sisältää kaksi rinnakkaista vaakatason suuntaisen liikkeen mahdollistavaa kiertyvää nivelakselia sekä yhden pystysuoran suuntaisen liikkeen mahdollistavan lineaarisen nivelakselin 42

43 Kuva 2.46 Robottien yleisimmät koordinaatistojärjestelmät. Robotteja liikutetaan suhteessa erilaisiin koordinaatistokehyksiin. Liikkeiden toteutukset ovat erilaisia, riippuen minkälaisen koordinaatistokehyksen mukaan liike toteutetaan (kuva 2.4). Maailmakoordinaatiston mukaisessa kohdekehyksessä robotti liikkuu pääakselien x-, y-, tai z akselien suuntaisesti, jolloin samanaikaisesti voi useampi robotin nivelistä suorittaa oman liikkeensä. Nivel- eli peruskoordinaatiston mukaisessa kohdekehyksessä liikutetaan robotin jokaista yksittäistä niveltä erikseen. Työkalukoordinaatiston mukaisessa kohdekehyksessä on luotu työkalun mukainen koordinaatisto, jonka mukaisesti robotti suorittaa liikkeensä, mutta erona maailmankoordinaatiston mukaiseen liikuttamiseen on se, että työkalukoordinaatisto liikkuu myös robotin liikkeen mukana. Työkalukohdekehyksen käyttö on hyödyllistä robotin ohjelmoinnissa, jossa robotin on liikuttava eri kohteiden välillä tai osien kokoonpanossa. Kuva 2.47 Robotin kohdekoordinaatistot. 43

44 2.8 Robotin ohjausjärjestelmät Robotin ohjausjärjestelmän keskeisin tehtävä on ohjata robotin liikkeiden suoritusta halutulla tavalla. Ohjausjärjestelmän toiminnan mukaan voidaan tehdä jaottelu: Aidosti pisteohjattu (point-to-point), sekvenssi- eli seurantaohjaus eikä servo-ohjausta Aidosti rataohjattu (continuous-path), kaksitasoinen servo-ohjaus ohjausjärjestelmä, jossa reitti annetaan joko jatkuvasti (analoginen) tai tiheästi määräajoin tallennettuina pisteinä (digitaalinen). Yhdistetty rata- ja pisteohjaus (computed trajectory), hierarkkinen digitaalinen kaksitasoinen ohjausjärjestelmä(servo-ohjaus), jossa reitti annetaan pisteinä ja pisteiden välisinä vapaina, suoraviivaisina tai kaarevina liikkeinä Älykäs robotti (intelligent control) Ohjausjärjestelmää voidaan myös analysoida sen kehittyneisyyden mukaan: Sekvenssiohjattu robotti Opetettava robotti Yhdistetty piste- ja rataohjattu robotti Adaptiivinen robotti Älykäs robotti Yleisimmin roboteissa käytetään akselien ohjauksessa reaaliaikaisia prosessitietokoneita, joiden avulla on mahdollista ohjata robotin toimilaitteita tuhansia kertoja sekunnissa ja näin mahdollistaa sen reagoiminen ympäristön viesteihin millisekunneissa. Reaaliaikaisille ohjausjärjestelmille on ominaista, että niissä voi toimia useita tietokoneohjelmia samanaikaisesti. Tämä on kuitenkin yleensä näennäistä, koska normaalisti kullekin ohjelmalle voidaan varata lyhyt ajoaika tietyin aikavälein. Ohjausjärjestelmän tavallinen koostumus: Keskusyksikkö Massamuisti ohjelmien ja parametrien tallennusta varten Käsiohjelmointilaite eli ns. TeachPendant - käyttöliittymä Ulkoiset liitännät, kuten RS232-C, RS422 ja Ethernet Robotin akselikohtaiset servo-ohjauskortit Lisäoptiot, kuten erilaiset väylätekniikat ja vapaat PCI-korttipaikat, esimerkiksi voimaantureiden vahvistin korteille jne. Ohjausjärjestelmän tehtävänä on suorittaa annetut toiminnot liikekäskyiksi ja toteuttaa reaaliajassa myös seurantaa sen suorituksesta eli huolehtia robotin toimilaitteiden takaisinkytkennästä. Tämä on ohjausjärjestelmän vaativin tehtävä, johon liittyy useita eri toimintoja kuten oikea paikkatieto (x, y, z), työkalun oikea asento eli orientaatio(rx, ry, rz), haluttu liikenopeus, kiihtyvyyden ohjaus huomioiden työkalun massa, paikoituksen tarkkuus sekä muut toiminnalliset funktiot. Tämän osalta on viimeaikoina tapahtunut huomattavaa kehitystä tietokoneiden laskentakapasiteetin lisääntyessä. 44

45 Lisäksi robotinohjausjärjestelmä hoitaa ympäristön havainnoin antureiden avulla. Ympäristön anturitiedot voidaan yleensä päivittää ohjausyksikköön vain 5 1 Hz taajuudella, mikä aiheuttaa ongelmia jonkin verran ongelmia tietyissä adaptiivisen ohjauksen toteutuksissa. Tässä suhteessa on tapahtunut aivan viime aikoina kehitystä ja parhaimmillaan päästään jo 2Hz taajuuksiin. Tämä on mahdollistanut myös voimaohjauksen käyttöönoton. Itsediagnostiikka eli robotin sisäisen toiminnan tarkkailu kuuluu myös ohjausjärjestelmän tehtäviin. Servo-ohjauksen toteutus: Ei servo-ohjattujen robottien ohjaushan toimii kaksitilaisten anturien välittämillä signaaleilla eli liikutaan rajalta rajalle. Servo-ohjauksella toteutettu järjestelmä on huomattavasti monimutkaisempi. Se on yleensä useamman tasoinen hierarkkinen ohjausjärjestelmä. Kuva 2.48 Servo-ohjatun robotin ohjausjärjestelmän periaate Asetusarvo asemalle Aseman säädin Kierrosluvun säädin Virtasäädin Pääteaste Virran mittaus Asema-anturi Nopeusanturi M Robotin akselin servomoottori Kuva 2.49 Periaatekaavio robotin yhden vapausasteen servosäätöpiiristä. 45

46 Adaptiivinen ohjaus: Yleisesti ottaen adaptiivisella säädöllä tarkoitetaan koneissa olevaa mittaus- ja säätöjärjestelmää, jonka avulla saatua mittausinformaatiota käsitellään koneen omassa ohjausjärjestelmässä tai se voidaan myös välittää käsiteltäväksi paremman laskentakyvyn omaavalle yleistietokoneelle. Adaptiivisella eli mukautuvalla säädöllä kone voi itse parantaa omaa toimintaansa eli esimerkiksi robottien yhteydessä parantaa ennalta laskettujen paikoitustietojen arvoja joko numeeriselta tarkkuudeltaan tai paremmin kyseiseen käyttökohteeseen soveltuvina. Robottien yhteydessä adaptiivinen ohjaus käsitteenä on laajempi, koska sillä voidaan tarkoittaa varsinaista robotin ohjausjärjestelmän adaptiivisuutta ja ulkoisten antureiden avulla toteutettu adaptiivista ohjausta. Robotin kohdeasemat lasketaan työkalun ja yleensä robotin jalustaan sijoitetun peruskoordinaatiston välisinä etäisyyksinä x-, y- ja z-suunnissa lisättynä työkalun orientaatiotiedoilla. Lisäargumenttina on ainakin tarkkuusparametri eli alue, jonka sisällä robotin haluttu paikoituspiste sijaitsee, esimerkiksi ns. zone -parametrin arvo voi olla 1 mm, jolloin riittää paikoitustarkkuudeksi halkaisijaltaan 1 mm ympyrän muodostama alue. Kohdeasemat voidaan määrittää kiinteinä eli pysyvinä arvoina opettamalla ne käsiohjelmointilaitteella tai syöttämällä ne numeerisesti käsin tai offline -ohjelmiston avulla. Yksinkertaisimmillaan robottien yhteydessä voidaan puhua adaptiivisesta ohjauksesta käyttämällä digitaalista anturia havaitsemassa kohde, jota kohti robotti on ohjelmoitu liikkumaan niin kauan kunnes anturi havaitsee kohteen. Tämä ns. hakuominaisuus eli searching on yleensä kaikkien robottien käskyvalikoimassa. Tätä ominaisuutta käytetään esimerkiksi tuotteiden noudossa pinosta, jonka yläpinta tunnistetaan robotin työkalussa olevan anturin avulla. Tätä ominaisuutta voidaan myös käyttää kappaleiden tai robotin ympäristön mittaamiseen. Monipuolisemmassa muodossa adaptiivinen ohjaus on muodon seurannassa, jossa jollakin analogisella anturilla seurataan ja muodostetaan samalla lennosta robotin liikekäskyt ja tätä rataa seuraavalla kerralla voidaan vielä jopa parantaa tallentamalla anturin antamat etäisyysarvot kappaleeseen nähden ja laskennallisesti käsitellä arvoja. Tällöin voidaan jo puhua täysin mukautuvasta ohjauksesta. Lähes kaikissa nykyisissä robottiohjaimissa käyttäjä voi antaa parametritietoina robotin kantokuorman, halutun paikoitustarkkuuden ja liikenopeuden, jolloin robotti itse optimoi parhaimman suorituskyvyn annettujen parametrien perusteella hakemalla liikkeen suorittamiseksi sopivimmat arvot tietokannasta. Tällaisessa robottiohjaimessa on puutteena kuitenkin se, että käyttäjä ei yleensä voi muuttaa näitä optimointiarvoja. Tämä puute korjataan ottamalla käyttöön varsinainen robotin adaptiivinen ohjaus (kuva 2.5), jossa näitä robotin tietokannassa olevia suoritusarvoja voidaan muuttaa jatkuvana toimintona takaisinkytkentäantureilta tulevien viestien perusteella. Tällöin usein tulee vastaan kuitenkin muistien tallennuskapasiteetti ja tai laskennalliset aikarajoitukset, minkä vuoksi on otettu käyttöön työskentelyalueen jako useimpiin osa-alueisiin eli puhutaan ns. zone -määrittelyistä. Kuvassa 2.5 on esitetty robotin ohjausjärjestelmä tavallisella adaptiivisella ohjaimella, jossa robotin suorittamaa liikerataa mitataan jatkuvana toimintona ja päättelylogiikka käsittelee 46

47 saamansa informaation ja päättää kuinka robotin liikerataa kulloinkin on muutettava optimoitaessa paikoitustarkkuutta ja nopeutta. Ympäristön muuttujat, esim. kuorma Ohjelmoitupaikka Paikoitusvirhe Robottiohjain -säädettävät parametrit Järjestelmän ohjain -matemaattinen siirtofunktio Nykyinen Paikka Muokkaus Tilatietojen mittaus -nopeus -akselin asento Päättelylogiikka Kuva 2.5 Adaptiivinen robottiohjain, jossa on säädettävät parametrit, lisättynä normaaliin paikoitustakaisinkytkettyyn järjestelmäohjaimeen. 3. ROBOTTIEN OHJELMOINTI (Teollisuusrobotiikka) 3.1 Yleistä Robottien ohjelmointi alkoi sähkömekaanisista kytkennöistä, joiden avulla saatiin nivelet ajamaan päin haluttuja rajakatkaisijoita vaihe kerrallaan. Sittemmin opetettiin käden liikkeitä johdattelemalla eli "nauhoittamalla" nivelten paikka-antureita ja toistamalla näitä liikkeitä. Suurin osa nykyisistä sovelluksista on opetettu robotille liikuttamalla käsivarsi muutamiin asemiin, mutta luomalla toiminnan logiikka ja useita liikeratojen asemia tietokoneohjelmoinnilla. Kun robotista ja työympäristöstä on kolmiulotteinen tietokonemalli, voidaan tehdä mallipohjaista ohjelmointia erillisessä tietokoneessa. Teleoperointi eli robottien liikuttaminen etäältä teknisen käyttäjäliitynnän avulla on uusi mahdollisuus. Ohjelmoinnin tärkeimmät tehtävät: Laaditaan toimintajärjestys ja logiikka robottikäsivarren liikkeille sovelluksessa tarvittavien työkalun liikkeiden toteuttamiseksi Tahdistetaan käsivarren liikkeet ympäristön signaaleihin tai välitetään muihin laitteisiin tarvittavia tietoja Määritellään robotin toiminta virhetilanteissa 47

48 Opetusohjelmointi sitoo robottilaitteiston ja estää robotin tuotantokäytön. Haluttaessa parantaa robotisoidun tuotantojärjestelmän käyttösuhdetta tarvitaan korkeamman tason ohjelmointikieli ja -laitteisto eli käytetään off-line ohjelmistoja, jotka mahdollistavat etäohjelmoinnin. Ohjelmointi on taloudellisinta erillisessä ohjelmointijärjestelmässä. Robotin ohjelma voidaan laatia ja testata häiritsemättä robotin tuotantokäyttöä. Osa ohjelman virheistä voidaan karsia ohjelmointijärjestelmässä ennen ohjelman viemistä tuotanto-osastolle. Liikeratojen ohjelmointi geometristen peruselementtien, kuten ympyrän kaarien ja suorien avulla, parantaa ohjelmoidun radan tarkkuutta ja mahdollistaa vaativien robotisointien toteutuksen, esimerkkinä on kaarihitsausrobotin ohjelmointi. Geometria luodaan peruselementeistä kuten suorat, ympyrän kaaret ja spline -käyrät. Liikekäskyillä toteutetaan geometriasta yhdistelty liikerata. Ohjelmointijärjestelmä mahdollistaa ohjelman sisäiset laskutoimitukset, silmukat ja aliohjelmien käytön. Robottien ohjelmoinnissa ei kannata tyytyä pelkkien liikeratojen koodaamiseen, vaan kuvataan myös robotin ominaisuudet, rajoitteet ja ympäristö. Tartuntapisteet, liikerajoitukset, ohjaus- ja referenssipinnat säilyvät muuttumattomana perustietona robotin käsittelytehtävän ja ohjelman muuttuessa. Ympäristön malli mahdollistaa törmäystarkastelut sekä mahdollisten robotin liikkeiden ulottumattomiin jäävien katvealueiden analysoinnin. Yksinkertaiset robotisoinnit kannattaa hoitaa online ohjelmoinnilla. Esimerkkinä ovat yksinkertaiset hitsaus- ja maalaussovellukset. Offline ohjelmointi on nykyään yleinen tapa työstökoneiden panostuksessa ja kokoonpanon robotisoinneissa, etenkin vaihtelevassa piensarjatuotannossa. Robottien ohjelmointia voidaan tehostaa liittämällä robotin offline ohjelmointi osaksi tietokoneavusteista suunnittelua ja valmistusta Robotin ratojen simulointi ohjelmointijärjestelmässä havainnollistaa robotin liikkeitä ja vähentää ohjelman virheitä sekä lyhentää tuotannossa tehtävää ohjelman virittämistä. 3.2 Johdattamalla ohjelmointi Käsivarren toimilaitteet vapautettiin ja ihminen liikutti liikkeiden määrittelyvaiheessa lihasvoimin työkalua niin, että haluttu liikerata tuli suoritetuksi. Nivelten paikka-antureiden lukemat talletettiin liikkeiden aikana instrumenttinauhuriin. Kun liikkeitä toistettiin, yhdistettiin nauhuri nivelten toimilaitteiden säätöpiireihin ohjearvoiksi ja nauhaa kelattiin joko alkuperäisellä tai vähän muutetulla nopeudella. Tätä ohjelmointia kutsutaan johdattamalla ohjelmoinniksi (huom. tämä on historiaa). Robotit johdatetaan usein käyttäen samaa käsivartta, mutta työkaluun asennettua kahvaa ja siinä olevaa aktivointinäppäimistöä. Muutamat robottivalmistajat ovat toimittaneet myös yksinkertaistettua ja kevyttä ohjelmointikäsivartta, jossa on kevyt runko ja nivelten paikanmittausjärjestelmä. Johdattamalla ohjelmoinnista tuli nopeasti vallitseva menetelmä maalausroboteissa. Se mahdollisti maalausrobottien yleistymisen muita sovelluksia nopeammin. Leviämistä auttoi myös maalauksen onnistuminen, vaikka liikeradat eivät toistu aivan tarkasti. Nykyään on saatavilla myös maalausrobotteja, joita ohjelmoidaan niin kuin muitakin teollisuusrobotteja. 48

49 Johdattamalla ohjelmoinnin vaikeudet (aikanaan, muttei nykyään!): Muuttamisen hankaluus; yleensä ohjelma täytyy ohjelmoida alusta lähtien uudestaan, kun siihen halutaan muutos Magneettinauhoja oli hankala arkistoida ja käsitellä Ohjelmista on vaikea saada aivan tarkkoja Nykyisin voimaohjauksen tullessa käyttöön useissa robottimalleissa, esimerkiksi niin sanotuissa collaborative eli yhteistoiminta roboteissa johdattamalla ohjelmoinnista on tullutkin tavallaan kehittynein, nopein ja helpoin tapa ohjelmoida robotteja. Kuva 3.1 Tämän päivän robotin opettaminen johdattamalla 3.3 Opettamalla ohjelmointi Perinteisesti robotteja on ohjelmoitu viemällä työkalu haluttuun paikkaan käsiohjaimen avulla ja tallettamalla asema muistiin. Tätä ohjelmointia käsiohjaimen avulla kutsutaan usein opetukseksi erona päätteeltä tehtävään tekstuaaliseen (eli tekstiä kirjoittavaan) ohjelmointiin, jossa loogisten rakenteiden esittäminen on helpompaa. Näitä ohjelmointitapoja käytetään tavallisimmin yhdessä, mutta tarvittava teksti kirjoitetaan useimmiten funktionäppäimistön avulla. Liikkumista asemien välillä tai kohdeaseman valintaa ohjataan muusta ohjelmoinnista tutuilla menetelmillä eli erilaisilla hyppykäskyillä ja aliohjelmilla. Robottien ohjelmoinnin välineinä ovat olleet käsiohjaimet, joilla voidaan luoda robottiohjelma kokonaisuudessaan, ohjaussauva robotin liikuttamiseksi eri interpolaatiotavoilla, tavallinen pääte ja editoriohjelmisto, PC ohjelmatekstin luomiseksi sekä levykeasemat ohjelmien siirtoa ja varastointia varten. Käsiohjaimen käyttökelpoisuudelle on tärkeää, että robotin käskykantaa voidaan käsiohjaimen kautta selata ilman erillistä ohjekirjaa. 49

50 Liikeratojen määrityksen nopeuttaminen: Kirjoittamalla uutta robottiohjelmaa päätteen avulla, kun käsivarsi suorittaa toista ohjelmaa Käyttämällä runsaasti suhteellisia asemia, jotka lasketaan muutamista käsivarrella opetetuista asemista Kirjoittamalla ohjelmat tekstitiedostoina erillisessä toimistotieto-koneessa ja siirtämällä ne robotin ohjausjärjestelmään Robotin käsivarren tulee tehdä mahdollisimman paljon tuottavaa työtä, siksi pitää liikeratojen määrityksen olla mahdollisimman nopeaa. Pelkästään ulkoisen tietokoneen käyttö ohjelmointiin ei riitä, koska niin robotin kuin työympäristön koordinaatistot ja 3D-mallit ovat epätarkkoja. Niissä voi olla jopa 5 cm:n virheitä riippuen työkalun ulottuvuuksista. Toinen ratkaisu on sovelluksen aistinjärjestelmät, jotka huomioivat todellisen maailman epätarkkuudet suunnittelujärjestelmän maailmanmalliin verrattuna. Tällöin voidaan koko ohjelmointiprosessi tehdä ulkoisessa tietokoneessa. Robottien ohjelmointikielet muistuttivat aluksi Basic-kieltä, johon oli lisätty käsivarren liikekäskyjä. Nykyään ne muistuttavat Pascal-kieltä, mutta globaalisella muuttujavälityksellä. Kaikki ohjelmoinnin rakenteelliset keinot ovat nykyään käytössä. Valitettavasti robotin ohjelmointikielissä on syntynyt vain japanilainen standardi. Jokaisella robottivalmistajalla on siis oma kielensä. Toimittajien vähentyessä ne alkavat tosin muistuttaa toisiaan. Robotti voi toteuttaa saman liikeradan toisellakin työkalulla, kunhan on tiedossa uuden työkalun ns. työkalukompensointi eli asento- ja paikkaero työkalulaipan ja uuden työkalu koordinaatiston origon välillä. Samoin herkkyys työkalun vääntymiselle törmäysten yhteydessä on pieni; koko liikerataa ei tarvitse ohjelmoida törmäyksen jälkeen uudestaan, vaan määritellään vääntyneelle työkalulle uusi työkalukompensointi (samoin työkalun kuluminen voidaan kompensoida). Useissa robotin ohjelmointikielissä on mahdollista ketjuttaa asemia. Sama tehtävä toteutetaan samalla ohjelmalla eri puolilla robotin työaluetta. Tyypillisen teollisuusrobotin peruskäskykanta: Liiketavan valinta eli lineaarinen, ympyrä tai nivelinterpolaatio Liikekäsky Liikekäsky suhteellisesti muunnettuun pisteeseen, mutta parametrina annetun aseman asennossa Liikeradan siirto kolmessa ulottuvuudessa Tehtäväkoordinaatiston siirto kuudessa vapausasteessa Etsintäliike eli pysähtyminen ulkoisen anturin tilan muuttuessa odotetusti Liikenopeuden ohjaus ulkoisella anturilla Ulkoisten antureiden avulla laskettujen korjausliikkeiden lisäys nimelliseen liikerataan Työkalukoordinaatistoliikkeet Lavaus säännöllisessä muodossa tai lavan purkaus vastaavasti Ehto, toisto -ja silmukkarakenteet 5

51 Binääristen ja analogisten signaaleiden luku ja kirjoitus Ulkoisiin järjestelmiin liittyviä käskyjä: Kuljettimella liikkuvan kappaleen seuraaminen pulssianturin avulla eli robotin liikkeiden kytkeminen kuljettimen liikkeeseen Näköjärjestelmän hyväksikäyttö kappaleen poimimisessa Liikeratojen korjausmahdollisuudet ulkoisten antureiden avulla, pyritään yleiseen aistinliitäntään ja palvelemaan aistimien tarpeita yhteisillä robotin liikkeisiin vaikuttavilla funktioilla Kaarihitsauslaitteen ohjaus ja vaaputuksen avulla toteutettu railon-seuranta Pistehitsausprosessin ohjaus Joidenkin robottien peruskäskykannassa on jopa 15 käskyä, kuten ABB:n roboteissa käytettävässä Rapid-kielessä. Robottien käskykannassa on usein myös ulkoisten järjestelmien käyttöä tukevia käskyjä, mahdollisimman yksinkertaisesti ohjelmoitavissa. Tehtävätason ohjelmointikieliä on myös luotu. Niiden kaupallinen hyväksikäyttö on jäänyt vähäiseksi tuotteistajien poistuttua markkinoilta. Kuva 3.2 ABB:n robottien S4C kontrolleri eli ohjauskaappi. 3.4 Etäohjelmointi (offline) Mallipohjainen ohjelmointijärjestelmä sijoittuu tuotekehityksen ja valmistuksen väliin. Mallipohjainen etäohjelmointi voidaan erottaa muista ohjelmointitekniikoista ja myös muista etäohjelmointitekniikoista seuraavan määritelmän mukaan: Robottien mallipohjainen ohjelmointi (offline) tarkoittaa: robotin ohjelmointia ilman tuotantorobottia, tuotannon ulkopuolisessa tietokoneessa käyttäen 3D graafista 51

52 käyttöliittymää ja robotin ja sen oheislaitteiden simulointimalleja sekä hyödyntäen valmistettavan tuotteen suunnittelun 3D-muototietoa. Kuva 3.3 Esimerkki Robotin 3D-offline ohjelmointinäkymästä. Kuva 3.4 Yleiskuva Lahden ammattikorkeakoulun Tekniikan laitoksen robottilaboratoriosta, joka on luotu ABB:n Robot Studio ohjelmistolla. Katso: 52

53 Automaattinen pisteiden generointi CAD/CAM tekniikan avulla: Kuva 3.5 Yleiskuva robottisoluista, jossa on kaksi erillistä PC-tietokonetta liitetty robottiohjaimeen. Kehittyneimmät mallipohjaiset järjestelmät tukevat eri CAD-suunnittelujärjestelmiä ja useita eri robottimerkkejä(esim. Delmian IGRIP). Katso: Ne pohjautuvat robottien ja oheislaitteiden simulointimalleihin sekä hyödyntävät tuotemallin muototietoa. Tällaiset järjestelmät ovat vastaavia, kuin CAD/CAM-ohjelmistot NC-koneille ja mahdollistavat ohjelmien verifioinnin (tarkastamisen) etukäteen. Mallipohjaiset ohjelmointijärjestelmät ovat työnsuunnittelun ohjelmistoja ja sijoittuvat tuotekehityksen ja valmistuksen väliin. Mallipohjainen ohjelmointi sopii kun... Tuotanto on asiakasohjautuvaa Pienet tuotantosarjat Tuotteiden elinkaaret ovat lyhyet Valmistusprosessi edellyttää robotilta suurta määrää paikoitus (opetus) pisteitä, kuten hitsaus, leikkaus, jäysteen poisto, kiillotus, hionta, maalaus, pinnoitus, työstö jne. Robotteja ei voi ohjelmoida tuotannossa esimerkiksi turvallisuusriskin takia: valimot, ampumatarviketeollisuus, ydinvoimalaitokset jne. Tuotesuunnittelu käyttää 3D CAD järjestelmiä Suunnittelu: Toisin kuin perinteisillä CAD-ohjelmistoilla mallipohjaisella ohjelmointijärjestelmällä voidaan testata uuden tuotteen valmistettavuutta simuloimalla. Tämä on tärkeää, kun halutaan tietää, soveltuuko olemassa oleva käsittely-, kiinnitys- ja muu oheislaitteisto sellaisenaan tuotteen valmistukseen vai tarvitaanko muutostöitä. 53

54 Perinteisesti oheislaitteiden suunnittelu keskeyttää robotin toiminnan ainakin testauksen ajaksi. Esimerkiksi uuden hitsausjigin soveltuvuus hitsattavan kappaleen kiinnittämiseen simuloidaan ilman, että valmistetaan kallis prototyyppi, jota sitten korjaillaan vaiheittain. Suunnittelua varten on mallipohjaisissa etäohjelmointiohjelmistoissa: * 3D CAD -moduuli * Kinemaattisten mekanismien suunnittelumoduuli * Robotti- ja oheislaitekirjastot * Layout-moduuli robottien ja oheislaitteiden sijoitteluun Rajapinnat muihin CAD-järjestelmiin ovat edellytys ohjelmoinnille. Mallipohjaisissa ohjelmointijärjestelmissä on liitynnät muihin CAD-ohjelmistoihin. Yleisimmin tapahtuu tuotteen geometrian siirto DXF-formaatissa ja edelleen IGES-ja/tai VDAFS-formaatissa. Laajimmat ohjelmistot sisältävät lisäksi mahdollisuuden siirtää geometriatietoa suoraan natiivitiedostoina, esimerkiksi CATIA, ProE, SDRC Ideas, Unigraphics ja Vertex. Robotti- ja oheislaitekirjastot: Ohjelmistossa on kirjasto valmiiksi mallinnettuja ja tuotannossa käytettyjä oheislaitteita. Uudet oheislaitteet, kuten kääntöpöydät, servoradat, kiinnittimet ja työkalut suunnitellaan muissa CAD-järjestelmissä tai mallinnetaan ohjelmiston omalla CAD-moduulilla. Geometriamallinnuksen jälkeen määritetään oheislaitteille niiden liike- ja kinemaattiset ominaisuudet (nopeudet, kiihtyvyydet, liikerajat, interpolointitapa jne.) valmistajilta saatujen tietojen perusteella. Valmiit oheislaitemallit tallennetaan tyyppikohtaisiksi kirjastoiksi; kiinnittimet, kääntöpöydät, servoradat, jne. omiin hakemistoihinsa. Robottien mallinnus on huomattavasti vaativampaa kuin muiden toimilaitteiden. Mallinnus vaatii tiivistä yhteistyötä robottivalmistajan kanssa. Robotin simulointi-malliin kuuluu tarkka kuvaus sen geometriasta, kinematiikasta ja ohjauksesta. Lisäksi kutakin robottimerkkiä varten suunnitellaan kääntäjä (translaattori), joka mahdollistaa yleiskielisten, etäohjelmointijärjestelmässä tehtyjen ohjelmien kääntämisen robottimerkkikohtaiselle kielelle. Ohjelmiston mukana seuraa valmiskirjasto eri robottimerkkejä ja -tyyppejä sekä lisäksi kääntäjät kutakin merkkiä varten. Robottikirjastossa olevat eri valmistajien robottien simulointimallit vastaavat kinematiikaltaan ja ohjaukseltaan vastaavia teollisuusrobotteja. Laajimmissa ohjelmistoissa voi olla yli 4 eri robottityyppiä yli 5 eri valmistajalta sekä kääntäjät yleisimpien robottimerkkien ohjelmointikielille. Layout-suunnittelu: Robottisolun simulointimalli tehdään käyttäen hyväksi etäohjelmointijärjestelmän mallinnusja simulointiominaisuuksia. Ominaisuuksiltaan ohjelmistot ovatkin samalla kertaa suunnitteluohjelmistoja robottisolun suunnitteluun ja etäohjelmointiohjelmistoja (Robot Studio). 54

55 Muototieto: Mallipohjainen ohjelmointijärjestelmä osaa yhdistää robotin työkalupisteen koordinaatiston tuotteen geometriaa rajoittaviin ja kuvaaviin muotoihin: Koordinaatti, kuten kulmapiste, Sivu (yksiulotteinen), Kaksiulotteiset tasot, Mallia rajoittavat käyrät (spline) ja kaksoiskaarevat matemaattiset pinnat Nämä muodot sisältävät sellaista tietoa, muototietoa, jota hyödyntäen ohjelmointijärjestelmään voidaan tehdä ohjelmointia nopeuttavia ja helpottavia toimintoja. Ohjelmointijärjestelmissä on valmiina toimintoja, jotka luovat koordinaatteja, paikoituspisteitä, automaattisesti geometriaa rajoittaviin muotoihin. Asetuksissa voidaan määrittää tapa, jolla paikoituspisteiden halutaan sijoittuvan ratakäyrälle. Ohjelma generoi paikoituspisteet radalle esimerkiksi tasavälein tai pistetiheyttä muutellen ratakäyrän jyrkkyyden mukaan. Mallipohjainen ohjelmointi mahdollistaa robotin ratapisteiden tallentamisen suhteessa työkappaleeseen. Tällä on suuri merkitys, jos robottisolun layout muuttuu. Ohjelmia ei tarvitse kirjoittaa uudelleen; kaikki koordinaatistomuutokset otetaan huomioon automaattisesti. Ohjelmointi: Mallipohjainen ohjelmointi perustuu robotin paikoituspisteisiin, kuten opettamalla ohjelmointikin. Paikoituspisteet luodaan kuitenkin ohjelman kirjoituksesta erillisenä tapahtumana ennen ohjelmointia. Pisteiden luomisessa hyödynnetään ohjelmoinnin kohteena olevan tuotteen CAD-muototietoa. Ennen kuin ohjelmointi voi alkaa, on robottisolusta tehty simulointimalli, joka on kalibroitu vastaamaan todellista robottisolua (geometriset virheet on mitattu ja analysoitu sekä mittapoikkeamat kompensoitu) sekä on varmistettu yhteydet tuotesuunnitteluun ja valmistukseen. Tuotemallin sisään latauksessa hakee etäohjelmoija tuotemallin hakemistosta, johon se on CAD-järjestelmässä tallennettu. Mallipohjaisen ohjelmoinnin päätyövaiheet: 1.Uuden tuotemallin sisään luku etäohjelmointijärjestelmään ja tuotemallin sijoitus simulointisoluun 2. Yleiskielinen tai robottimerkkikohtainen ohjelmointi - Paikoituspisteiden generointi -Ohjelmakäskyjen kirjoitus sisältäen paikoitus-, ehto-, I/O- ja muut käskyt (mm. hitsauskäskyt) 3. Ohjelmien verifiointi (tarkastus) simuloimalla 4. Ohjelman käännös (jos yleiskielinen) merkkikohtaiselle kielelle 5. Valmiin ohjelman siirto tuotantoon 55

56 4. ROBOTTITARRAIMET, TYÖKALUT JA AISTINJÄRJESTELMÄT (Teollisuusrobotiikka) 4.1 Tarraimet ja työkalut Robotin työkalulla tarkoitetaan sitä mekaanista osaa, jota robotti siirtää asemasta toiseen. Työkaluista tavallisin on tarrain. Toinen ryhmä on johonkin prosessiin osallistuvat työkalut, mm. hitsauspistooli, maalausruisku tai liimasuutin. Robottisovelluksessa tarraimen suunnittelu on yksi järjestelmäsuunnittelun välttämättömimpiä osia. Tarttujien suunnittelussa on otettava huomioon: soveltuvuus osaperheen eri kappaleille keveys tartuntavoimien suuruus ja muodonmuutokset voimien välitys (paineilma, hydrauliikka, magnetismi) tilavaatimukset aseteltavuus eri kappaleille Tarttujat kannattaa suunnitella ja valmistaa itse tai tiiviissä yhteistyössä laitteistotoimittajan kanssa. Oman tuotantohenkilöstön prosessin ja työmenetelmien tuntemus on tärkeää, kun rakennetaan häiriöttömän tuotannon takaavia tarraimia. Hyvänkin ulkopuolisen suunnittelutoimiston tai robottitoimittajan on vaikea tietää esimerkiksi tuotannon ympäristöolosuhteiden tuomia erityisvaatimuksia. Esimerkkinä on levypuristimien panostaminen robotilla. Ohuet levyt liimautuvat toisiinsa öljyn ja rasvan vuoksi tiiviisti ja kappaleiden panostaminen yksi kerrallaan työstökoneeseen ei normaalilla magneettisella tai alipainetarraimella onnistu. Vasta manuaalista työvaihetta jäljittelevä, poimittavaa levyä korttipakan tavoin reunasta taivuttava alipainetarrain osoittautui toimivaksi ja luotettavaksi. Suunnitteluniksi, joka ulkopuoliselta ja prosessiin vihkiytymättömältä tarttujan valmistajalta jäi prototyypin toimituksessa huomaamatta. Tarttujan soveltuvuus samanaikaisesti osaperheen erikokoisille ja muodoiltaan poikkeaville tuotteille vaatii jo mekatronisen laitteen, jossa käytetään servotekniikkaa. Tarttujan tulee olla mahdollisimman kevyt, jotta robotin rajallinen kuorman käsittelykyky ei hupene pelkän tarttujan liikutteluun, vaan robotilla on voitava siirtää myös suuria hyötykuormia. Tarttujien materiaaliksi kannattaa valita lujia ja keveitä alumiiniseoksia sekä erilaisia kuituvahvisteisia muoveja. Tarraimet: Tarraimen suunnittelussa ja valinnassa on tunnettava mahdolliset tarraintyypit ja tartuntatavat. Tarraimet voidaan jakaa seuraavanlaisiin ryhmiin: Avautuvat ja sulkeutuvat tarraimet tarttuvan liikkeen mukaan; usein tartutaan eri kappaleisiin ulko- tai sisäpuolisella otteella Kiertyväsormiset ja rinnakkain suoraviivaisesti liikkuvilla sormilla varustetut tarraimet 56

57 Pneumaattiset, hydrauliset tai sähköiset tarraimet toimilaitteen tyypin mukaan Liikkuvien sormien lukumäärän mukaan, kaksi-, kolmi- ja useampisormiset tarraimet Jäykät ja joustavat tarraimet Kappalekohtaiset tai yleistarraimet sen kappalemäärän mukaan, johon tarraimella voidaan tarttua. "Mihin tahansa tarttuvaa tarrainta" ei ole. Keskittävät tarraimet, jotka siirtävät kappaletta otetta muodostettaessaan vakioasemaan Magneettiset tarraimet Alipainetarraimet Sisäisesti laajenevat tarraimet Yksittäinen, kaksois- tai revolveritarrain (monitarrain) sen mukaan, kuinka monta sormiryhmää tarraimessa on Älykkäät anturoidut tarraimet, esimerkiksi servotarraimilla sormet saadaan ohjattua mielivaltaiseen avautumaan eli sormien väliseen etäisyyteen; yksittäisellä sormella voi olla oma servotoimilaite Erikoistarraimet Mekaaniset tarraimet: Sormien liikkeet voidaan tuottaa erilaisilla mekanismeilla. Mekaanisten tarraimien kinemaattiset rakenteet: Nivelmekanismit Hammaspyörä ja hammastanko Epäkesko Ruuvi Vaijeriväkipyörä, myös muita on Kuva 4.1 Periaatekuvia erilaisista mekaanisista tarttujarakenteista. Oikealla puolella olevassa kuvassa sormien liike ei ole lineaarinen, vaan sormet kiertyvät nivelpisteen ympäri. Vipumekanismi voi olla myös sisäpuolinen, jolloin mekanismin koko pienenee. Muotoilemalla sormien kynnet V- prismaattisiksi saadaan sylinterimäisille kappaleille keskitys. 57

58 Kuva 4.2 Valmiita kaupallisia mekaanisia tarttujia. Imu- eli tyhjiötartunnat: Alipaineeseen perustuvia tartuntaelimiä käytetään sovelluksissa, joissa mekaanisen tarraimen käyttö on hankalaa. Imutartunnassa työkappaleeseen tartutaan yleensä vain yhdeltä suunnalta. Kurviset tai muoviset imukupit eivät helposti naarmuta nostopintaa. Tartuntavoiman lisäys suurille kappaleille onnistuu lisäämällä imukuppeja. Usean imukupin järjestelmässä on turvallisuustekijänä huomattava, että yhdenkin imukupin irtoaminen aiheuttaa alipaineen häviämisen, mikä johtaa kappaleen irtoamiseen, ellei käytetä varolaitteita. Imukupit vaativat yleensä riittävän tasaisen, sileän, puhtaan ja tiiviin pinnan. Imuvoima on paine-eron ja imupinta-alan tulo. Tarraimeen ei saa syntyä suuria, tarrainta vastaan kohtisuoria sivuttaisvoimia, sillä tarraimen synnyttämä sivuttais-liikettä vastustava voima riippuu tarraimen ja kappaleen välisestä kitkakertoimesta. Tartunta kannattaa toteuttaa keskeisesti, kappaleen painopisteen kohdalle. Imukuppien materiaalien valinnoilla voidaan vähentää käsiteltävien kappaleiden lämpötilan aiheuttamaa ongelmaa. Alipaineen muodostamiseen käytetään kahta päätapaa: ejektoria tai erillistä alipainepumppua. Imukupin etuna on, että rakenne on yksinkertainen ja yleensä luotettava, sillä siinä on vähän liikkuvia osia. Varjopuolina ovat vaara- ja virhetilanteet, jos alipaine äkillisesti katoaa. Imukuppi ei myöskään keskitä kappaletta. 58

59 Kuva 4.3 Esimerkkejä alipainetarttujiin soveltuvista imukupeista. Kuva 4.4 Nykyaikainen solukumista tehty alipainetarttuja (Unigripper) Magneettitarrain: Magneettitarraimia voidaan käyttää vain magneettisille aineille. Magneetin nostovoima riippuu kappaleen materiaalista, muodosta, pinnanlaadusta, ilmaraosta ja magneetin lämpötilasta. Vaatimuksena työkappaleille on riittävän suuri tasainen tartunta-alue, sillä magneettikenttä heikkenee nopeasti ilmaraon kasvaessa. Tartunta on nopeaa, mutta jäännösmagnetismi hidastaa irrotusta. Kestomagneetilla tarvitaan irrotuslaite. Sähkömagneetilla voidaan kääntää magneettikentän suuntaa, jolloin irrotus nopeutuu. Sähkömagneetti lämpenee käytössä, joten työkierto on suunniteltava siten, että lämpötila ei nouse liikaa. Kuva 4.5 Magneettitarraimen yleiskuva. 59

60 Erikoistarraimet: Erikoistarraimet perustuvat esimerkiksi tartuntaelimen laajentumiseen tai mukautumiseen tartuttavan kappaleen ympärille. Katso linkki: Kuva 4.6 Keskittävä tarrain (RCC eli remote center compliance). Robottien valmistajat lisäävät usein tuotevalikoimiinsa erilaisia standardi-tarraimia tai niiden komponentteja, joista soveltaja voi helposti koota ja muokata haluamansa tarraimen. Markkinoilta löytyy myös robottitarraimien valmistajia. Yleensä tarrain joudutaan rakentamaan kuitenkin sovelluskohtaisesti, yksinkertaisimmillaan muotoilemalla vakiotarraimeen uudet tartuntapinnat. Tarraimen suunnittelun ja valinnan lähtökohtia: Tarraimen suunnittelu on robottijärjestelmän suunnittelun yksi tärkeimmistä vaiheista, jonka kaksi nyrkkisääntöä ovat: 1. Älä yritä matkia ihmisen toimintoja 2. Mieti kokonaisuutta. Robotilla ei ole ihmisen monipuolista aistijärjestelmää, eikä robottia ja ihmistä voi verrata työtehtävissä. Tarraimia ja työkaluja suunniteltaessa on katsottava koko automatisointitehtävää kokonaisuutena, jossa tarraimen tai työkalun suunnittelu on vain pieni mutta tärkeä osa. Yleisiä toivomuksia ovat yksinkertainen rakenne, pieni koko ja paino, luotettava tartunta, tartuttavien kappaleiden keskitys ja perustilassa kiinni oleva tarrain. Tärkeimmät asiat luotettavan toiminnan kannalta ovat robotin hyötykuorma, tartuntamenetelmä, toleranssianalyysi, tarraimen luokse päästävyys ja kunnossapitonäkökohdat. On huomattava, että tarrain ja siirrettävät kappaleet muodostavat yhdessä robotin kuorman eli painava tarrain pienentää hyötykuormaa. 6

61 Työkalun vaihtojärjestelmät: Mahdollistavat työkalujen ja tarraimien automaattisen vaihdon. Erikseen hankitaan yksi ns. robottipään osa ja tarpeen mukaan eri määrä työkalun päitä. Yleensä nämä työkalujärjestelmät mahdollistavat myös sähkö- ja ilmaliitäntöjen automaattisen kytkennän. Laadukkaimmat ja samalla kalliimmat järjestelmät ovat varustettuja ns. liukurenkailla (ilma- ja sähkökytkennät), tällöin johdot ja letkut eivät pyöri robotin liikkuessa. Katso linkki: Kuva 4.7 Kuvassa ylhäällä on ns. robottipää ja alhaalla työkaluun kiinnitettävä osa. Anturoitu älykästarrain: Tarrain voidaan myös varustaa omalla ohjauksella, jotta se kykenee mukautumaan ympäristön tai prosessin muutoksiin vastaanottamalla, käsittelemällä ja lähettämällä edelleen tietoa omasta toiminnasta, ympäristöstä sekä muilta laitteilta. Älykkäällä toiminnalla voidaan estää tuotantokatkoksia, sillä tarraimen välittämän tiedon perusteella tunnistetaan virhetilanteet ja selvitetään ne. Tarraimen ja robottijärjestelmän suunnittelu vaatii usean tekniikan alan osaamista. Anturoidun tarraimen suunnittelun kannalta keskeisiä osa-alueita ovat tarrainmekaniikka, toimilaitteet, anturit ja ohjausjärjestelmät. Anturien integroiminen tarraimeen ja anturiviestin välitys ohjausyksikköön ovat älykkään toiminnan kannalta hyvin tärkeitä. Tarvittavien ohjaus- ja mittausmenetelmien on oltava tiedossa jo mahdollisimman varhaisessa suunnitteluvaiheessa. Antureiden sijoitus, dimensiot, tehonsyöttö, kaapelointi ja suojaus on muistettava kaikissa suunnittelun vaiheissa. Älykkäässä tarraimessa toimilaitetta, mekanismia, työkappaletta ja ympäristöä valvotaan aistimin. Toimilaitteen ja mekanismin asentoa sekä nopeutta mittaamalla saadaan takaisinkytkentätietoa tarraimen sisäisestä tilasta. Ulkoista tilatietoa käytetään ohjamaan tarraimen ja koko robottijärjestelmän toimintaa. Mekatroniselle tuotteelle on ominaista elektroniikan ja ohjelmiston kiinteä liittyminen mekaaniseen rakenteeseen. Näitä toimintoja, ohjausta ja mekaniikkaa on vaikea suunnitella 61

62 onnistuneesti erillään. Tarraimen älykkyys asettaakin lisävaatimuksia suunnittelulle. Järjestelmällisestä lähestymistavasta on hyötyä myös turvallisuus- ja luotettavuussuunnittelussa. Tarraimen ohjaimena voi toimia robotin ohjausjärjestelmä, tarraimella voi olla erillinen ohjain tai tarrainta voi ohjata solun keskustietokone suoraan. Antureiden välittämän tiedon kasvaessa ja monipuolistuessa vaaditaan myös ohjaukselta enemmän. Tarraimen antureilta kerättyä tietoa käytetään tarraimen ja robotin ohjaamiseen. Robottijärjestelmän tilaa valvotaan myös muilla antureilla. Valittu anturiratkaisu vaikuttaa tarraimen ohjauksen suunnitteluun. Tarraimen anturointitarve muuttuu tehtävän vaativuuden mukana. Kehittyneet anturit vaativat enemmän signaalien käsittelykykyä. Älykkään tarraimen toiminnot: Anturien luku ja signaalien käsittely Tarraimen toiminnan ohjaus Kommunikointi robotin kanssa Kommunikointi ympäristön kanssa Kuva 4.8 Kuvassa FANUC robotteihin tarkoitetun voimaohjauksen sovellusmahdollisuuksia. Robotissa käytettävät muut työkalut: Työstävien työkalujen kanssa (esim. hionta, tasoitus ja jäysteenpoisto) kappaleiden muotopoikkeamien aiheuttamaa epätarkkuuden ongelmaa on usein pienennetty joustavien työkalujen avulla. Työkalu joustaa, kun epätarkkuudet aiheuttavat työkalulle voimia. Joustavuuden ollessa sopivasti suunnattu robotin ja ympäristön välinen epätarkkuus ei aiheuta prosessissa ongelmia, vaan joustavuutta käytetään jopa hyväksi jäljen tasoittamiseksi ja robotin anturiohjauksen viiveiden vaikutusten poistamiseksi. Menetelmien käyttökelpoisuutta parantaa niiden edullisuus. Oikeanlainen joustavuus ja anturointi on suunniteltava jokaiselle työkalulle ja työkappaleelle erikseen. 62

63 Tavallisia prosessityökaluja: Kaari- ja pistehitsauspäät Ruiskumaalaus-, liimaus- ja saumasuutin Jyrsin tai hiomalaite Polttoleikkain Valukauha Ruuvaustyökalu tai niittauslaite Kuva 4.8 Paineilmamoottorilla varustettuja hiomalaitteita ja kaarihitsaukseen tarkoitettu robotti 4.2 Aistinjärjestelmät Konenäköjärjestelmät ovat kameratekniikalla ja tietokoneohjelmistoilla toteutettua hahmon ja kappaleentunnistusta. Konenäköjärjestelmien mahdollisuudet ja hyödyt on tunnettu robotiikan ja tuotantoautomaation sovelluksissa jo pitkään. Ensimmäiset erittäin yksinkertaiset näköjärjestelmät tulivat robotiikkaan 8-luvulla. Sovellukset liittyivät lähinnä kappaleen asennon tunnistamiseen. Suurimman esteen konenäkösovellusten soveltamiselle asetti tietokoneiden liian pieni laskentakapasiteetti. Konenäköön liittyvät laskentatehtävät ovat raskaita, ja tarvittava kapasiteetti saavutettiin vain erikoiskomponenteilla, jolloin järjestelmän kokonaishinta nousi kohtuuttomaksi. Vasta huima kehitys tietokoneiden laskentatehoissa on mahdollistanut edullisten konenäköjärjestelmien toteuttamisen. Nykyisin konenäkösovellukset ovat yleisiä ennen kaikkea tuotteiden nopeissa poimintasovelluksissa. Karkeasti näköjärjestelmän tehtävät robottisovelluksissa voidaan jakaa kolmeen ryhmään: Kappaleen tai kohteen sijainnin määrittäminen eli translaation (x, y z) ja orientaation (Roll, Pitch, Yaw) mittaus käsiteltävästä kohteesta. Luokittelu eli kohteen tunnistus tai luokittelu laadun, muodon, värin, tunnisteiden, koon tai kohteessa sijaitsevan tekstin perusteella. Kohteen mittaus robotin liikeohjelman muokkaamiseksi tai luomiseksi. 63

64 Kuva 4.9 Tyypillisiä robottisovelluksia, joissa on hyödynnetty konenäköjärjestelmää Näköjärjestelmän komponentit: Laskentayksikkö Nykyisissä sovelluksissa käytetään järjestelmän keskusyksikkönä poikkeuksetta erillistä tietokonetta tai monipuolista sulautettua koneohjainta kuten Omron NJ5 koneohjainta. Näköjärjestelmäkortti Kameraliitäntää ja kuvanottoa varten mikrotietokoneeseen on liitettävä kuvankaappaus- tai kuvankäsittelykortti. Kortti liitetään esim. PC:n PCI- tai PCI-e - väylään. Normaalisti voidaan käyttää kuvankaappauskorttia, jonka avulla CCD -kameralta saatu kuva siirretään mikrotietokoneen muistiin. Vaativimmissa sovelluksissa (nopeusvaatimus suuri, paljon kuvan käsittelyä, tms.) käytetään kuvankäsittelykorttia, jossa kuvanoton lisäksi myös käsitellään kuva-aineistoa tähän tarkoitukseen suunnitellun elektroniikan avulla. Nykyaikaiset ja kehittyneet konenäkölaitteet ovat integroitua, jolloin on vain ns. kontrolleri, joka pitää sisällään laskenta/analyysiyksikön, näköjärjestelmäkortin ja muut oheislaitteet sekä lisäksi luonnollisesti tarvitaan kamera optiikkoineen. Kamerat Kohteesta otetaan kuva CCD - matriisikameralla. Yhteen kuvankäsittelykorttiin voidaan yleensä liittää 1-4 kameraa. Normaalin CCD - kameran kuvaelementissä on 752x582 pikseliä. Sovelluksiin voi riittää vain mustavalkokamera, joka pystyy havainnoimaan 256 eri harmaatasoa. Sovelluksissa, joissa vaaditaan värin tunnistamista, käytetään värikameroita. Kameraan liitetään objektiivi, jonka valintaan vaikuttaa esim. haluttu kuvausalue, kameran etäisyys kohteesta ja valaistus. Näköjärjestelmissä käytetään myös viivakameroita, joissa kuvaelementit (125:stä aina 1 :een) ovat nimensä mukaisesti "jonossa". Viivakamerat soveltuvat erinomaisesti reunan tai profiilin mittaukseen. Mikäli kuvaustapahtumaan yhdistetään liike joko kohdetta tai kameraa siirtämällä, saadaan matriisikameran kuvan kaltainen kuvamatriisi. 64

65 Valaistus Valaistuksen suunnittelu ja hyvä toteutus on erittäin tärkeä osa luotettavasti toimivaa näköjärjestelmää. Perussääntönä voidaan sanoa, että valaistuksen merkitys näköjärjestelmässä on 5 %. Valaistuksen tulee olla pääsääntöisesti riittävää ja tasaista, ja kattaa koko kuvausalue. Muuttuvien varjojen ja päivänvalon pääseminen kohteeseen on syytä estää. Valaistus toteutetaan loisteputkilla tai erityistapauksissa konenäön yhteyteen suunnitelluilla valaisimilla. Myös lasereita voidaan käyttää joissakin sovelluksissa. Muut komponentit Näköjärjestelmiin voidaan liittää vielä ulkoisia antureita esim. kuvausajankohdan määrittämiseksi (valokennot, induktiiviset anturit). Mikrotietokoneeseen voidaan asentaa erilaisia liitäntäkortteja järjestelmän liittämiseksi toimilaitteisiin (esim. digitaaliset / analogiset I/O-kortit). Ohjelmistot Näköjärjestelmän kaikkein merkittävimmän osan muodostavat ohjelmistot. Kuvankaappauskorttien ominaisuuksia arvioitaessa puhutaan itse asiassa usein kuvankäsittelykirjaston ominaisuuksista. Kaikki kuvankäsittelykorttien valmistajat toimittavat korttien mukana omat työkalukirjastot, jotka tarjoavat funktiot kuvan otolle ja siirrolle tietokoneen muistiin sekä monipuoliset toiminnot kuvan jatkokäsittelylle ja analysoinnille. Kuvankäsittelyyn tarkoitetut kirjastot toimitetaan joko omaan sovellukseen liitettävinä kirjastoina (DLL-kirjastot tai OCX - komponentit) tai omana kehitysympäristönään. Kuvankäsittelyn kirjastojen toimintoja: Suodatukset piirteiden erottelemiseksi ja kuvan kohinan vähentämiseksi Binärisointi Blob -analyysi (yhtenäisen alueen etsintä binärisoidusta kuvasta) Mallin etsintä (opetetun mallin etsintä) Reunan etsintä Kuva 4.1 Vasemmalla perinteisen konenäköjärjestelmän komponentteja ja oikealla nykyaikainen 3D konenäkölaitteisto 65

66 5. ROBOTISOINNIN PERUSTEET JA ROBOTTISOVELLUTUKSET (Teollisuusrobotiikka) 5.1 Yleistä Miksi robotti? tarve rationalisoida raskaita työtehtäviä ja kappaleensiirtoja tarve parantaa tuotteiden laatua halu siirtyä miehittämättömien tuotantojaksojen käyttöön tarve saada omakohtaista tietoa robottien soveltuvuudesta omaan tuotantoon robotisoinnit ovat keino opettaa uutta rationalisointitekniikkaa yrityksen henkilöstölle turvallisuutta vaarantavien työtehtävien poistamisen tarve halu nostaa yrityksen imagoa uuden teknologian soveltajana pelko kilpailijoiden mahdollisesti saavuttamasta tuotantoteknisestä etumatkasta asiakkaan vaatimusten myötäileminen alihankintayrityksissä tarve tuottavuuden ja kilpailukyvyn lisäämiseen ammattitaitoisten työntekijöiden puute avainaloilla (esim. hitsaus) raskaiden työtehtävien rationalisointi ja eliminointi on yksi tärkeimmistä robotisointien perusteista monissa yrityksissä terveydelle vaaralliset työt ja työnvaiheet, jotka esimerkiksi aiheuttavat nivelvaurioita rasitusvammoina, on pakko automatisoida, robotit soveltuvat erinomaisesti käsityön korvaajiksi kalliit tuotantoinvestoinnit edellyttävät koneiden käyttöä myös taukojen ja elpymisaikojen aikana sekä iltaisin, öisin ja viikonloppuisin miehittämättömien tuotantojaksojen käyttö on ollut monessa yrityksessä robotisointi investoinnin tavoite. Robotisointi on investointi, jonka kannattavuus on selvitettävä kustannus- ja investointilaskelmilla. Työvoimakulujen nousu tekee robotisoinnista yhä useammin kannattavan investointikohteen. 66

67 Projektikustannukset Kun robotteja hankitaan, kannattaa pitää mielessä, että yksittäisen robotin hinta suuressa järjestelmässä on suhteellisen pieni. Tuotantolaitteiden, kuljettimien ja muiden varusteiden sekä ohjelmistojen ja suunnittelun kustannukset saattavat olla huomattavasti suuremmat. Kustannuslaskentaa voidaan helpottaa ostamalla robottivalmistajalta järjestelmän kokonaistoimitus. Näin saadaan selville järjestelmästä koituvat kustannukset pois lukien omasta työstä syntyvät kustannukset. Lisäksi vastuu saadaan sysätyksi toimittajalle. Kustannukset voidaan jakaa investointivaiheen kustannuksiin ja käytön aiheuttamiin kustannuksiin. Investointivaiheen kustannuksia aiheuttavia tekijöitä ovat laitteistoja suunnittelutekijät. Laitteistokustannuksiin kuuluu laitteiden lisäksi ohjelmistot ja robotteihin tehtävät ohjelmistomuutokset. Investointivaiheen kustannuksiin voidaan laskea lisäksi henkilökunnan koulutus sekä laitteiston asennus ja käyttöönotto. On tärkeää huomioida, että heti käyttöoton jälkeen ei välttämättä päästä edes entiseen tuotantonopeuteen, vaan järjestelmän täydellinen käyttöotto voi viedä jopa kuukausia. Käyttövaiheen alussa kustannuksia tuovat mm. laitteiden kuluminen ja rikkoontuminen. Lisäksi tärkeää on tehdä tarkat huoltolaskelmat ja pohtia, ulkoistetaanko huolto vai koulutetaanko omaa huoltoväkeä. Robotisointi tuo myös tietenkin säästöjä, eihän sitä muuten kukaan tekisi. Robotteja käyttämällä voidaan henkilökuntaa vapauttaa muihin tehtäviin yrityksen sisällä, joten palkkakustannukset voivat pienentyä. Lisäksi voidaan käyttää miehittämättömiä tai vajaamiehitettyjä vuoroja ja kapasiteettia voidaan nostaa. Tuotannon määrän kasvun lisäksi myös laatu paranee ja hylkykappaleiden osuus vähenee. 67

68 5.2 Yleisimmät robotisointikohteet Panostus Työstökoneiden panostustehtäviin on kehitetty sekä teollisuusrobottisovellutuksia että konekohtaisia erikoisrobotteja. Tavallisesti robottiohjain ohjaa koko järjestelmän toimintaa, järjestelmään voidaan myös kytkeä erillinen logiikkaohjaus robotin ja työstökoneen toimintaa synkronoimaan. Portaalirobotit ovat yleistyneet työstökoneiden yhteydessä. Portaalikäsittelijällä voidaan panostaa työstökoneeseen työkappaleet. Samalla robotilla voidaan tarttujan vaihdon jälkeen ladata koneen työkalurevolveriin vara- ja vaihtotyökalut. Moderneimmissa koneissa voidaan myös kiinnitysistukat ja istukoiden leuat vaihtaa automaattisesti portaalipanostajalla. Työstökoneiden panostuksessa ja työkalun vaihdossa käytetään yleisesti myös teollisuusrobotteja. Erillisen teollisuusrobotin liittäminen työstökoneeseen tarjoaa suuremman joustavuuden laitevalintojen osalta. Robotti voidaan hankkia eri toimittajalta kuin työstökone. Joustavuudesta joudutaan kuitenkin usein maksamaan eri toimittajilta tulevien komponenttien sovitustyöhön uhrattu työpanos. Kuva 5.1 Portaalirobotilla varustettu NC-sorvi, jossa automaattinen kappaleenvaihto, työkalujen vaihto, sorvin leukojen vaihto ja robotin tarttujan vaihto. Työstökoneeseen kiinteästi liitetyt robottikäsivarret olivat ensimmäisiä kappaleenkäsittelyyn tarkoitettuja automaattilaitteita. Niiden kohdalla on usein jopa liioiteltua puhua roboteista, koska niiden toiminnot ja ohjelmointi vastaavat pitkälle perinteisten manipulaattoreiden toimintatapaa. Yksinkertaisissa panostustehtävissä nämä tarttujakäsivarret ovat tehokkaita ja varmatoimisia. Tämän tyyppiset panostajat voidaan moderneihin työstökoneisiin hankkia työstökoneen valmistajalta lisäoptiona. 68

69 Kuva 5.2 Teollisuusrobotilla (tässä esim. harvinaisempi sylinterirobotti) voidaan hoitaa työstökoneen kappaleiden panostus että työkalujen ja kiinnittimien vaihdot. Lavaus Robotteja käytetään paljon erilaisissa lavaustehtävissä. Robotti liitettynä nousevaan ja laskevaan saksipöytään, joka voi lisäksi olla tasossa indeksoitavissa, soveltuu monien tuotantolaitteiden kappaleiden käsittelyyn. Usein tässä yhteydessä puhutaan ns. pick and place -roboteista. Robottien tarkkuudelle ja liikkeiden vapausasteille ei aseteta suuria vaatimuksia. Useissa tapauksissa logiikkaohjatut manipulaattorit hoitavat lavaustehtävät yhtä tehokkaasti kuin robotit. Lavaustehtävien ja lavattavien kappaleiden vaihdellessa kannattaa ottaa käyttöön ohjelmoitavat robotit ja nykyään myös niiden yhteyteen tarkoitetut sovellusohjelmistot. Kuva 5.3 Orimattilassa toimivan ORFER Oy:n toimittama valmis lavaussolu. 69

70 Onnistuneen lavauksen edellytyksenä on robotin tarttujien suunnittelu mahdollisimman joustaviksi, jotta erilaisten kappaleiden käsittelyssä selvitään ohjelman vaihdolla ilman aikaa vievää tarttujien vaihtoa tai asettamista. Robotti on lavaustehtävissä joustava tuotantoväline myös siinä mielessä, että se on tarvittaessa siirrettävissä täysin uuden tyyppisiin tehtäviin. Monipuolista lavausrobottia voidaan käyttää myös muihin kappaleen käsittelysovellutuksiin, kun taas jäykkätoimisten manipulaattorien käyttö muihin tehtäviin on hankalaa, jopa usein täysin mahdotonta. Hankintahinnaltaan robotisoitu lavaussovellutus on manipulaattoriratkaisua kalliimpi. Investointia tehtäessä täytyy tarkasti laskea ja arvioida kuinka paljon robotin suuremmasta joustavuudesta ollaan valmiit maksamaan. Lavaussovellutuksissa oheislaitesuunnittelu on onnistuneen ratkaisun tärkeä osa. Kuljetusalustojen suunnittelu sellaisiksi, että kappaleiden muotoja käytetään hyväksi niiden asemoimisessa tiettyyn koordinaatiston kohtaan, nopeuttaa ja helpottaa robottien ohjelmointia. Yksinkertaiset mekaaniset asemointiratkaisut tehostavat ratkaisevasti robotisointeja. Kappaleiden siirrot Kappaleiden siirtoja on kaikissa robotisoiduissa kappaleenkäsittelysovellutuksissa. Siirtotehtävissä robotteja käytetään usein korvaamaan aikaisemmin kuljettimilla tai laatikkokuljetuksina tapahtuneita tuotantolaitteiden tai -koneiden välisiä puolivalmisteiden siirtoja. Robottisovellutuksissa on tärkeää ajatella tuotantoprosessia kokonaisuutena, jolloin esimerkiksi kappaleiden järjestyksen säilymisellä läpi koko tuotantoprosessin on suuri merkitys robotteja käytettäessä. Kappaleiden orientaation säilyttäminen on toimivan robotisoinnin kannalta ehdoton edellytys, joskin orientaation säilyttäminen robotisoiduissa siirtosovellutuksissa on helppoa ja sillä voidaan tuotantolaitteiden syöttövirheitä vähentää. Hionta, kiilloitus ja jäysteenpoisto Robottien käyttö korvaamaan ihmisiä raskaissa ja kuluttavissa käsityövaiheissa on pitkään ollut yksi kappaleenkäsittelysovellutus. Tällöin työkappale kiinnitetään robotin kouraan ja robotilla matkitaan ihmisen käsivarsi- ja ranneliikkeitä. Robotti toistaa ohjelmoidut liikkeet tarkasti ja väsymättömästi, mutta valitettavan tyhmästi. Takaisinkytkentätiedon saaminen työprosessista on melkoinen pullonkaula toimivissa hionta- kiillotus ja jäysteenpoisto sovellutuksissa. Vaikka roboteissa nykyään aikaa jo olla valmiudet ulkopuolisen anturitiedon käsittelyä varten, on vaikeutena prosessiparametrien muutoksia indikoivien seuranta-anturien puute sekä usein myös puutteelliset tiedot itse prosessiparametreista. Aivan viime aikoina on markkinoille tulleet ensimmäiset voimaohjausmahdollisuudet. Robottia voidaan myös käyttää kappaleiden viimeistelyssä siten, että kevyet käsityökalut kiinnitetään robotin kouraan ja viimeisteltävät kappaleet asetetaan kiinnittimiin. Robotilta vaaditaan monipuoliset liikemahdollisuudet, jotta vaikeatkin kappaleet voidaan viimeistellä tarkasti. 7

71 Kokoonpanon aputoiminnot Automatisoidussa kokoonpanossa robotteja käytetään osien liittämisen ja sovittamisen lisäksi myös erilaisiin kappaleen käsittelytehtäviin. Kokoonpantavat osat siirretään kuljettimilta tai kuormalavoilta kokoonpanorobotin ulottuville ja valmiit tuotteet nostetaan poiskuljetusta varten ulos kokoonpanopaikalta. Kiinnittimien ja työkalujen vaihtoa kokoonpanosoluissa voidaan rationalisoida roboteilla. Hitsaus (piste- ja kaarihitsaus) Hitsauksen robotisoinnit ovat metalliteollisuutemme yleisimpiä robottien käyttökohteita. Yleisimpiä hitsauksen robotisointisovelluksia ovat piste- ja kaasukaarihitsaus. Hitsaus on raskasta ja syntyvien metallihuurujen ja savukaasujen johdosta terveydelle ongelmallista. Hitsien laatuvaatimukset koneenrakennuksessa ovat tiukentuneet viime vuosina. Hitsauksen mekanisointi ja automatisointi on tuottavuuden kasvun takaamiseksi väittämätöntä. Hitsauksen robotisoinnissa oheislaitteet ja hitsausparametrien säätö anturitietojen avulla ovat avainasemassa. Oheislaitteina käytetään erilaisia kääntö- ja pyörityspöytiä. Voimatoimiset kiinnittimet nopeuttavat hitsattavien osien asemointia ja niiden 'käyttö korvaa aikaisemmin työlään ja välttämättömän asemointi- ja silloitushitsauksen. Hitsausvirran, -jännitteen ja kuljetusnopeuden ohjaamiseksi tarvitaan robotisoidussa hitsauksessa takaisinkytkentätietoa. Parametrien säätöön käytetään sekä virtalähteen ohjausta että paikoitusantureita. Kaarihitsauksessa robotilta edellytetään monipuolisia liikeratoja ja hyvää tarkkuutta. Tavallisesti hitsauksen robotisoinnin toimittaa hitsaukseen erikoistunut yritys, joka hankkii robottien valmistajalta yleiskäyttöisen teollisuusrobotin ja sovittaa hitsauspolttimet ja virtalähteet laitteistoon. Kaarihitsaussovelluksissa robotti ei ole ongelma, vaan järjestelmän toimivuuden takaamiseksi myös hitsaustekniikka ja -parametrit on optimoitava. Robotisoitu pistehitsaus on yleistä auto- ja kulutustavarateollisuudessa. Hitsien paikoitus ei pistehitsauksessa ole yhtä vaativaa ja tarkkaa kuin kaarihitsauksessa, mutta mutkikkaat kappaleet ja hitsauspolttimien vaikea asemointi kotelomaisiin kappaleisiin edellyttävät myös pistehitsauksessa käytetyiltä roboteilta monipuolisia liikeratoja. Kuva 5.4 Esimerkkejä robottihitsaussovelluksista, huomaa vasemmalla kääntyvän jigi/suojan käyttö ja oikealla robotin asennus riippuvaan asentoon, jolloin saadaan robotille lisää ulottuvuutta. 71

72 Pintakäsittely (maalaus, raepuhallus) Tärkein robotisointikohde kappaleiden pinnoituksessa on ruiskumaalaus. Sen robotisointi on välttämätöntä, koska työvaihe on fyysisesti raskas ja terveysriski työntekijälle. Ruiskumaalauksessa voidaan ympäristöhaitat toki torjua henkilökohtaisilla suojaimilla ja suojapukimilla, mutta niiden käyttö on raskasta ja vaivalloista. Ruiskumaalaukseen soveltuvat erinomaisesti myös kevytrakenteiset ja yksinkertaiset robotit. Tavallisesti robottien ohjelmointi tehdään opettamalla. Ensimmäisten kappaleiden maalauksen aikana voidaan robotin ohjelmaa optimoida ja viimeistellä. Mutkikkaiden kappaleiden maalauksessa joudutaan ennen robotisointia ruiskumaalausta ongelmalliset nurkkakohdat ja syvennykset alustamaan käsin. Robotisoitu ruiskumaalaus on tehokasta ja robotisoinnin myötä on saavutettu melkoisia säästöjä myös maalinkäytössä. Robotteja on kokeiltu myös muussa pintakäsittelyssä kuten raepuhalluksessa. Raepuhalluksen liikeradat ja suuttimen asemointi ja ohjaus on yksinkertaista ja robottien ohella erilaiset manipulaattorit ovat varteenotettava vaihtoehto. Robotit FMS- järjestelmien osana Robotteja käytetään tuotantoautomaatiossa tuotantosolujen kappaleenkäsittelyssä. Erilliset tuotantosolut voidaan liittää suuremmaksi joustavaksi valmistusjärjestelmäksi (FMS). Kuljettimet, työstökoneet ja robotit muodostavat laajan automaattisen järjestelmän, jonka ohjaus ja ohjelmointi on mahdollista hoitaa keskitetysti. Automatisoidut valmistusjärjestelmät mahdollistavat miehittämättömien tuotantojaksojen käytön. Robottien käyttö osana laajempaa valmistusjärjestelmää edellyttää tarttujien rakenteiden ja apulaitteiden suurta joustavuutta. Kappaleenkäsittelyn joustavuus ratkaisee usein koko valmistusjärjestelmän kyvyn tuottaa erilaisia kappaleita pieninä sarjoina. Robottien käyttö FM -järjestelmien rakennusmoduuleina antaa mahdollisuuden suurten ja nopeiden layout-muutosten tekemiseen. Standardoituja teollisuusrobotteja voidaan käyttää tarttujien uudelleen suunnittelun jälkeen täysin uudenlaisissa tuotantotehtävissä. Robottien käyttö puusepän teollisuudessa: 1. Pintakäsittely yleisin sovellus robotit eivät ole vain liikkeen tekijöitä, vaan myös optimoivat ruiskutuksen erityinen ohjausjärjestelmä pinnankäsittelyä varten ihmiselle epäterveellinen työvaihe 2. Hionta ensimmäiset sovellukset jo toiminnassa. yleistyvä sovellusalue 72

73 Kuva 5.5 Esimerkki robotin käytöstä tuolin osien hionnassa. 3. Kokoonpano sovellukset monimutkaisia ja vaativat paljon oheislaitteita kallis! vielä tulevaisuutta, mutta yleistyvät koko ajan 4. CNC -koneen palvelu sovelluksia käytössä Kuva 5.6 Robotin käyttö aihioiden teossa vannesahauksen yhteydessä. 73

74 Robottisovellutukset konepajoissa: 1. Pistehitsaus 2. Kaarihitsaus 3. Kappaleiden siirrot 4. Koneiden panostus 5. Osien viimeistely' 6. Tarkastus 7. Pinnoittaminen 8. Kokoonpano 9. Lavaus 1. Hionta, kiilloitus, jäysteenpoisto Robottisolu voi olla oma erillinen järjestelmä jolloin sitä nimitetään FMU:ksi (Flexible Manufacturing Unit) tai osana isompaa FMS:ää (Flexible Manufacturing System = Joustava valmistusjärjestelmä). Sovelluksesta riippuen robotilta vaaditaan eri määrä vapausasteita ja rakenteellista jäykkyyttä. Kuva 5.7 Kokoonpanosolu traktorin moottorien valmistustehtaalla. 74

75 5.3 Robotisointiprojektin suunnittelu ja toteutus Robotisoinnin suunnittelun ja toteutuksen on perustuttava todelliseen tuotannon rationalisointitarpeeseen. Lähtötilanteen, manuaalisen tuotantovaiheen, tarkka analysointi on ensimmäinen vaihe robotisoinnissa. Yleensä robotisointiprojekti kohdistuu tuotantoon, jossa halutaan: luoda kokonaan uusi prosessi korvata manuaalinen työvaihe tai prosessi muokata jo olemassa olevaa automaatioprosessia nostaa automaation tasoa Tällöin kiinnitetään huomiota (speksaus): työvaiheet ja niiden looginen eteneminen kappaleiden koot min...max (mitat ja painot) eli kappaleiden vaatima tila tuotemäärät tahtiaika ja kappaleiden siirrot oheislaitteiden sijoittelu datan kerääminen ja käyttö solu liittyminen muuhun tuotantoympäristöön miehitykseen ympäristöolosuhteisiin riskikartoitus aikataulu budjetti Robotisoinnin toteutuksessa voidaan erottaa: aikataulun laatiminen valmiiden komponenttien ja järjestelmien tilaus asennukset koeajot ja muutokset Robotisoinnin toteutustapoja voidaan selvittää: mennään suoraan tarjouksiin tehdään perinpohjainen esisuunnittelu ja tutkimus toteutettavasta projektista pre-study Tarjouksien ja toimittajien vertailu: sisältö hinta referenssit vaikutelma 75

76 Kappaleen käsittelyyn soveltuvia robotteja on markkinoilla runsaasti. Samoin robottien myyjiä on Suomessa riittävästi. Järjestelmien toimittajia sen sijaan on valitettavan vähän eli toimittajia, jotka ovat valmiit ottamaan kokonaisvastuun laajoista kappaleenkäsittelyn robotisointihankkeista. Robotisointitoimitukseen katsotaan tällöin kuuluvaksi teollisuusrobotin lisäksi tarttujat, ohjelmointilaitteet, anturit, apupöydät ja kuljettimet sekä erilaiset sovellutuskohtaiset erikoislaitteet ja rakenteet. Kokonaisvastuullisen toimittajan löytäminen on vielä vaikeampaa, jos robotisoinnissa on tarkoitus yhdistää eri toimittajilta tulevia työstökoneita ja laitteita sekä lisäksi vanhoja jo olemassa olevia tuotantokoneita. Valitettavan usein robottien toimittajalta puuttuu sovellutusalakohtainen erityistietämys. Robottijärjestelmä voidaan hankkia seuraavilla tavoilla: 1. Ulkopuolinen yritys toimittaa koko robottijärjestelmän "avaimet käteen" -periaatteella. 2. Yritys itse hankkii järjestelmän ja ulkopuolinen yritys asentaa ja testaa robottijärjestelmän. 3. Yritys itse hankkii ja asentaa robottijärjestelmän. 1. "Avaimet käteen" -toimitus Kokonaistoimituksessa vastuunjako on selkeää ja vaatimukset helppo määritellä toimitussopimuksessa. Tämä on nopein tapa saada järjestelmä tuotantokäyttöön. Ongelmana robottisolun edelleen kehittäminen, koska yrityksellä ei ole omaa tietotaitoa. Pohdittaessa robotisointien yhteydessä toimittajien vastuuta kannattaa pitää mielessä, että lopullinen vastuu tuottavien ja toimivien investointien tekemisestä on robotin käyttäjäyrityksellä. Se ei vähennä selkeiden toimitussopimusten merkitystä, mutta tärkeämpää kuin hetkellisten toimitusviivästysten tai tuotantotakuiden kuittaaminen sakoilla on toimittajan ja käyttäjän tiivis yhteistyö toimivan robottitoteutuksen aikaansaamiseksi. Pelkkien komponenttien, eli tässä tapauksessa robottien myynti ilman asiantuntevaa myynnintukea ja jälkimarkkinointia on lyhytnäköistä. Komponenttitoimittajien sijaan olisi tulevaisuudessa saatava kokonaisvastuullisia järjestelmien toimittajia. Toimilaitteiden ja komponenttien väliset rajapinnat ovat usein robotisoinneissa ongelmallisia. Rajankäynti eri toimittajien välillä on hankalaa ja käyttäjän kannalta aikaa vievää. Keskitettyjen huolto- ja tukipalveluiden saaminen on tulevaisuudessa tärkeimpiä robottitoimittajien arviointikriteerejä. Etenkin järjestelmien ohjaukseen ja ohjelmointiin liittyvät käyttöhäiriöt ovat vaikeasti korjattavissa ja selvitettävissä ilman kokonaisvastuullista järjestelmämyyjää. Automaattiset tuotantojärjestelmät muodostuvat tulevaisuudessa vikaantuessaan kriittisiksi tekijöiksi tuotannossa. Nopea ja tehokas sekä asiantunteva huolto-organisaatio on robottisovellutusten myyjän parhaita markkinointiargumentteja. Toimittajien vastuukysymyksiä pohdittaessa teknisten tukitoimintojen merkitys kasvaa tulevaisuudessa. Asiantunteva apu esimerkiksi tarttujien suunnittelussa ja valmistuksessa on pienten ja keskisuurten yritysten robottisovellutusten toimivuuden ehto. 76

77 Kuva 5.8 Avaimet käteen periaatteella toimitettu robottisolu 2. Osatoimitus Tämä on yleinen käytettyjen robottien asennuksessa. Edullisia hankintakanavia käytettäessä tulos on usein hyvä, erityisesti pk-yritysten käyttämä malli. 3. Robotisointi projekti eli oma apu paras apu? Robotisoinnin suunnittelu ja toteutus vaatii aina melkoisesti yritys- ja sovellutuskohtaista räätälöintiä. Valmiita, toimivia ja testattuja sovellutuksia on tarjolla vähän. Nykyisessä tilanteessa parhaimmaksi vaihtoehdoksi on osoittautunut omatoiminen aktiivinen osallistuminen robotisointihankkeen kaikkiin vaiheisiin aina alkusuunnittelusta koe- ja tuotantoajoon asti. Tiettyihin rajattuihin kohteisiin kuten työstökoneiden panostukseen markkinoilta on saatavissa valmiita kokonaisratkaisuja, jolloin sekä robotin että oheislaitteet ja sovellutussuunnittelun saa samalta toimittajalta. Myös näissä avaimet käteen -toimituksissa on syytä varautua melkoiseen sovellutuskohtaiseen suunnittelu ja toteutuspanokseen. Omatoiminen robottisolun toteutus vaatii osaamista ja on näin riski. Etuna on, että projekti kasvattaa yrityksen omaa osaamista ja tietotaitoa tuotannon automatisoinnista. Riippuen hankintatavasta: Järjestelmätoimittajan osuus projektin toteutuksessa: konseptisuunnittelu mekaniikka, sähkö- ja automaatiosuunnittelu riskien arviointi laitevalinnat ja hankinnat valmistus testaus hyväksyntä käyttöönotto ja koulutus after - sales 77

78 Loppukäyttäjän osuus projektin toteutuksessa: konseptisuunnittelun hyväksyntä mekaniikka, sähkö- ja automaatiosuunnittelu hyväksyminen laitevalintojen hyväksyminen testaukseen osallistuminen järjestelmän lopullinen hyväksyntä koulutuksen vastaanotto Kun robottijärjestelmä on otettu käyttöön: tekninen tuki ja seuranta tuotannon kehitys takuu Projektin vaiheet pääkohdiltaan ovat siis seuraavat: Lähtötilanteen analysointi onko robotisoinnille edellytyksiä (kappaleet, oheislaitteet, liittyminen muuhun tuotantoympäristöön, ympäristö olosuhteet, miehitys... Esisuunnittelu tehdään toiminnallinen layout kartoitetaan laitevaatimukset, jotka tuotanto ja tuotteet asettavat syöttö- ja käsittelylaitteiden vaatimukset vaatimukset, joita tuotanto ja tuotteet asettavat layoutin tarkentamiseen vaihtoehtoiset suunnitelmat asetetaan paremmuusjärjestykseen kustannuslaskennan avulla. Samalla tarkennetaan investointilaskelmia yksityiskohtaisen suunnittelun perusteella tehdyllä järjestelmäspesifikaatiolla. Robotin ja oheislaitteiden käytön suunnittelu tarkennetaan esisuunnittelun tietoja päätetään lopullinen layout suunnitellaan tarraimet, kiinnittimet, paletit, kuljetusalustat, turvalaitteet, jne. kartoitetaan kunnossapito ja huolto Toteutus aikataulun laadinta järjestelmän ja komponenttien tilaus asennukset koeajo muutokset koulutus käyttöönotto ja dokumentointi 78

79 6. TURVALLISUUS 6.1 Yleistä Teollisuusrobotit ja muut automaattikoneet ovat tuoneet uudenlaisia työtehtäviä ja työskentelytapoja teollisuuteen. Työnjako ihmisen ja koneen välillä on muuttunut. Hyvin suunnitellussa järjestelmässä kone suorittaa useimmat raskaat ja yksitoikkoiset työvaiheet ja ihminen huolehtii koneen ohjelmoinnista, häiriönpoistosta ja huollosta. Näin ollen automaattikoneet tarjoavat mahdollisuuden vähentää työn ruumiillista ja henkistä kuormittavuutta. Uuden tekniikan käyttöönotto saattaa kuitenkin tuoda mukanaan myös vaaratekijöitä, yksitoikkoisia ja usein toistuvia työtehtäviä ja henkistä kuormitusta, mikäli haittojen tunnistamiseen ja poistamiseen ei kiinnitetä riittävästi huomiota. Näin voi käydä, mikäli työtehtävät ja työpaikka koneen ympärille suunnitellaan vain tuotantotekniset näkökohdat huomioon ottaen. Perusajatuksena tulee olla: ihmiselle on luotava hyvä ja turvallinen työpaikka samalla kun tuotannon tarpeet tyydytetään. Automaattisiin koneisiin perustuva tuotantojärjestelmä on usein teknisesti monimutkainen, mikä heikentää ihmisen mahdollisuuksia tuntea kaikkia järjestelmän toimintoja tai omien toimenpiteiden seurauksia. Teollisuusroboteilla vaara-alue on huomattavan laaja verrattuna perinteisiin konepajan koneisiin. Nämä seikat suurentavat henkilövahinko- ja konevaurioriskiä. Yleisiä turvallisuusmääräyksiä (Työturvallisuuslaki 22): 1 : Työnantajan on tunnistettava järjestelmällisesti työstä, työtilasta, muusta ympäristöstä ja työolosuhteista aiheutuvat vaaratekijät. 11 : Muun kuin pätevän henkilöstön pääsy erityistä vaaraa aiheuttavaan ympäristöön on tarpeellisin toimenpitein estettävä. 22 : Turvallisuus tai suojalaitteita ei saa ilman syytä poistaa tai kytkeä pois päältä. 41 : Pääsyä koneen tai työvälineen vaara-alueelle on rajoitettava niiden rakenteiden, sijoituksen, suojausten tai turvalaitteiden avulla tai muulla sopivalla tavalla. Kuva 6.1 Aluevalvontamenetelmiä automaatiojärjestelmien yhteydessä. 79

80 Käyttöön otettavalle robottisolulle täytyy tehdä: 1. Riskien arviointi 2. Turva-analyysi ja vaatimusmäärittelyt 3. CE - merkintä Standardit Robotteja koskeva standardi on ISO :26 ja se käsittelee lähinnä robottien valmistukseen liittyviä asioita kuten: käsiohjain, kolmiasentoinen sallintapainike, pysäytystoiminnot, käsin ohjaus alennetulla nopeudella, langaton ohjaus, ihmisen ja robotin yhteistoiminta, liikkeiden ohjelmallinen rajoittaminen, käyttöohjeet ja merkinnät. Koneiden riskikartoituksessa sovelletaan standardia ISO 121:21 sekä teknistä raporttia ISO/TR :27. Robottiaseman suunnittelussa ei tarvitse sinänsä ottaa huomioon direktiivejä lukuun ottamatta varmistusta siitä, että kaikki aseman laitteet ja koneet ovat direktiivien mukaisia. Robotteja koskeva direktiivi on konedirektiivi 26/42 EY. Tätä direktiiviä Suomessa on noudatettu lähtien. Tärkeimmät asiat tässä direktiivissä ovat: järjestelmällinen riskien arviointi ja sen dokumentointi vaatimustenmukaisuuden arviointimenettelyt tekninen rakennetiedosto merkinnät: CE merkintä käyttöohjeet osittain valmiin koneen valmistajan velvollisuudet Kuva 6.2 Teollisuusrobotteja koskevia standardeja 8

81 Kuva 6.3 Teollisuusrobottien ohjaimien perusturvallisuus toiminnot Kuva 6.4 Yhteistoiminta robottien turvallisuusmääräyksiä Kuva 6.5 Yhteistoiminta robotteihin liittyviä standardiasioit 81

82 Kuva 6.6 Ihmisen ja robotin yhteistoimintaan (HRC) liittyviä asioita Kuva 6.7 Ihmisen ja robotin yhteistoiminnan kehittyminen (HRC) 82

83 Kuva 6.8 Ihmisen ja robotin yhteistoiminnan (HRC) määrittelyä Kuva 6.9 Ihmisen ja robotin välisissä erityyppisissä yhteistoiminnoissa toteutettavia riskien pienentämistapoja Kuva 6.1 Ihmisen ja robotin välisissä erityyppisissä yhteistoiminnoissa toteutettavia riskien pienentämistapoja (CWS = Collaborative Work Space RA = Risk Assessment) 83

84 Kuva 6.11 Yhteistoiminnoissa käytettävät turvatoiminnot Kuva 6.12 Yhteistoiminnoissa käytettävät turvatoiminnot 84

85 Vaarallisuutensa mukaan perinteiset teollisuusrobotit on jaettu kahteen ryhmään: Ryhmä 1: Tavallinen turvallisuustekniikka voima alle 5 N nopeus alle,5 m/s pintalämpötila...55 C ei teräviä kohtia tuote tai prosessi ei ole vaarallinen Ryhmä 2: Tehostettu turvallisuustekniikka muut robotit Ryhmän 1 robotti ei sinänsä tarvitse ympäristöstä erottamista suoja-aidalla tai kotelolla. Erottaminen saattaa kuitenkin olla tarpeellista työprosessin aiheuttaman melun, höyryjen, kaasun, säteilyn tai hionnan kipinäsuihkun takia. Ryhmän 2 robotti on joko erotettava ympäristöstään kontaktimatoilla, valopuomeilla, aitauksella tai koteloinnilla tai sitten varustettava työtilan avoimella turvavalvontajärjestelmällä. Onnettomuuksien estäminen on tärkeää. Suurena osana on ihmisten koulutus ja asenteiden muuttaminen. Turvallisuutta ei pitäisi ikinä vähätellä. Kun robotti on vielä uusi, sitä käyttävillä ihmisillä on tietty kunnioitus robottia kohtaan, mutta kun aika kuluu ilman onnettomuuksia asenteet muuttuvat välinpitämättömäksi. Koulutuksessa tärkeimpänä metodina pidetään älä oleta sanontaa. Turvalaitteet ovat erittäin tärkeä osa robottijärjestelmää. Turvalaitteet voidaan jakaa yksinkertaisiin ja älykkäisiin turvalaitteisiin. Yksinkertaisten turvalaitteiden toimintaperiaatteet voidaan jakaa neljään ryhmään: 1.pääsyn estäminen (mekaaninen este ym.) 2. tunnistavat ylitykset (rajailmaisimet ym.) 3. passiiviset varoitukset (maalaukset ym.) 4. aktiiviset varoitukset (varoitusvalot ym.) Mekaanisten esteiden haittana on työn vaikeutuminen. Tätä kautta voi helposti tapahtua suojalaitteiden väärinkäyttöä. Älykkäät turvalaitteet kykenevät mittaamaan tietoa, käsittelemään sitä ja vasta prosessoinnin jälkeen turvalaite tekee päätöksen mitä tehdään. Useammat älykkäät turvalaitteet kykenevät havaitsemaan myös muita kuin ihmisiä vaarantavia tilanteita. Tästä voi seurata seisokkien vähentymistä. Älykkäiden turvalaitteiden haittana on suuri hinta ja tietty monimutkaisuus, joka tuo lisää vaaratilanteita. Robottien turvallisuutta ohjaavat erilaiset standardit. Seuraavassa kuvassa on esimerkki eri standardien käytöstä. 85

86 Kuva 6.13 Robottien turvallisuuteen liittyviä standardeja 6.2 Robotisoinnin luomat uudet työtehtävät Työtehtävän robotisointi muuttaa ihmisen toimenkuvaa huomattavasti. Vanhat työtehtävät, tai osa niistä poistuu, ja uudentyyppisiä tehtäviä tulee tilalle. Robotisointi merkitsee vain harvoin ihmisen täydellistä korvaamista koneella. Robotti pystyy hyvinkin monipuolisiin tehtäviin. Yleisimpiä sovelluksia ovat hitsaus, maalaus, kokoonpano ja kappaleenkäsittelytehtävät. Ihmisen työtehtävät voidaan jaotella: asennuksen ja käyntiinajon, ohjelmoinnin, toimintakäytön, häiriönpoiston ja huollon aikaisiin tehtäviin. Kriittisiä turvallisuuden kannalta ovat tehtävät, joita joudutaan tekemään robotin työskentelyalueella robotin toimiessa. Asennus ja käyntiinajo: Yleensä laite- tai järjestelmätoimittaja asentaa ja ajaa laitteen käyntiin. Kuitenkin usein myös tilaajan edustajat: esimiehet, robotin tulevat käyttäjät ja asentajat ovat paikalla tutustumassa uuteen järjestelmään. Ennen järjestelmän ottamista varsinaiseen tuotantokäyttöön olisi hyvä harjoitella perusteellisesti laitteiston käyttöä ilman tuotantovaatimusten asettamia paineita. Tämä ei aina ole kuitenkaan mahdollista kireiden aikataulujen vuoksi. Laitetoimittajat järjestävät yleensä muutaman päivän koulutusjaksoja robotin käytön perusteista joko laitetoimittajan omissa tiloissa tai asiakkaan valmiissa järjestelmässä. Jälkimmäinen vaihtoehto on luonnollisesti parempi, koska silloin voidaan suoraan puuttua sovelluksessa esille tuleviin ongelmakohtiin. Olennainen osa koulutusta on myös turvallisuuskoulutus, jonka antamiseen laitetoimittajan tulee olla valmis. Ohjelmointi: Robotti on toimitettaessa vielä varsin tyhmä, sillä se ei sisällä minkäänlaista työtehtävän suorittavaa sovellusohjelmaa. Tosin järjestelmäohjelmisto on yleensä varustettu tietyn sovellusalueen, esiin. hitsauksen tai maalauksen, huomioon ottavilla erityispiirteillä, jotka helpottavat varsinaista sovellusohjelmointia. Sovellusohjelman voi tehdä järjestelmätoimittaja 86

87 tai asiakkaan oma ohjelma-suunnittelija, mutta yhä useammin sen tekee käyttäjä. Robotin offline ohjelmointi (eli ohjelmointi erillisenä tietokoneella) on vielä melko harvinaista, joten useimmiten ohjelmoinnin aikana joudutaan olemaan hyvin lähellä robottia ja tarkkailemaan sen liikerataa. Useimmissa roboteissa ohjelmointi tapahtuu opettamalla eli siirtämällä robotin työkalupiste aina haluttuun paikkaan ja tallentamaan piste muistiin. Robotin liikutteluun käytetään yleensä kannettavaa ohjelmointipaneelia, jolla voidaan ajaa robottia esim. nivel kerrallaan tai koordinoiduin liikkein XYZ - koordinaatistossa. Siirtoliikkeiden maksiminopeus on rajattu useimmiten melko alhaiseksi, mikä lisää turvallisuutta. Standardeissa esitetään usein vaatimus, että nopeuden pitää olla alle 25 mm/s. Robotin tulisi liikkua vain ohjelmointipaneelin painikkeita jatkuvasti painettaessa, ne eivät saa lukkiutua päälle asentoon. Usein ohjelmointi-paneelissa on myös ns. sallintakytkin ("kuolleen miehen kytkin", valvontakytkin, enabling device), jonka tulee olla painettuna pohjaan koko ajan, jotta robotti liikkuisi. Nykyisin tämä on myös mm. SFS-ISO 1218:n esittämä vaatimus. Tuotantokäyttö: Varsinaisen tuotantokäytön aikana, kun kaikki sujuu hyvin, ihmisellä ei useinkaan ole tarvetta mennä robotin toiminta-alueelle. Eräät sovellukset kuitenkin vaativat robotin toiminnan ja työn jäljen tarkkailua hyvin läheltä, esimerkkinä vaativat hitsaussovellukset. Tällaiset tilanteet ovat yleensä melko ongelmallisia turvallisuuden kannalta. Tuotantokäyttöön liittyy usein robotin työtehtäviä, jotka eivät vaadi menoa robotin toiminta-alueelle, mikäli solu on suunniteltu oikein. Tyypillisiä tämänkaltaisia tehtäviä ovat työkappaleiden asennus jigeihin, osamakasiinien täyttö ja valmiiden kappaleiden poisto. Yhteistoiminta robottien käyttöön otto on tuonut uusia piirteitä robotin tuotantokäyttöön. Häiriönpoisto ja huolto: Häiriönpoistoon ja huoltoon liittyvät tehtävät ovat tyypillisesti sellaisia, joissa robotin toiminta-alueelle joudutaan menemään ja robotin kanssa joudutaan olemaan jopa fyysisessä kosketuksessa. Olennaista on, että robotin tulee olla luotettavassa pysäytystilassa, ennen kuin tällaisia toimenpiteitä tehdään. Mikäli häiriö vaikuttaa yksinkertaiselta ja robotin pysäyttäminen aiheuttaisi ongelmia, syntyy usein kiusaus yrittää selvittää häiriö pysäyttämättä robottia. Useimmat onnettomuudet syntyvät juuri tällaisissa tilanteissa!! 6.3 Robottijärjestelmän suunnittelussa huomioitavia asioita Turvallisen työpaikan luominen vaatii sekä tuotannon että kaikkien edellä kuvattujen työvaiheiden huolellista analysointia, mieluimmin ennen kuin järjestelmä otetaan käyttöön. Tilanne on syytä vielä tarkistaa, kun järjestelmä on varsinaisessa tuotannossa. Vasta tuotantovaiheessa havaitut puutteet voivat olla hankalia ja kalliita korjata. Vaikka robotin käyttäjä ei pääsisikään vaikuttamaan suunnitteluun, epäkohdat tiedostamalla hän voi myöhemmin vaikuttaa asioiden kulkuun. 87

88 Robottijärjestelmän turvallisuussuunnittelu Robottijärjestelmän turvallisuudesta vastaava henkilö on nimettävä. Hän on vastuussa eri valmistajilta tulevien koneiden ja laitteiden yhteensovittamisesta ja turvallisuudesta. Layoutsuunnittelussa on varattava riittävät turvaetäisyydet koneiden ja kiinteiden rakenteiden välille. Minimietäisyys on 5 mm. Tämän turvaetäisyyden omaavia väistöalueita tulisi järjestelmässä olla vähintään yksi jokaista konetta kohti. Oheislaitteiden ohjauskaapit tulisi sijoittaa robotin liikealueen ulkopuolelle ja liikealue rajoittaa minimiin mekaanisilla vasteilla. Robottijärjestelmä tehdään turvalliseksi erottamalla se aitauksella ympäristöstä. Aitaan sijoitetun portin rajakatkaisin pysäyttää robotin porttia avattaessa. Rajakatkaisin on usein kytketty hätäpysäytyspiiriin, mutta uusien ehdotusten mukaan voidaan käyttää turvapysäytystä. Hyväksyttyä turvarajakytkintä käytettäessä kytkintä ei tarvitse kahdentaa. Kuva 6.14 Turva-alueen rajaaminen ja robottisolun turvallisuustekijöitä Robottijärjestelmiä suunniteltaessa otettava huomioon: Perusteellinen koulutus järjestelmän käytöstä on tärkeätä, unohtamatta turvallisuuskoulutusta. Järjestelmää ei saa ottaa käyttöön, ennen kuin myös turvalaitteet on kytketty järjestelmään. Mahdollisuuksien mukaan tulee järjestää ohjelmoijille ja käyttäjille paikka, josta he voivat esteettömästi ja turvallisesti seurata tuotannon kulkua. Ensisijaisesti tarkkailupaikan tulee sijaita vaara-alueen ulkopuolella. Jos tarkkailupaikan on sijaittava robotin vaara-alueella, alueelle ei saa muodostua puristumis- tai leikkauskohtia. Tällöin normaalisti päällä olevien turvalaitteiden poiskytkeminen tulee tapahtua erillisellä avainkytkimellä (ISO/TC 184/WG 4). Vaara-alue robotin ympärillä on pidettävä niin pienenä kuin mahdollista. Niin moni työvaihe kuin mahdollista on pidettävä vaara-alueen ulkopuolella esim. kappaleiden poisto ja panostus kääntöjigien avulla 88

89 Yksittäisiä robotin turvalaitteita ja menetelmiä: Suoja-aitauksen portin avaaminen vaikuttaa turvaraja kytkimeen ja pysäyttää robotin tai vaihtoehtoisesti portti avautuu vain silloin, kun robotti on pysähtynyt. HÄTÄ-SEIS -kytkimiä on asennettava ohjauspaneeleihin, portin läheisyyteen ja mahdollisesti oheislaitteiden kohdalle. Törmäyksen varalta robotin ranteessa on murtosokka, joustava ranne ja rajakytkin tai tunnistimena tuntoherkkä materiaali Ohjauspaneeli on sijoitettu turva-aidan ulkopuolelle ja ohjelmointilaite (teach pendant) on ergonomisesti muotoiltu, pitkäjohtoinen ja toimii vain kahden käden otteella. Opetustilanteessa on hidas nopeus automaattisesti pää11ä, liikettä ohjaavat kytkimet ovat jousipalautteisia. Robotti on varustettu huomiovalolla, varoituskilvillä ja tarvittavilla raitamaalauksilla Ympäryslaitteiden (esim. kääntöpöydät, kuljettimet ja työstökoneet) on oltava turvallisia Turvalaitteen pysäyttämä robotti käynnistyy vasta aitauksen ulkopuolelta tapahtuvan kuittauksen ja uudelleen kytkennän avulla. Henkilöstö on koulutettava huolto- ja käyttötehtäviin. Turvalaitteissa käytetyt muut anturit kuin hyväksytyt turvarajakytkimet on kahdennettava ja valvottava. Kahdennusten on oltava sillä tavalla erilaisia, ettei sama häiriö voi rikkoa molempia. Kahdennettuun piiriin tullut vika on voitava havaita joko toiminnallisesti tai ilmaisimilla. Hätäpysäytyselin on keltaisella pohjalla oleva sienimallinen punainen painonappi, poljin, astinlauta, vaijeri, tanko tai muu sopiva elin. Hätäpysäyttimen on oltava lukkiutuva eikä sen palauttaminen saa käynnistää järjestelmää uudelleen. Energiakatkon jälkeinen energian palaaminen ei saa käynnistää järjestelmää uudelleen. Hätäpysäytyksestä on tarkat määräykset standardissa SFS2647 Henkilön paikanseuranta tapahtuu kosketuksettomilla tai kosketukseen perustuvilla antureilla: valoverhot, valokennot, kontaktimatot ja nykyään myös videokameralla. Työtilan valvontalaitteiston tavoitteena on valvoa koneiden ja henkilöiden liikkeitä ja estää niitä törmäämästä. 89

90 Kuva 6.15 Robotin vaara-alueiden eristäminen Aitaamattoman robotin turvallisuus Aitaukseen sulkemalla ihmisestä erotettu robotti on turvallinen ja sopii tiettyihin automatisoituihin työsuorituksiin. Eräissä tapauksissa ihmisen on kuitenkin työskenneltävä vaara-alueella. Robottihitsaus saattaa olla eräs tällainen ihmisen läheltä seuraamista edellyttävä tehtävä. Aitaamalla erottaminen ei tällöin ole mahdollista. Aitaamattoman robotin turvallisuus saavutetaan esimerkiksi työtilan valvontalaitteistolla, joka koostuu (1) henkilön paikanseuranta-antureista, (2) robotin asentoantureista ja (3) keskuslogiikasta, joka valvoo turvallisuutta. Ihmisen siirtyessä toiminta-alueelle robotin liikenopeus hidastuu turvanopeuteen. Ihmisen mennessä liian lähelle, robotti pysähtyy. Hätäpysäytys seuraa vikatilannetta robotissa, turvalaitteessa tai antureissa. Robotin toiminnan vaihtoehdot ovat siten (a) normaalitoiminta, (b) turvanopeus, (c) pysäytys tai (d) hätä seis. Kuva 6.16 Robotin aitaamattoman työtilan turvavalvontajärjestelmä 9

91 Kuva 6.17 Esimerkki aluevalvonnasta Kuva 6.18 Esimerkki robottisolun turvajärjestelmästä 91

92 Kuva 6.19 Esimerkkitoteutus materiaalivirrasta robottisoluun 6.4 Robotin aiheuttamat tyypillisimmät vaaratilanteet Robotti aiheuttaa tapaturmia monilla ennakoitavissa olevilla tavoilla: Työkappa1een irtoaminen johtaa putoamiseen, kaatumiseen tai sinkoutumiseen. Näistä sinkoutuminen sinänsä on merkityksetön alle 2 m/s nopeuksilla. Sinkoutuminen, putoaminen ja kaatuminen tulevat vaarallisiksi, jos työkappale osuu sorvin pyöriviin osiin, rikkoo sähköjohdon tai paineletkun. Työkappaleen suora osuminen ihmiseen aiheuttaa useimmiten jonkin asteisen tapaturman. Takertuminen vaatteista robotin tarttujaan, ulokkeisiin, rakoihin, nieluihin, letkuihin ja kaapeleihin aiheuttaa tapaturmia kaatumisen ja liikkuvaan koneenosaan tarttumisen takia. Törmäys, puristus ja 1eikkautuminen voi tapahtua robotin törmätessä kappaleeseen, työkoneeseen, suojalaitteisiin, ohjauslaitteisiin tai ihmiseen. Törmäyksen takia työkappale saattaa sinkoutua, letku rikkoutua, virheliikkeitä tapahtua ja ihminen suoraan vahingoittua. Energian purkautuminen rikkoutumisen takia saattaa aiheuttaa korkeapaineisia leikkaavia suihkuja tai sähköiskuvaaran. Ennakolta arvattavien vikojen lisäksi tapahtuu yllätyksellisiä vikoja. Näitä ennakolta arvaamattomia vikoja ovat monet yhdistelmäviat. Esimerkiksi rikkoutuneesta paineletkusta purkautuva öljy syttyy sähkölaitteen oikosulun kuumentamana ja aiheuttaa tulipalon. 92

93 Robotit ovat voimakkaita: Robotin iskut, puristuminen, leikkautuminen tai takertuminen ovat tavallisimpia vaaratekijöitä ja tapaturmien aiheuttajia robottijärjestelmissä. Roboteille ilmoitetaan yleensä käsittelykyky, jonka rajoissa se pystyy toistamaan liikkeensä, esim..1 mm:n tarkkuudella. Kuva 6.2 Robotin voimat ovat paljon nimellisarvoa (esim. 1 kg) suuremmat Käsittelykyky ei kuitenkaan kuvasta robotin voimia suoranaisesti, vaan käsittelykykyä tarkkuuden rajoissa. Siten esim. 1 kg:n käsittelykyvyn omaava robotti voi helposti nostaa ilmaan 1 kg:n taakan. Vaaratilanteessa robottia ei siis miesvoimin pysty pysäyttämään. Mikäli robotilla on käytössään terävä tai leikkaava työkalu tai robotin ja oheislaitteiden välille muodostuu leikkaus ja puristuskohtia, voimien ei edes tarvitse olla suuria vakavan tapaturman aiheutumiseksi. Robotin törmääminen oheislaitteisiin voi aiheuttaa välillisiä vaaroja, esim. törmäys tuotepinoon saattaa aiheuttaa pinon sortumisen työntekijän päälle. Robotin siirtämän kappaleen irtoaminen tarttujan tai työkalun otteesta pikaliikkeen aikana saattaa aiheuttaa kappaleen sinkoutumisen ulos robotin varsinaiselta työskentelyalueelta. Robotin vaara-alue saattaa tarttujan liikenopeuden mukaan olla huomattavastikin työaluetta laajempi. Myös kappaleen putoaminen tarttujasta esim. häiriön aikana saattaa aiheuttaa vaaratilanteen. Muita vaaroja robottijärjestelmissä aiheuttavat oheis- ja apulaitteet sekä energialähteet. Näistä johtuvat onnettomuudet, kuten sähköiskut ja palovammat, eivät robottityöskentelylle ole kaikkein tyypillisimpiä, mutta esim. hitsaussovelluksissa ne tulee ottaa huomioon. Hitsauksen tavallisin vaara on hitsatessa syntyvä UV-säteily. Roboteilla on laaja liikealue: Robotin liikealuetta on käytännössä vaikea arvioida, koska robotti liikkuu kolmiulotteisessa tilassa ilman näkyviä rajapintoja. Vaikka kokemuksen kautta oppisikin muistamaan tilan, jossa robotti liikkuu, niin robotin nopea uudelleenohjelmoitavuus aiheuttaa sen, että muistikuva ei ehkä pidäkään paikkaansa. Usein robotin liikealue on niin laaja, että ihmisen koko vartalo on liikeradan sisäpuolella ohjelmoinnin ja testauksen aikana. Ihmisen on siis varottava myös selkään tai päähän kohdistuvia iskuja. 93

94 Roboteilla on pitkä pysähtymismatka: Monilla roboteilla, etenkin vanhemmilla malleilla, pysähtymismatka on varsin pitkä. VTT:n suorittamissa mittauksissa robotin pysähtymismatka maksiminopeudesta on ollut jopa metri. Pysähtymismatka riippuu useista seikoista. Luonnollisesti pysäh-tymismatka riippuu robotin nopeudesta ja käsiteltävän työkappaleen massasta ja robotin käsivarren asennosta; mitä suurempi sen pidempi pysähtymismatka. Kaikissa roboteissa ei myöskään ole jarruja jalustanivelissä, koska se ei normaalisti tarvitse pitojarrua. Usein pysähtymismatka riippuu vielä siitä, onko annettu pysähtymiskäsky ohjelmallinen vai käyttöpainikkeella annettu pysäytys vai hätäpysäytys. Eräillä roboteilla ohjelmallisen pysäytyskäskyn tullessa robotti ajaa seuraavaan ohjelmoituun pisteeseen. Nykyisten teollisuusrobottien huippunopeudet ovat 3-4 m/s, eräillä suoraveto-roboteilla jopa 1 m/s. Nopeasti reagoivan ihmisen reaktioaika on välillä.3-1 s. Jos reagointi vaatii päätöksentekoa, aika voi olla huomattavasti pitempikin. Näin ollen, ennen kuin ihminen ehtii painaa esim. pysäytyspainiketta, maksimi-nopeudella liikkuva robotti ehtii liikkua 1-4 m. Tyypillisellä liikenopeudella 1 m/s matka olisi.3-1 m. Kuva 6.21 Robotti liikkuu usein pysäytyksen jälkeen yllättävän pitkän matkan Koska ihmisen reagointiaika on pitkä ja robotit hyvin nopeita, tulee vaaratilanteilta suojautua turvalaittein. Robotin pysähtymismatkalla on suuri vaikutus nk. suojaetäisyyteen. Mitä lyhyempi pysähtymismatka roboteilla on, sitä lähemmäs robottia turvalaitteet voidaan asentaa tai sitä lyhyempi havaintoetäisyys turvalaitteella pitää olla. Suojaetäisyys määritellään etäisyytenä turvalaitteesta robotin vaara-alueen reunaan. Vaikka robotin varsinainen työskentelyalue jossakin työtehtävässä olisikin pieni, vaara-alue on paljon suurempi. 6.5 Robotin pysäytystoiminnot Turvajärjestelmän suojausvaikutus perustuu useimmiten automaattikoneen toiminnan pysäyttämiseen. Tuotannon joustavuuden lisäämiseksi on tullut tarve hyväksyä myös muita pysäytyksiä kuin normaali hätäpysäytys. 94

95 Automaattikoneessa voi olla seuraavia pysäytysfunktioita: Tuotantopysäytys: Tuotantopysäytyspainikkeen painaminen siirtää koneen pysäytystilaan sen jälkeen, kun kone on suorittanut työkierron tai sen osan loppuun. Tämä on tarpeen sovelluksissa, joissa keskeytys työkierron keskellä voisi aiheuttaa tuotteen piloille menon (esim. hitsaus, liimaus, tiivistys) tai koneen vaurioitumisen. Koska tuotanto on käynnistettävissä välittömästi uudelleen ja tuotteelle ei aiheudu vahinkoa, tuotantopysäytys on vaivaton käyttää. Turvapysäytys: Tätä pysäytystä käytetään varmistamaan vaara-alueelle menon turvallisuus. Vaara-alueelle mentäessä turvalaitteet, esiin. suoja-aidan porttiin kytketty raja-katkaisin pysäyttää koneen tai koneet välittömästi. Mikäli tuotanto voidaan pysäyttää millä hetkellä hyvänsä, erillistä tuotantopysäytystä ei tarvita. Muutoin ennen vaara-alueelle menoa on painettava tuotantopysäytyspainiketta, jotta pysäytys ei vaikeuta tuotannon uudelleenkäynnistämistä. Turvapysäytys katkaisee energiansyötön koneeseen ja estää kaikki vaaralliset toiminnat tarvittaessa jarru- tai lukituslaitteiden avulla. Robotin kyseessä ollessa käsivarren tulee pysähtymisen jälkeen lukkiutua paikoilleen ja tarttujan tulee kyetä pitämään mahdollinen työkappale otteessaan. Hätäpysäytys: Hätäpysäytystä käytetään yleensä nimensä mukaisesti hätätilanteissa, esim. robotin törmätessä esteeseen. Hätäpysäytys katkaisee yleensä energiansyötön koko laiteyksiköltä. Tämä ei koske piirejä, joiden katkaisu saattaisi aiheuttaa vaaratilanteen. Hätäpysäytyksen jälkeen uudelleenkäynnistys on usein hidasta. Käynnistys joudutaan usein suorittamaan työjakson alusta, mikä on tuotannon kannalta hankalaa, sähköisissä roboteissa turvapysäytys ja hätäpysäytys voidaan useimmiten johdottaa samoihin piireihin. Edellä olevat tuotantoon sovitetut turvallisuustekniikan periaatteet tulisi ottaa huomioon jo järjestelmän suunnitteluvaiheessa. Lopputulos on silloin parempi ja kustannukset pysyvät kurissa. Mikäli turvallisuusnäkökohdat otetaan huomioon jo alusta alkaen esim. rakenne- ja layout -suunnittelussa, monimutkaisia turvajärjestelmiä ei ehkä tarvitakaan. Jos puutteet turvallisuudessa havaitaan vasta järjestelmän ollessa jo käytössä, rakenteellisia muutoksia on hankala tehdä ja ne tulevat kalliiksi. On siis tarpeellista suunnitella ja toteuttaa turvajärjestelmä etukäteen. Jälkikäteen kaikkien turvallisuuspuutteiden korjaaminen ja turvajärjestelmän sovittaminen tuotannon vaatimuksiin saattaa olla jo hankalaa. 6.6 Kehittyneet turvalaitteet ihmisen ja robotin välisessä vuorovaikutuksessa Tulevaisuudessa ihmiset ja robotit työskentelevät yhdessä samassa tilassa vuorovaikutteisesti tekemällä kummallekin parhaiten sopivia tehtäviä. Tällöin haasteena on löytää käyttäjä ystävällisiä ja turvallisuustasoltaan hyviä teknisiä ratkaisuja ihminen/robotti ympäristöön. 95

96 Kuva 6.22 Ihmisen ja robotin välinen vuorovaikutteinen toiminta Kuva 6.23 Teollisuusrobottien kehittyneitä turvaratkaisuja Aluevalvontaa tullaan soveltamaan laajoissa sovelluskohteissa, mutta alueen rajaaminen esimerkiksi aidoilla säilyy turvallisuusteknisenä keinona tuotannossa, jossa ihmisellä ei ole työtehtäviä vaarallisen kohteen lähellä. Dynamiikan hallintaa ja pientä massaa tullaan käyttämään turvallisuustekijänä pienissä roboteissa. Hahmontunnistus kehittyy ja luotettavuus paranee. Lähestymiskytkimet soveltuvat tilaviin kohteisiin. RFID-tekniikka soveltuu kohteisiin, joissa ei välttämättä ole näköyhteyttä ihmiseen. Toisaalta ihmisillä on lähetin aina mukana eli edellytyksenä vaara-alueelle pääsylle. 96