• Danish
  • English

Seneste nyheder

Robotter som fleksible celler

21-02-2005
Mange af fødevareindustriens mindre virksomheder har varierende produktionsopgaver, og har derfor brug for en fleksibel og hurtig omstilling. For at imødekomme dette behov har man i et projekt om fleksible robotter konstrueret en flytbar robotcelle, der på samme måde som traditionelle medarbejdere kan sættes til forskellige opgaver langs en produktionslinie.

Af Lars Kallesø Bertelsen, Henrik Hautop Lund, Michael Wehner Rasmussen,
Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet for Produktionsteknologi, Syddansk Universitet

De fleste produktionsvirksomheder er, i et større eller mindre omfang, nødt til at foretage omstillinger. De har måske sæsonbetonede varer, eller de kan have et bredt sortiment. Udviklingen går samtidig mod flere produkter med en kortere produktlevetid, hvorfor behovet for at kunne foretage omstillinger stiger.

Mange virksomheder mærker et øget pres gennem international konkurrence, og flere og flere forsøger at imødekomme det ved at tilpasse deres produktion, så den bliver mere effektiv og mindre løntung. Også i fødevarebranchen mærkes dette pres. Reaktionen fra flere af disse virksomheder er, at de forsøger at nå flere kunder ved at udvide produktsortimentet.

Den flytbare robotcelle bliver testet i Dan Cakes produktion

Selvom det netop kræver, at man i produktionen foretager flere skift, og dermed har brug for en større fleksibilitet, anvendes der stort set ingen robotter, der ellers betegnes som værende meget fleksible og omstillingsvenlige. De fleste fødevareprodukter fremstilles på faste produktionslinier, men denne tendens er imidlertid ved at vende, for flere søger hen imod mere alsidige løsninger.

Det er krævende at lave disse løsninger, for der stilles ofte særlige krav til dele af de processer produkterne gennemgår, processer som i dag varetages af manuel arbejdskraft. For at nå frem til en automatiseret løsning kræves der derfor en gennemgang af de mange forskellige produkter der fremstilles, og en grundig analyse af deres fremstilling.

De industrielle partnere i IT-korridorprojektet ’Fleksible robotter til små og mellemstore virksomheder’ har i samarbejde med Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet for Produktionstekno-logi ved Syddansk Universitet, beskæftiget sig med at klarlægge kravene til en sådan løsning.

Projekt Fleksible Robotter

Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet for Produktionstek-nologi ved Syddansk Universitet har sammen med automa-tionsvirksomhederne ABB og Siemens og fødevarevirksom-hederne Easyfood og Dan Cake deltaget i projektet ”Fleksible robotter til små og mellemstore virksomheder. Desuden har Richter Hansen Maskinfabrik, Trivision, RoboCluster, Egion, Vejle Amt, Fyns Amt og Kolding Erhvervsudvikling bidraget til projektet. Projektet begyndte den 1. marts 2003 og sluttede den 31. december 2004. Projekt budgettet var på seks millioner kroner, hvoraf halvdelen blev finansieret via midler fra den jysk-fynske IT-korridor under Videnskabsministeriet.

Fleksibilitet og anvendelse

I projektet har man forsøgt at konstruere en robotcelle, der er fleksibel. Den skal være med til at danne grundlaget for fremtidige celler, og den er bygget for at have en platform, som forskellig funktionalitet kan afprøves på.

Robotcellen kan ikke tilpasses til ethvert formål, men den kan være fleksibel inden for et udsnit af opgaver. Inden cellen blev konstrueret, blev der foretaget en undersøgelse af hvad det indebærer, at en løsning er fleksibel. Denne diskussion førte frem til, at cellen skal konstrueres til at arbejde hen over et transportbånd. Her kan den sættes til at manipulere med de emner der passerer under den. For at gøre cellen til en selvstændig enhed, monteres den med et fødebånd, som kan bruges til diverse formål. Emnerne, der passerer på båndende, registreres med kameraer. Der monteres et over hvert bånd. En sådan robotcelle er imidlertid ikke økonomisk rentabel, hvis den er stationært placeret ét sted i produktionen, hvor den kun kan foretage én operation på få udvalgte produktvarianter.

Cellen vil typisk være placeret i produktionen, langs de linier, hvorpå emner føres frem. Hvor i produktionen den skal stå, kan variere, så en enkelt mand skal, med en palleløfter eller lignende, kunne flytte den fra en arbejdsposition til en anden. Sammen med denne form for flytbarhed følger et ønske om, at cellen bør være nem at klargøre til en ny produktionsopgave. Derfor hører der enten en fuld- eller semiautomatisk kalibrering med som en del af fleksibiliteten.

Ved at gøre robotten fleksibel, opnås nogle produktionsmæssige fordele, men samtidig må man forvente at skulle reducere på de krav der traditionelt stilles til præcisionen af en robotløsning. Men da fokus i projektet hovedsageligt er på fødevare-produktion, vil en præcision på et par millimeter være et ganske udmærket mål. Dette skal sættes i relation til, at en robot traditionelt produceres så den kan være præcis indenfor tiendedele af en millimeter.

Nuværende teknologi

Der findes allerede stationært udstyr, der opfylder en stor del af de krav, der stilles indenfor fødevareindustrien. Det er f.eks. muligt at vælge imellem en række forskellige robotter, afhængig af om man stiller krav til robottens hastighed, dens rækkevidde, eller til andre forhold. Og da der ligeledes findes mange forskellige sensorer og værktøjer, er der rig mulighed for at tilpasse en opstilling.

Når de mekaniske forudsætninger er til stede for at lave en robotcelle, retter interessen sig mod, hvad den kommer til at kunne præstere. ABB, som har været med i udviklingen, kan allerede opnå hurtige cyklustider på under ½ sekund for simple opgaver. Derfor har der i projektet ikke været fokus på robottens hastighed, men det har været mere interessant at finde en løsning, som gør, at cellen hurtigt kan indkøres ved et opgaveskift. Der har tidligere kun været begrænset fokus på denne del, da stort set alle industrielle robotopstillinger er stationære, og derfor kun indkøres en enkelt gang.

Indkøring af robot

Hidtil har en robot indgået som en større helhed i produktionens udlægning. Man har planlagt dens opgave sammen med dens placering og derefter er den blevet monteret. Det er ofte en nødvendig tilgang til købet af en robot, for den kan være ganske tung, hvorfor den skal monteres forsvarligt.

På grund af robottens vægt, vil der også være krav til stativet den monteres i. Hvis robotten bevæger sig hurtigt, vil der opstå vibrationer. Selv når stativet er solidt, er der en risiko for at det bevæger sig ganske lidt, hvorfor robotter typisk er monteret med bolte ned i gulvet.

Efter at robotten er blevet monteret, skal den indkøres. Denne proces benyttes til at finde den nødvendige sammenhæng mellem robottens placering og de omgivelser, den arbejder i forhold til. Typisk vil dette kræve en fagmand, og for ABB’s vedkommende vil man lave en række bevægelser med robotten. Den bevæges hen over forskellige punkter og de lagres som referencer. Det er forholdet imellem disse punkter, der kommer til at danne grundlaget for robottens fremtidige bevægelser. ABB har erfaring for at denne indlæring tager op imod en halv time for en erfaren robotingeniør.

Tilpasning af robot

Som tidligere beskrevet, er cellen sammensat af tre komponenter; robotten, fødebåndet og et sæt kameraer. De skal monteres, så de understøtter hinanden, men også så de undgår at komme i vejen for hinanden. Af denne grund er robotten ikke placeret midt over hovedbåndet. Det ville give problemer med armens rækkevidde, og den hænger derfor lidt tilbagetrukket i cellen. Den er også monteret, så den kun lige akkurat kan nå fødebåndets fjerneste kant. Der er derfor et område på båndet, længst inde i cellen, som den ikke kan nå. Men det har ikke nogen betydning, for emnerne passerer frem til robotten. Kameraerne er monteret, så de kan detektere emner, der passerer forbi under dem. Der er dog taget højde for, at robotten bevæger sig rundt for at samle emner op, hvorfor kameraerne hænger, så de kan tage billeder uden for robottens rækkevidde.

Derved undgås de særlige forhold, som kommer i betragtning, hvis robotten dækker for synsfeltet fra et kamera. Cellen er en prototype, hvor man har forsøgt at tage højde for, at der skal monteres afskærmning, før den kan tages i brug i egentlig, industriel produktion. Det udhæng, som robotten hænger i, har derfor en størrelse, der gør at afskærmningen umiddelbart kan påmonteres. Man blev hurtigt klar over, at der er behov for et redesign af cellen. Den kan gøres mindre og lettere, ligesom den skal kunne højdejusteres. Men målet har været at drage erfaringer med en opstilling af denne type. Og allerede under arbejdet med at få cellen op at køre, er der blevet gjort observationer. I første omgang har robotten været i stand til at bringe cellen i sideværds svingninger. Der er derfor blevet monteret ekstra afstivning. Cellens konstruktion er med andre ord væsentlig, og selvom den er kraftigt bygget, bør der gøres overvejelser om, hvordan man dæmper svingninger, der kommer af, at robotten udfører hurtige bevægelser.

Erfaringer fra produktionsmiljø

Efter endt montering, og en periode med indkøring, er cellen blevet flyttet fra Mærsk Instituttets robotlaboratorium til Easyfood og Dan Cakes produktionsfaciliteter. Der er blevet afsat en dag hos hver virksomhed, hvor deres faciliteter er blevet brugt til at afprøve cellens flytbarhed.

Hvert ophold blev fulgt af en medarbejder, som derved fik mulighed for at flytte cellen rundt og afprøve tilgængeligheden i deres produktion. Umiddelbart var det nemt at køre rundt med cellen. En elektrisk palleløfter vil dog være at foretrække, hvis mindre personer skal håndtere cellen forsvarligt.

Det har vist sig, at det ikke er cellen i sig selv, der volder problemer. I stedet viste en gennemgang af produktionen, at nogle af de transportbånd der bliver brugt, har tværgående afstivning, som hindrer cellen i at placeres tilfredsstillende. Skal cellen derfor indgå i en produktion, bør man i et vist omfang forholde sig til, at det eksisterende udstyr måske skal tilpasses.

Et andet problem, som man bør være opmærksom på, er lysforhold. Der gøres brug af et kamerasystem, og det er typisk følsomt overfor varierende lysindfald. Især sollys er et problem, men hos Dan Cake var der ikke noget at bemærke. Hos Easyfood er der vinduer, der gav lidt ovenlys. Men det er kraftigt matterede vinduer, som kun lukker begrænset lys ind, så det svarede til en svag diffus belysning. Derfor kan der, som forventet, tages hensyn til dette med passende belysning og afskærmning.

Elementer i en kalibrering

Med cellens fysiske opsætning på plads, følger den mere funktionelle del. Når cellen køres ind på en plads, er der ingen sammenhæng, der angiver højden på det benyttede transportbånd, og hvilken orientering det har. Det vil være svært at placere cellen præcist vinkelret på båndet, og det forventes heller ikke. Men når cellen tages i brug, skal den være i stand til at tage højde for disse forhold. Under kalibreringen laves der derfor en række målinger, som danner grundlag for hvordan systemet sættes op. Processen deles op i seks kategorier.

Baggrundsfarve
For at finde produkter, benyttes der en metode, baseret på at produkterne skiller sig ud fra båndet. Men da der kan være forskel på de bånd, der benyttes, indkøres det ved, at der tages en række billeder, og informationer om farven gemmes. Det har fra den praktiske test vist sig, at blå og grønne bånd er at foretrække.

Lysforhold
Ofte vil der være nogenlunde samme lysmængde rundt i en fabrik, men skulle det ændre sig, kan der tages højde for det ved en justering af parametre i kameraet.

Robotten udfører kalibreringsrutine med kalibreringsobjekt

Kamerakalibrering
Et kamera er ganske kompleks, og bl.a. linsen vil medvirke til at forvrænge et billede. Derfor bestemmes der for hvert kamera en måde at korrigere for dette. Det sker ved at tage et billede af en kendt figur, og så holde det op imod, hvordan det faktisk ser ud. Traditionelt har man brugt en metode, hvor f.eks. en klods med prikker er blevet placeret under kameraet. Så vil kalibreringen ske ud fra prikkernes position på klodsen sammenholdt med, hvor de bliver fundet i billedet.

Kameraets position
Et billede kan bruges til at afgøre, hvor et emne befinder sig. For at robotten kan samle emnet op, skal forholdet mellem robot og kamera bestemmes. Det forhold findes ved at sørge for, at positionen af et emne er kendt. Derved skabes den nødvendige sammenhæng med, hvor det befinder sig i billedet.

Båndhøjde
Når robotten skal samle et emne op, skal der også være kendskab til båndets højde. Der er f.eks. forskel på hvor højt fødebåndet er i forhold til hovedbåndet, men når de desuden kan hælde, vil en opmåling være aktuel.

Emnernes hastighed
Transportbåndet kan være vinklet i forhold til cellen, hvorfor emnernes bevægelsesretning skal bestemmes. Det vil ske sammen med en hastighedsmåling. På den måde kan hastigheden bruges til at beregne et opsamlingssted. Det skal gøres ganske præcist, da det ellers vil være en betydelig kilde til unøjagtigheder.

Kalibreringen automatiseres

Set fra brugeren skal indkørsel være så simpel som muligt. Hvis cellen kan foretage en automatisk kalibrering på baggrund af et tryk på en knap, vil det være det mest hensigtsmæssige. Rent praktisk foregår kalibreringen ved, at robotten samler en kalibreringsplade op fra en position på stativet. Pladen føres ind under hvert af kameraerne. På pladen er der markeringer som kameraet kalibreres ud fra. Desuden griber robotten pladen på en bestemt måde. Således kendes kameraets placering, når kalibreringen er færdig.

Ved at placere et emne på båndet, og lade det passere under kameraet, registreres båndets retning og hastighed. Kalibrering af baggrundsfarve og lysforhold er separeret ud som et punkt for sig selv.

Det vil naturligvis ikke være nødvendigt at kalibrere kameraerne, hver gang cellen benyttes, men installeres der et nyt kamera, eller flyttes det, vil det være nødvendigt. Erfaringer har vist, at det er en god mulighed at have, og det kan integreres i en proces, der både kalibrerer kameraet og finder relationen til robotten.

Prototype er første skridt

Der er et stykke vej endnu inden den flytbare robotcelle er produktmodnet tilstrækkeligt til at kunne tages i brug industrielt. Bl.a. vil et redesign af stativet være aktuelt. Metoden til at kalibrere med har imidlertid vist sig at være funktionsdygtig. Gennemløbet af kalibreringen tager under 5 minutter (oftest omkring 2 minutter), og kan udføres af en person uden specielle tekniske forudsætninger. Kalibreringsprocessen er blevet testet ved at stille robotcellen simple opgaver som at samle et emne op, og placere det på et andet. Kun ved et godt kalibreret system vil disse operationer kunne udføres, og testene har vist, at emnerne placeres indenfor 1 – 5 mm, afhængig af båndets hastighed. Det er kritisk, at visionsystemet er i stand til at bestemme emnerne tilstrækkeligt godt. Emnerne genkendes ved at skelne dem fra baggrunden, og det kan give problemer, hvis der er for mange farver på baggrunden, eller hvis ikke alle farver er medtaget i oplæringen.

Robotcellen har været simuleret i et 3D-miljø. Kameraerne er placeret i rammen over fødebåndet til venstre og over hovedbåndet til højre.

Så vil emnernes omrids ikke være tilstrækkeligt godt bestemt, og positionen, der findes, vil give anledning til, at hastigheden bestemmes upræcist. Konceptet omkring den fleksible robotcelle har med andre ord vist sig at være anvendeligt, og kalibreringen er yderst funktionel. Problemstillingen omkring bestemmelse af hastighed med et visionsystem kan dog forbedres. Eksempelvis kan der monteres markører langs kanten af båndet, så en eksakt position af et emne altid kan findes på baggrund af båndet.

Læs mere om projektet Fleksible robotter...

Læs artikel Robotteknologi er et alternativ til outsourcing...

robocluster

Kort om Innovationsnetværket RoboCluster 

Innovationsnetværket RoboCluster samler danske kompetencer inden for forskning, udvikling og design af robotteknologi. Netværket giver dig ny viden om robotter, robotteknologi og intelligente løsninger og services til indsatsområder med stor politisk og udviklingsmæssig bevågenhed. Få nye input til netop dine udfordringer med robotteknologi og automatisering og kom tættere på det danske robotmiljø 

Læs mere...
  • Kontakt
  • Campusvej 55
  • 5230 Odense M
  • Telefon: 6550 7400
  • LOADEMAIL[mail]DOMAIN[robocluster.dk]

Bevillingsgivere

Bevillingsgivere