från forskning till småföretag

Transkript

1 Föreläsning EDA021: Robotar och realtid från forskning till småföretag Baserat på docentföreläsning dec 2005: R e s u r s m e d v e t e n R o b o t i k Klas.Nilsson@cs.lth.se Översikt Princip Begrepp Problem Perspektiv Strategi Teknik Forskning Framsteg Tid Robotar och realtid - från forskning till småföretag 2 2

2 Effektivt resursutnyttjande Vi har alla en känsla för att effektiv användning av resurser är viktigt. Hantering av resursbegränsningar helt avgörande inom produktutveckling (mobiltelefoner etc.) och tillämpad forskning (inbyggda system etc.) Ytterligare frågeställningar:? Resurspekter för omgivande system, från styrsystem och maskin till global nivå,? Hållbarhet (teknik, tillväxt, välstånd)?? Har robottekniken någon speciell/strategisk roll? Robotar och realtid - från forskning till småföretag 3 3 Resurser Resursdefinitioner: q Tillgänglig källa för stöd eller välstånd, som kan förbrukas vid behov [Princeton] q Allting som har identitet [wikipedia-cs]. q Allt som är naturligt förekommande och till nytta för människan [geografhic.org]. q Personer, utrustning eller material som behövs för att utföra en uppgift [Georgetown]. q Allt som används eller konsumeras vid utförandet av en function [Linux]. q Entitet som en organism använder eller konsumerar under dess livstid [estuaries.gov]. q Substans eller plats som en organism behöver för sin tillväxt, underhåll eller reproduktion [EU] Resurstyper Naturresurser Mänskliga resurser Tekniska resurser Semiresurser Ekonomiska Personal Försvars Etc. Globalt kritiska resurser Energi Vatten Råvaror Robotar och realtid - från forskning till småföretag 4 4

3 Tekniska resurser: inbyggda system Resurser inbyggda system Processortid Minne Kommunikation Enhetsfysiska (energi,..) Utvecklingsstid Begränsade och kopplade, nyttja optimalt för bästa möjliga produktegenskaper och vinst Cost: Production Market opportunity Interface: Interoperability Openness Usability Client satisfaction Adaptation: Portability Modifiability Evolvability Expandability Flexibility Configurability Reusability Scalability Performance: Performance (Speed) Timeliness (Deadlines) Determinism Security Robustness Reliability Availability Safety Design: Feasibility Maintainability Understandability Correctness Simplicity Integrability Testability&Debugging Tekniska resurser för hantering av råvaruresurser: Robotar Robotar och realtid - från forskning till småföretag 5 5 Robotar Robotdefinitioner q Programmerbar mekanisk manipulator med minst fyra frihetsgrader. [ASEA klassisk] q Uppgiftsoberoende mekanisk enhet med minst tre frihetsgrader som utför en uppgift enligt givna i enheten ej inbyggda instruktioner vilka kan vara kommandon, program eller beskrivning av önskat resultat. Alternativt kan en robot utföra direkt motorik om operatörens snabbhet/styka/precition/närvaro förbättras på ett för tillämpningen avgörande sätt. [Klas 2005] Robotar och realtid - från forskning till småföretag 6 6

4 Produktion och tillverkningssystem Överlevnad kräver naturresurser: Mat/odling, Vatten, hälsa, skydd/säkerhet, samhörighet Välstånd/arbete dessutom Materialtillgång Produktion/tillverkning (Annat arbete grundas på dessa.) Tillverkningssystem (eng: manufacturing) innebär teknik för transformering av resurser till produkter som uppfyller kund- markandskrav. Därför, välstånd kräver god produktionsteknik. Hållbart välstånd även god återvinningsteknik! Prestanda/flexibilitet för lönsamhet/produktivitet: Robotar och realtid - från forskning till småföretag 7 7 Prestanda och händighet: snabba och korrekta rörelser Återkoppling från arbetsresultat till rörelser: Prestanda kräver lågnivåreglering (direkt gensvar) Tillämpbarhet kräver högnivååterkoppling (via användar-abstraktioner) Traditionella ansatser: 1. Akademiskt: Fult öppet generellt styrsystem; Komplicerat för enkla tillämpningar och svårt att säkerställa grundfuntionalitet för industriellt bruk. 2. Industriellt: Inkapslade tekniskt optimerade styrfunktionerer; för kända tillämpningskrav. Modularitet utformad för positionsreglering, endast specifikt stöd för återkoppling från yttre sensorer. Framtida sensorbaserad styrning har krävt förändringar vertikalt (på alla nivåer i styrsystemet, i många funktioner, bland multi-mloc). Teknikgap (10-20 år) mellan akademi och industri; stor kompetens men olika verkligheter. LTH-ansatsen: Kaskadkopplade realtidsprogramvaror: snabba reflex + medveten korrigering! Nära samverkan mellen forskning LTH och systemutveckling ABB: Integrerad lösning! Långsiktigt arbete med riktig implementering: Prototyp med produktiseringsmöjligheter! Implementering i tidigare projekt: Robotar och realtid - från forskning till småföretag 8 8

5 AUTOmatic defettling; gjutgodsrensning Robotar och realtid - från forskning till småföretag 9 9 EURON TechTransfer Award 05: Open platform for skilled motions in productive robotics Master Control Application Task description ABB controller VxWorks Work Cell controller Robot Language RPL/XML Trajectory generation 5Hz Path sync Arm control 250Hz <1ms Motor control Linux Arm Windows (any OS) user space kernel space F/T-sens. 8kHz Robotar och realtid - från forskning till småföretag 10 10

6 Role of Academia Torgny Brogårdh, Company Senior Specialist, ABB Robotics: Of course, robot manufacturer can develop advanced force control functionality using state of the art concepts by themselves. However, it is very difficult for a market driven industrial organization to mix short term product development with long term R&D targeting the research frontier. Thus, ABB points out that they had never been able to develop the innovative and high performance force control concepts for a wide range of applications without the long term R&D collaboration with the University of Lund. Moreover, even when the functionality is a product in the IRC5 controller, the open platform will be very important for ABB for the future development of new algorithms and new applications. Examples of such algorithms and applications are force controlled robot teaching, residualbased robot safety concept, force controlled metal sheet deformation and bending, robot elasticity compensation and automatic process model identification Robotar och realtid - från forskning till småföretag Prototyper och produkter Stubslipning och avgradning Unik prototyp hos slutkund Fortsatt forskning och produktutveckling pågår Montering: produkt Montering av koppling/momentomvandlare i produktion [@Ford] Implementerad i ABB:s nylanserade robotstyrsystem IRC5 Gemensam platform för forskning och applikationsutveckling, hos ABB Robotics (internt) Lund University Avancerade systemintegratorer Robotar och realtid - från forskning till småföretag 12 12

7 Duktiga robotar för tillverkningsystem Idag (för stora företag): Bra men komplicerade robotsystem. Prestanda/ produktivitet baserat på systemmodeller och sensor-motor återkoppling. Imorgon: Enklare och billigare teknik för dagens små företag (i Europa, annars Kina): Behöver Duktig robot för små och medelstora företag! Vår produktion nära vår marknad, av resursskäl! Nystartat projekt; SMErobot: Robotar och realtid - från forskning till småföretag Duktig robot En duktig robot skall: Förstå uppgiften Enkelt Flexibelt Utföra uppgiften Noggrant Snabbt Vara resurseffektiv Elektromekaniskt Tillverkningskostnad Energi Driftsättning/installation Hur skall robottekniken anpassas till småföretagen? Robotar och realtid - från forskning till småföretag 14 14

8 Ny robotprincip [ABB] Hög prestanda som för 6-leds parallell robot Stort arbetsområde och god flexibilitet som för traditionell seriell robot Robotar och realtid - från forskning till småföretag Parallell-Kinematisk Manipulator (PKM) Begränsningar: Traditionellt, för varje frihetsgrad/led adderas: Ledvekhet Ledonoggrannhet Masströghet och kostnad för driv-system ( av total kostnad) Ny PKM-struktur Verktygsorientering? Robotar och realtid - från forskning till småföretag 16 16

9 PKM av Gantry-typ Klassisk Gantry traversliknande PKM-princip 3 av 6 möjliga DOF LTH lab ABB-prototype Robotar och realtid - från forskning till småföretag Simulering av PKM av Gantry-typ Takmonterad: Pespektiv Sidovy Topvy Robotar och realtid - från forskning till småföretag 18 18

10 Intuitiv uppgiftsbeskrivning Ytscanning med roboten: CAD- Modell Uppmätta punkter på arbetsstycket Automatisk anpassning Kraftreglering Helautomatiskt! Operatören behöver inte känna Till något om CAD-modellen. Surface curvature classification Surface boundary classification CAD data driven feature extraction Least squares fitting to CAD model Work object coordinate system calculation Local robot kinematic error calculation Automatisk Kalibrering & Generering av robotprogram Styrsystem Robotar och realtid - från forskning till småföretag Duktig & lätt robot i litet företag Installation: Lätt att flytta Intuitiv kalibrering Instruktion: Enkel lead through Intuitivt med CAD data Intuitiv redigering Intuitiv uppgiftsdefinition Produktion: Enkel finjustering Intuitiv felhantering Kan användas som assistent # Ny mekatronik skapar nya möjligheter!! Robotar och realtid - från forskning till småföretag 20 20

11 SMErobot Fyraårikt EU-projekt, med LTH som huvudsaklig akademisk partner, tillsammans med Europas robotföretag. Video... DVD: Coffee Break Se för online-version samt vidare info. Ytterligare bilder kring vision och koppling till resurshantering Robotar och realtid - från forskning till småföretag : SMErobot inriktning 1 The robot capable of understanding human-like instructions By novel adaptation of computer/consumer electronics for low-cost robot interaction, we claim it is possible to create a robot capable of understanding human-like instructions. Devices of interest include ordinary computer peripherals to be made robust and integrated in new ways, but also the use of completely new devices that until now have never been thought of in a robotics context. One example, considering current SME manufacturing practices, is the use of so called digital paper and a position/orientation/forcesensing pen as a pointing device. Here the plan is to collaborate among others with Anoto, a highly innovative SME that has been 65 patent applications filed in Europe, and 110 worldwide. In the USA, where the patent process in faster, the following patents have so far been granted: US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , US , and US SMErobot 1: Billig mekatronik via konsumentelektronik Robotar och realtid - från forskning till småföretag 22 22

12 : SMErobot inriktning 2 The safe and productive human-aware space-sharing robot By the use of non-symmetric parallel structures enabling intrinsically safe robots that are stiff (accurate) and have lowweight (fast, safe), in combination with (traditional and new light-weight) serial manipulators, it will for the first time be possible to realize the safe and productive human-aware space-sharing robot. Safe but slow and/or inaccurate robots exist, as well as robots that are productive for large and medium enterprises, but the development of safe and productive (i.e., fast and accurate) robots is a central radically innovative concept based on the use of parallel kinematics. As for any parallel kinematics robot the drive systems are all centrally located (not in the links as now is the case), enabling lower cost and higher accuracy/stiffness. Additionally, in combination with low-weight serial links depending on application needs, the novel kinematical structure enables a large work space, inherent safety, and new ways to calibrate and interact within the SME workplace. The list of granted and exploitable patents includes: WO , WO , WO , WO , WO , WO , WO , WO SMErobot 2: Ny mekatronisk robotprincip Robotar och realtid - från forskning till småföretag : SMErobot inriktning 3 The three-day-deployable integrated robot system By developing novel mechanisms for predictable realtime interconnections of devices, and European-wide integration with the ability to establish new worldwide standards for modular components, the threeday-deployable integrated robot system comes within reach. The novelty here is the combination and integration of principles, followed by standardization for maximum impact. Cell-control systems with easily pluggable components are needed for rapid verification and configuration of work-cell setup, with support for simulation and program generation.... Proper cell configuration will be a matter of a few minutes instead of several hours. SMErobot 3: Pluggbar mekatronik; Inbyggd programvara? Robotar och realtid - från forskning till småföretag 24 24

13 Den ljusnande robotframtiden q Våra resurser försumbara, men påverkansmöjligheterna stora! Egna bidrag : Visionen för Datavetenskap; Resource-aware computing Produktiva robotar för effektivt resursutnyttjande. Huvudaktör i EUs nu största robotsatsning SMErobot, produktion nära marknad. Referensgrupp inför EU:s FP7 IEEE Robotics&Automation Society (RAS) next vision: IEEE RAS IAB initiative on Sustainable Manufacturing... Generating new Reglerteknisk tolkning av VINNOVA-resurser: Human errors Products Processes Services Knowledge Technology Resulting in Market changes Long-term effects Business Public actors Research Leading to Short-term Long-term Society Create Promotion Environment Sustainable growth VINNOVA The vision of the IEEE Robotics and Automation Society is to be the leading organizer of technical and scientific activities that lead to human-assisting robots and automation that provide services for global prosperity and quality of life. Resurser&Robotar Conditions Objective Välstånd Robotar och realtid - från forskning till småföretag Slut, tack, frågor? Tack för uppmärksamheten Tack till alla medarbetare inom LTH och ABB Vidare information kommer på: Min fråga: Hur relaterar resursmedveten robotik till ditt teknikområde? Era frågor? Robotar och realtid - från forskning till småföretag 26 26

14 Postludium: Sammanfattning Resurmedveten Robotik Hantering av resursbegränsningar är av avgörande betydelse inom såväl produktutveckling som tillämpad forskning. I ett produktnära perspektiv har vi exempelvis de tekniska resurserna för s.k. inbyggda system, som kan sägas bestå av processortid, minne, kommunikation, enhetsfysiska resurser (såsom utrymme och energi) samt ingenjörstid. Resursernas åtgång och begränsning är ofta kopplade till varandra, och med mera resurser kan enhetens egenskaper såsom prestanda förbättras. För elektromekaniska system blir oftast de fysiska begränsningaran avgörande för vad som går att uppnå. Inom mekatronik integreras inbyggda system och elektromekanik, och med en optimerad konstruktion kan exempelvis en resurseffektiv (snabb men billig) robot skapas. Om en sådan robot göres lättanvänd och produktiv för varierande typer av företag och tillämpningar så skapas nya möjligheter för tillverkningssystem, som i sin tur utför transformering av just resurser till produkter. Kopplat till globalt begränsade materiella resurser och behovet av en hållbar tillväxt som kräver fysiskt arbete för såväl produktion som återvinning, så visar detta på behovet av robotik med flexibla anpassningar mot "hållbara" tillverkningssystem. En sådan ansats skulle kunna kallas resursmedveten robotik, som då grundar sig på användarvänlighet och unika mekatroniska lösningar. Ett förverkligande kräver god strategi i kombination med tillämpningsbara framsteg inom reglerteknik och programvaruteknik Robotar och realtid - från forskning till småföretag 27 27