• Danish
  • English

Seneste nyheder

Fleksible gribere til industriel produktion?

02-07-2007
En vigtig og stor del af det arbejde, der i dag bliver udført af robotter er emnehåndtering. Derfor er udformningen og brugen af det værktøj, som sidder for enden af robotten en væsentlig faktor for at opnå en vellykket robotinstallation, skriver Niels Jul Jacobsen fra RoboCluster i Dansk Robot Forenings seneste nummer af DIRA.

Artikel fra Dansk Robot Forening DIRA, nr. 2, juni 2007, 25. årgang, side 6-8

En vigtig og stor del af det arbejde, der i dag bliver udført af robotter er emnehåndtering. Jobbet for den første robot, fra starten af 1960’erne, var at tage støbeemner ud af støbemaskiner og placere dem i et vandbad. Selvom den største udfordring var at kontrollere robottens bevægelser, var også udformningen af robottens værktøj bestemmende for om opgaven kunne løses. Det er stadigvæk udformningen og brugen af det værktøj, der sidder for enden af robotten, som en væsentlig faktor for at opnå en vellykket robotinstallation.

Ved emnehåndtering er værktøjet en griber, der har til opgave at tage fat i emnet og flytte det til en anden position. Da der er en meget stor variation i de emner, der skal håndteres - det kan dreje sig om alt fra emner i nanoskala til meter store og tons tunge jernplader - er der en tilsvarende variation i udformningen og størrelsen af griberne.

Selvom der findes en lang række forskellige principper i konstruktionen af en griber, kan de to basistyper: den parallelle og den rotationelle, beskrive langt de fleste typer. I den parallelle type bevæges griberens yderste dele (kæberne) i en lineær bevægelse mod hinanden. I den rotationelle type bevæges kæberne i en drejende bevægelse mod hinanden (se figur 1).

Fra den industrielle produktion har kravene til griberne indtil nu i høj grad været begrundet i ønsket om en stor gentagelsesnøjagtighed, en hurtig hastighed og en stor robusthed. Da man samtidig ønsker en lav pris, har det medført en specialisering i griberens udformning. Denne specialisering har dog betydet at en given griber kun sjældent kan omstilles til anden produktion end den, den er udviklet til. De sidste par års øgede fokus på fleksibel produktion med lav omstillingstid har betydet, at der nu er ved at opstå et behov for mere fleksible gribere, der kan løse de udfordringer industrien står overfor.





Firgur 1: Illustration af to gribe typer, den parallelle og den rotationelle

Fremstilling af en kunstig hånd

Som nævnt kan man udforme griberne på et udtal af forskellige måder, og tit har man fundet inspiration fra dyreverden. Når man tænker på fleksible gribere, er det naturligvis den menneskelige hånd med dens store evne til at håndtere det utal af forskellige opgaver, der virker som den største inspirationskilde. Tanken om at kunne fremstille en kunstig hånd har gennem tiden optaget en hel række mennesker, men det var først i sidste århundrede, at man blev i stand til at fremstille styrbare hænder. Den hastige udvikling af den integrerede elektronik har betydet, at der indenfor de sidste 20 år er kommet rigtig gang i konstruktionen af eksperimentalhænder på universiteter og forsknings¬institutioner over hele verden. Dette har dog desværre endnu ikke medført at hænderne er blevet brugt udenfor laboratorierne.

En stor del af forklaringen på den manglende brug af robothænder udenfor forskerverdenen er den manglende robusthed og kompleksiteten af de fremstillede hænder. Den menneskelige hånd indeholder 23 frihedsgrader (se figur 2): 4 for hver af de fem finger, en til sammenklemning af hånden, samt to til orienteringen af hele hånden. Det er alt sammen drevet af omkring 40 muskler, der primært er placeret i underarmen. Endvidere har mennesket som en biologisk organisme muligheden for at regenerere det slid, der er ved brug af hånden. Dette sker typisk når vi sover.

Hvilken aktuator kan man bruge?

Ved fremstillingen af hænderne er spørgsmålet om hvilken aktuatorer kan man bruge, hvor kan de placeres meget centralt. Placering af aktuatorerne kan opdeles i to grundlæggende principper, enten kan alle akutatorer placeres i selve griberen eller også kan de som ved den menneskelige hånd placeres i en underarm. Ved at placere aktuatorerne i griberen fremstår griberen som et traditionelt værktøj. Dette giver en god integration med normale industri robotter, hvor robottens indbyggede styring kan bruges uden problemer.


Figur 2: Skematisk visning af frihedsgrader i menneskelignende robothånd (kilde: Shadow)

Ulempen ved at indbygge aktuatorerne i griberen, er den manglende plads, så designet bliver en afvejning af hvor meget kraft griberen skal have og dens størrelse. På nuværende tidspunkt vil en hånd med en kraft der kan løfte et par kg. have en størrelse, der svarer til 1.5 x en menneskehånd, et godt eksempel herpå er DLR Hand II. Det andet design princip, hvor aktuatoren placeres i en slags underarm give mulighed for at lave en mindre hånd, med flere frihedgrader, et godt eksempel herpå er robothånden fra Shadow Robot Company.

Ulemperne ved denne konstruktion er primært underarmen, der ikke let integreres med en traditionel robotarm. For at give en stabil bevægelse af hånden skal robotarmen have en større løfte kapacitet, for at kunne tage det ekstra moment underarmen giver. Det bedste ville her være en integration med en robotarm uden de yderste to led.

Øget sensor integration

Ved brugen af en fleksibel griber er en øget sensor integration vigtig, hvis der skal kunne opnås en præcis styring. Fra mennesket ved vi at en stor del af hjernens kapacitet går med processeringen af de sensor data, der kommer fra hænderne. Fra selve griberen skal der bruges et feedback fra aktuatorerne, så de kan stoppe og opretholde et givet tryk på det emne, der skal håndteres. Bedre bliver det hvis der er mulighed for at ”føle” hvilken kraft, som en griber udøver på emnet. Som en ekstra mulighed, har Shadow Robot Company indbygget en temperatur måler i hånden fingre, så man kan afgøre overflade temperaturen på det emne, der håndteres.

Ud over de interne sensorer bruges ofte eksterne signaler fra f.eks. video kameraer. Herved kan man bruge det visuelle feedback til en justering og kontrol af styringen.

I en undersøgelse lavet i 1970’erne (ref. H. H. von Muldau) har man kigget på antallet af aktiviteter, som en industri arbejder typisk skal lave og har sammenlignet det med det antal finger, som skal bruges til den samme aktivitet. Med to fingre kan man opnå 35% af de greb, som aktiviteterne gav ophav til, med tre finger kan man foretage 90%, og de sidste to finger giver så de resterende 10%.

Hvordan skal griberen anvendes?

For effektivt at kunne bruge de nye muligheder, som de fleksible griberne giver, er det nødvendigt at kunne planlægge gribernes anvendelse.

Som ved andre robotsystemer kan dette gøres ved brug af offline-simulerings og programmerings metoder. Men de traditionelle systemer yder i denne forbindelse ikke helt den støtte, som man ønsker, når man f.eks. skal afgøre hvilke gribepositioner, det er hensigtsmæssigt at bruge. I stedet kan man bruge mere dedikeret systemer, der primært kigger på selve gribe processen. Det mest udbredte gribe simulerings program er pt. GraspIt! (se figur 3), der er frit tilgængeligt fra Columbia University, NY (ref. A. T. Miller). GraspIt! har bl.a. indbygget en metode til at lave en vurdering af hvor gode forskellige gribe konfiguration er. Men programmet er ikke helt udbygget bl.a. er dens muligheder for at lave automatisk planlægning meget begrænset.

MoveBots - et fire-årigt udviklingsprojekt

På Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet ved Syddansk Universitet har man arbejdet på mere automatisk metoder til udformningen af griberens kæber, så de automatisk kan hjælpe med til at positionerer det valgte emne mere nøjagtigt (ref. L.-P. Ellekilde) (se figur 4). Disse metoder skal i de kommende år udbygges, så de omfatter fleksible gribere.

For at få den fleksible emnehåndtering bragt fra universitetsverden over til industrien, blev innovationskonsortiet MoveBots startet i slutningen af 2006. MoveBots er et fire-årig udviklingsprojekt, hvor Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet, RoboCluster, Teknologisk Institut, AMROSE Robotics, Bila, Grundfos, Ideal-Line, Robo Tool, Scape Technologies, Tender Innovation, TriVision, T&O Stelectric, Unisensor og Universal Robots skal samarbejde om at udvikle nye metoder til emnehåndtering. Et af målene i projektet er at opstille en robotcelle, hvor fleksible gribere skal afprøves i industrielle omgivelser.

Med den nyeste udvikling er det altså i dag muligt at købe fleksible gribere, der vil kunne anvendes i industrien. Disse enheder har endnu en stor styk pris, men det vil falde de næste par år, efterhånden som der kommer et stigende salg.

Yderligere oplysning

Niels Jul Jacobsen
Projektchef - MoveBots og Handyman
Tlf. 6550 4366
njj@robocluster.dk


Figur 3: Skærmdump fra GraspIt! Simuleing


Figur 4: Test af automatisk objekt justerings metode.

Referencer
  • H. H. von Muldau: Mensch und Roboter, Herder Verlag, Wien 1975
  • A. T. Miller: GraspIt!: A versatile simulator for robotic grasping, Ph.D. dissertation, Dept. of Computer Science, Columbia University, 2001
  • L.-P. Ellekilde og Henrik G. Petersen, Design and Test of Object Aligning Grippers for Industrial Application, IROS 2006

Oprettet: 02.07.2007

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