Robot och människa samarbetar på riktigt

Robot och människa samarbetar på riktigt Människan och en stor stark robot monterar den tunga kåpan tillsammans Sammanfattat x Projektet Tomm undersöker hur människor kan arbeta gemensamt med stora robotar. x En demonstrationsanläggning där en montör och en robot tillsammans monterar en svänghjulskåpa på en bilmotor har redan byggts. x Ytterligare en anläggning ska byggas baserat på en idé från Volvo Cars. x Övriga i projektet är Volvo ab, Swerea ivf och Linköpings universitet. Den stora roboten sträcker ut armen med svänghjulskåpan genom öppningen i stängslet. Montören går fram till robotarmen, tar tag i två handtag på gripdonet och lotsar robotarmen mot lastbilsmotorn som står en liten bit bort. Medan roboten står för lyftkraften, står människan för precisionsarbetet att styra in kåpan exakt på de två styrstiften på motorns sida. När kåpan är på plats, lossas gripdonet, montören drar tillbaka armen och lämnar av den i öppningen till det område där roboten på egen hand hämtar en ny kåpa till nästa motor. Medan den gör så, skruvar montören fast kåpan på motorn. Nej, det är inte en bild från Scanias motorfabrik i Södertälje, men skulle kunna bli. Och nog är det en riktig robot, som tillsammans med en människa monterar svänghjulskåpan på motorn, även om den står på universitetet i Linköping. Och uppgiften utförs på riktigt av en montör. Med riktiga komponenter, motorer och inte minst en stor robot kapabel att lyfta 200 kg. Effektivt och ergonomiskt Det här är ett nytt sätt att se på samverkan mellan människa och robot, säger Lars Oxelmark, som arbetar med global industriutveckling hos Scania. Det är inte bara fråga om att roboten och människan jobbar sida vid sida, de samarbetar om en gemensam uppgift. Som det är idag, behövs tre montörer som tar fram, placerar och skruvar fast svänghjulskåpan manuellt. Om man kan låta en robot och mänsklig montör arbeta gemensamt, når man flera fördelar, säger han. För det första kan man effektivi- Människan styr, roboten lyfter. Björn Backman från Swerea ivf demonstrerar hur han styr robotarmen för att montera svänghjulskåpan på motorns kortsida. 17

sera monteringsarbetet. Men det är bara en av vinsterna, menar Lars Oxelmark. Om montörerna slipper lyfta kåpan, förbättras ergonomin vid monteringen. Och ergonomi är något vi på Scania har mycket fokus på. Svänghjulskåpan är tung, berättar han. I sin lättaste version väger den 14 kg, den tyngsta närmare 60 kg. Den ska placeras på motorns sida med stor precision. Kan roboten stå för lyftkraften slipper montörerna bära de tunga kåporna och kan koncentrera sig på att styra in kåpan exakt där den ska sitta. Nytt sätt att jobba med stor robot Samarbetsrobotar är ett hett ämne just nu. De senaste åren har flera tillverkare presenterat robotar som är så säkra att de får arbeta tillsammans med människor utan skyddsbarriärer emellan. Men det är så gott som alltid frågan om små robotar, med en lyftkraft på några kg. Ett par av dem skulle klara att lyfta en svänghjulskåpa på 14 kg, men absolut inte 50 kg. En liten samarbetsrobot är enklare att göra säker än en stor. Men att enbart använda sig av små samarbetsrobotar innebär förstås en begränsning. Kan man låta människor och stora robotar arbeta tillsammans med en gemensam uppgift, skulle det innebära stora vinster. Därför pågår i Sverige ett forskningsprojekt för att utvärdera hur stora robotar kan samarbeta med människor i produktionen. Projektet heter Tomm, en förkortning som ska uttydas Team of Man and Machine. I projektet ingår alla de stora svenska bilföretagen, Scania, personbilstillverkaren Volvo Cars och Volvo ab som tillverkar lastbilar och andra nyttofordon. Dessutom deltar Swerea ivf och Linköpings universitet. Bygger två anläggningar Den demonstrationsanläggning som står på universitetet i Linköping, är att av projektets 18 Alla tre biltillverkarna deltar Kan roboten stå för lyftkraften slipper montörerna bära de tunga kåporna. Det förbättrar ergonomin vid monteringen. Lars Oxelmark, global industriutveckling, Scania Projektet tomm, Team of man and machine, startade 2013. Målet är att undersöka samarbetsformer mellan människor och stora robotar. I projektet deltar de tre svenska biltillverkarna Scania, Volvo ab och Volvo Cars. Även Swerea ivf och Linköpings universitet ingår i samarbetet. Vinnova har bidragit med en del av finansieringen. tomm är nu inne i sin andra fas, där man bygger två demonstrationsanläggningar för att undersöka hur tekniken kan fungera i praktiken och inte minst vilka problem som behöver lösas. Den första demonstrationsanläggningen byggde på en idé från Scania och den delen är nu avslutad. Under det kommande året, ska man bygga upp en ny anläggning som baseras på ett förslag från Volvo Cars. Forskningsprojektet väntas avslutas under 2018. resultat. Inom ramen för Tomm-projektet kommer två demonstrationsanläggningar i full skala att byggas. I mars var det visning av den första anläggningen som byggts efter ett förslag från Scania, där alltså en svänghjulskåpa monteras av en människa och en robot tillsammans. Syftet med demonstrationsanläggningen är att undersöka hur tekniken fungerar, och att identifiera områden som vi behöver forska mera om, säger Sten Grahn, på Swerea ivf om är projektledare för Tomm. Storleken är betydelsefull Skillnaden på att använda en stor samverkansrobot och en liten sådan i produktionen är betydelsefull. Har man en kraftig robot, kan människan och roboten verkligen utföra uppgifter tillsammans, som i den här demonstrationsanläggningen. På det viset, kan man utnyttja de bästa egenskaperna hos var och en, förklarar han. Då kan man till exempel kombinera människans precision med robotens styrka. Det blir en betydligt enklare lösning än om man ska automatisera hela arbetsuppgiften. Har man en liten samarbetsrobot, blir det mest fråga om att människa och robot kan arbeta i samma område, men med olika uppgifter och möjligen överlämna saker till varandra. Något verkligt samarbete där båda bidrar till en gemensam uppgift blir det knappast, anser Sten Grahn. Kan lyfta 200 kg Och nog är det en stor robot man använder till försöken vid Linköpings universitet. Det är en Kuka-robot kapabel att lyfta 200 kg. Mer än vad som egentligen behövs för de tillämpningar man ska prova i projektet. Men å andra sidan visar den ju på poängen med demonstrationen. Dessutom är ju inte lyftkapaciteten allt, även räckvidden är viktig. Roboten i anläggningen är inte bara stor, det är dessutom en vanlig robot, inte en så kalllad samarbetsrobot som är specialbyggd för att säkert kunna arbeta ihop med människor. Men säkerheten är förstås en central fråga. Här har man valt en annan lösning än i de kommersiella samarbetsrobotarna, som ofta bygger på sensorer som känner av om roboten stöter på ett hinder och då stannar omedelbart. Två zoner med olika regler I Tomm-projektets första demonstrationsanläggning har robotens arbetsområde delats in i

FOTON: DAG TOIJER Fadi Basher, produktionstekniker på Scania, får goda råd inför provkörningen av Varun Gopinath på Linköpings universitet som jobbat med säkerheten i systemet. två zoner, en där roboten arbetar helt självständigt, autonomt, och en där robot och människa arbetar tillsammans. I den zon där roboten arbetar på egen hand, kan den röra sig med högre hastighet och styrs av robotprogrammet. I den gemensamma zonen krävs att montören styr roboten. Dessutom är hastigheten begränsad till 25 cm/s. Roboten är programmerad att utföra sina uppgifter i den egna zonen och därefter förflytta gripverktyget med kåpan till den position där montören ska ta över till samverkande drift, förklarar Sten Grahn. När roboten kommit dit stannar den och väntar. En grön lampa tänds och operatören kan gå igenom ljusridån som skiljer zonerna åt för att ta över styrningen. Styr med två handtag Att robotens arbetsområde är indelat i två zoner, motsvarar att den i verklig produktions skulle utföra flera olika arbetsuppgifter, där människan bara behöver bidra till en del av dem. I robotens egen zon hämtar roboten kåpan som ska monteras, flyttar den till en vagga där den förses med ett tätande lager av silikon runt kanterna, och sträcker sedan ut armen med kåpan genom en öppning som utgör gränsen mellan de två zonerna. Så fort den sträcker ut gripverktyget med kåpan genom öppningen, gäller andra regler och montören tar över styrningen. Alla dessa moment utförs dock inte i demonstrationsanläggningen, där man koncentrerat sig på de uppgifter där montören deltar. Att en robot arbetar självständigt är knappast något som kräver forskning. För att styra roboten har montören två handtag fästa på gripverktyget. Båda är utrustade med tryckknappar, och montören måste trycka in båda för att roboten ska röra sig. Genom detta tvåhandsgrepp undviker man risken för klämskador mellan kåpan och motorn. Många namn på samma robotar industrirobotar i den form vi känner dem har funnits i över 50 år. De första 10 åren var de pneumatiskt drivna men på 1970-talet byggde Asea, en av föregångarna till abb, den första elektriskt drivna industriroboten. hittills har robotarna haft ett stort handikapp, de har ansetts som så farliga att de arbetat i inhägnade områden för att inte skada människor som kommer i närheten. I alla fall om robotarna varit något sånär stora och starka. Nu börjar vi dock se flera exempel på robotar som anses tillräckligt säkra för att arbeta nära människor. Hittills har dock sådana robotar varit små, lyftkapaciteten ligger under 15 kg och ofta betydligt lägre. De har inte heller särskilt stor räckvidd. Undantaget är en robot från Fanuc, cr-35 ia, som kan lyfta 35 kg och når 1,8 m. Men att, som i Tomm-projektet, låta en robot som kan lyfta 200 kg samarbeta nära med människor är fortfarande på forskningsstadiet. på senare år har intresset för robotar som kan arbeta ihop med människor utan skyddsbarriärer emellan ökat avsevärt. Därmed har man behövt en beteckning för just denna typ av robotar. På engelska kallas en sådan robot ofta för collaborative robot. Ibland ser man detta förkortat till cobot, ett ord som dock ogillas av många som arbetar med sådana. På svenska finns flera beteckningar. Det engelska begreppet har försvenskats till kollaborativ robot. Mer beskrivande är dock samarbetsrobot eller samverkande robot. Har man en stor och starkt robot, kan människan och roboten verkligen utföra uppgifter tillsammans, inte bara jobba sida vid sida utan stängsel. Sten Grahn, forskare Swerea ivf 19

För att styra roboten, trycker eller drar montören helt enkelt på handtagen. Via en gemensam kraftsensor känner den av hur montören vill att armen ska röra sig. Gärna smarta handskar För att prova montörernas reaktion på det tänkta hjälpmedlet har Scania låtit ta dit några av dem för att provköra. Reaktionen var genomgående positiv. Och produktionsteknikern Fadi Basher, tyckte att det var kul att känna att roboten rörde sig dit han ville. Tvåhandsgreppet funkar, men det är klart att jag gärna skulle vilja ha något bättre styrverktyg. Det har pratats om smarta handskar, och det skulle nog vara en bra idé. Positiva reaktioner alltså, men det betyder inte att uppställningen kommer att flyttas från Linköping till fabriksgolvet hos Scania och tas Styrdonet består av två handtag på robotens gripdon. För att undvika klämskador måste båda aktiveras för att robotarmen ska röra sig. Svårare göra stor samarbetsrobot säker De senaste åren har flera tillverkare presenterat robotar som är så säkra att de får arbeta tillsammans med människor utan skyddsbarriärer emellan. Men det är så gott som alltid frågan om små robotar, med en lyftkraft på några kg. Och en liten samarbetsrobot är betydligt enklare att installera än en stor, förklarar säger Sten Grahn, forskare på Swerea ivf. En liten robot sätts ofta in i ett existerande produktionsflöde. Man behöver bara avdela ett arbetsområde för den lilla roboten och se till att man har lösningar som klarar av att hantera en situation då en operatör kommer innanför arbetsområdet. I princip är det dessutom bara en typ av skada som måste förhindras, menar han, att operatören träffas för hårt av den rörliga armen. Installation av en riktigt stor samarbetsrobot påverkar däremot både säkerheten och hela produktionsflödet på många sätt. Med en stor robot kan man välja både automationsnivå, områden där roboten arbetar självständigt och där de samverkar med människor, överlämningen mellan autonom drift och samverkande drift, hur man hand-guidar roboten och olika utformning av logistiken runt roboten. Varje sådant val påverkar säkerheten, understryker Sten Grahn. Dessutom kan många fler typer av skador inträffa då man använder en stor En riktigt stor samarbetsrobot påverkar både säkerheten och hela produktionsflödet på många sätt. Sten Grahn, forskare Swerea ivf robot, exempelvis slag, klämning mellan robotarmarna, klämning i monteringsläget liksom olika typer av skador som beror på de komponenter man arbetar med, exempelvis stickskador om roboten hanterar vassa komponenter. Eftersom en stor robot har större räckvidd kan den dessutom komma åt fler ställen på montörens kropp, till exempel ögonen. Man måste också ta hänsyn till hur montörerna accepterar att arbeta i direkt fysisk samverkan med en robot, understryker Sten Grahn. 20

FOTO: DAG TOIJER Hellre skulle man ha någon typ av smarta handskar, som registrerar hur montören vill att roboten ska röra sig. Vi har börjat titta på ett projekt som vi kallar Taktibot för att undersöka den saken. Men det är ett spjutspetsprojekt. Sten Grahn, Swerea ivf Roboten som används i Tomm-projektet kan lyfta 200 kg. i drift. Lars Oxelmark från Scania, understryker att det fortfarande är forskning. Vi har kommit en bra bit på väg, men det återstår en hel del innan anläggningen skulle kunna användas i verklig drift, säger han. Hastigheten behöver öka för att klara takttiderna. Dessutom återstår att ce-märka 21

anläggningen innan den över huvud taget får användas i fabriken. Det är nog inte så lätt, även om jag säkert tror att det är fullt möjligt. Hittar nya forskningsområden Alla projektdeltagarna understryker att Tomm är ett forskningsprojekt. Syftet är inte att bygga en fungerande uppställning, som kan flyttas direkt ut till en fabrik. Istället är målet att undersöka hur tekniken fungerar och att hitta områden där man behöver forska vidare. En viktig uppgift är just att avgöra vad som verkligen bör leda till forskningsprojekt. Vissa saker lämpar sig för forskning som många deltar i, annat klarar företagen bättre själva, säger Kerstin Johansen, docent i integrerad produkt- och produktionsutveckling vid Linköpings universitet. Demonstrationsanläggningarna visar var vi behöver mera gemensam forskning. Modell för säkerheten Hittills har Tomm-projektet lett vidare till två nya forskningsprojekt. Det ena handlar om att skapa en generell modell för hur man hanterar säkerheten i ett system där människa och robot samarbetar, säger Sten Grahn. Säkerheten påverkas av många flera parametrar om man använder en stor samarbetsrobot. Men det finns ingen utvecklad och testad säkerhetsstrategi som hanterar alla dessa. Det regelverk som finns för säkerhet som är applicerbart för samverkande robotar bygger på zonsegregering, vilket gör att det är användbart för små robotar, men då vi arbetar i direkt kontakt med roboten saknas ett väl utvecklat regelverk. Därför har man redan satt igång ett forskningsprojekt om en ny modell för hantering av säkerheten. Det har fått namnet Scor. Demonstrationsanläggningarna visar var vi behöver mera gemensam forskning och vilka utmaningar industrin kan lösa själva. Kerstin Johansen, docent i integrerad produkt- och produktionsutveckling vid Linköpings universitet. Förstudie av spjutspetsteknik Ett annat forskningsområde som man identifierat gäller bästa sättet för montören att styra roboten. Lösningen med två handtag fästa på robotens gripdon är inte särskilt effektiv, menar Sten Grahn. Hellre skulle man ha någon typ av smarta handskar, som registrerar hur montören vill att roboten ska röra sig. Vi har börjat titta på ett projekt som vi kallar Taktibot för att undersöka den saken. Sten Grahn poängterar dock att smarta handskar i sådana här tillämpningar verkligen är ett spjutspetsprojekt. Och hittills har man bara fått pengar för en förstudie av hur ett sådant projekt skulle kunna drivas. Praktikfall från Volvo Cars Helt nya forskningsprojekt i alla ära, framförallt ska Tomm-projektet gå vidare. Den första demonstrationsanläggningen är inte bara klar, den är redan riven till förmån för nästa. Komponenterna, inte minst roboten, kommer att användas i en ny anläggning, den här gången ett praktikfall som Volvo Cars vill prova. I Volvos fall är uppgiften en annan än i den första anläggningen. Vid sammansättningen av bilarna, skruvar montören fast en panel på bilens undersida, som då befinner sig ovanför montören. Nu vill Volvo Cars prova nytt sätt att lösa uppgiften som inbegriper hjälp av en samarbetsrobot. Roboten får placera panelen där den ska sitta under bilen och håller den sedan på plats medan montören skruvar fast den. Rör sig under monteringen Att hålla panelen på plats medan den skruvas fast innebär en utmaning som inte fanns i Scanias praktikfall. Hos Scania skulle roboten ingå i ett taktat flöde, det vill säga motorn står still medan kåpan sätts på plats. Först när den är monterad flyttas motorn vidare till nästa monteringsstation. Hos Volvo Cars utförs däremot monteringen medan bilen rör sig längs monteringslinjen. Det betyder att robotarmens ände som håller fast panelen måste röra sig i samma jämna takt som karossen längs banan. Roboten själv står däremot fast på golvet hela tiden. Sex meter hinner bilen röra sig under monteringsarbetet. Det ställer kanske inte så stora krav på styrka hos roboten, däremot på räckvidd. Och förstås på att den rör sig jämnt. Och säkert. Den nya demonstrationsanläggningen kommer ta cirka ett år att färdigställa, med uppbyggnad, programmering och allt annat som hör till. När den är klar och provad, är fas två av Tommprojektet avslutat. Om det blir någon fortsättning, eller om de deltagande företagen går vidare på egen hand, återstår fortfarande att se. Dag Toijer 22