ABI Research w swoim raporcie na temat sektora egzoszkieletów pasywnych przewiduje, że rynek ten do 2025 r. osiągnie wartość 1,8 mld dolarów. Ocenia się, że jeden z najsilniejszych trendów wzrostowych będzie dotyczył egzoszkieletów przemysłowych – rozwiązań, które mają na celu wzmocnienie pracownika i zapewnienie dodatkowej ochrony przed obrażeniami.
Jednym z wyzwań epoki robotów w przemyśle produkcyjnym jest ułatwianie koegzystencji i współpracy ludzi oraz robotów o zaawansowanych funkcjach i wysokich możliwościach. Veo Robotics – startup z Cambridge w stanie Massachussets w USA opracowuje technologię, która ma temu sprostać.
Wypełnić lukę między człowiekiem a robotem
– Uważamy, że ludzie i roboty doskonale się uzupełniają pod względem możliwości, a umiejętna organizacja współpracy możliwości te jeszcze zwiększa – stwierdza Clara Vu, współzałożycielka i wiceprezes ds. technicznych firmy Veo Robotics. – W całym przemyśle produkcyjnym istnieją takie zadania, przy realizacji których można efektywnie połączyć ludzkie zdolności manualne, umiejętność oceny sytuacji oraz elastyczność z siłą, szybkością, precyzją i powtarzalnością ruchów robotów.
– Zasilanie robota oraz jego siła mechaniczna są oczywiście ważnym elementem, jednak rozwiązują one tylko część problemu – dodaje Clara Vu. – Zgłaszają się do nas klienci, którzy np. chcą, by robot podnosił ciężki element i trzymał go w określonej lokalizacji, gdy pracownik będzie wykonywał na nim jakieś operacje.
Clara Vu dostrzega duże zapotrzebowanie na system, który potrafi wykorzystać niewiarygodną siłę, szybkość i submilimetrową precyzję standardowego robota przemysłowego, ale jednocześnie ma możliwość współpracy z ludźmi. Współzałożyciele firmy Veo Robotics mają ustalone poglądy, jak odpowiedzieć na ten popyt.
Firma Veo Robotics poszukuje rozwiązań wypełniających lukę pomiędzy ludźmi a robotami przez wsparcie rozwoju robotów w zakresie lepszej percepcji swojego otoczenia i umożliwienie im zrozumienia tego, co dzieje się w ich gniazdach.
– Nasz system różni się od zwykłego, polegającego np. na zainstalowaniu skanera laserowego w funkcjonalnej jednostce bezpieczeństwa. Nasz system rozumie, co dzieje się w gnieździe roboczym oraz co robi sam robot. Realizujemy tę „inteligencję” oraz ruchy robota w technologii 3D, która sprawia, że system jest bardziej elastyczny i inaczej reaguje na kogoś wyciągającego rękę, a inaczej na kogoś wchodzącego do gniazda robota.
Jak stwierdza Clara Vu, podstawą systemu firmy Veo Robotics jest integralne połączenie sprzętu i oprogramowania.
– W naszym systemie sprzęt składa się z dopasowanych do aplikacji i posiadających certyfikaty bezpieczeństwa czujników ToF (time-of-flight – generujących wiązkę światła i mierzących czas, jaki wiązka ta potrzebuje na powrót do czujnika po odbiciu od obiektu – przyp. tłum.), wysyłających dane do wbudowanego komputera o dużej mocy obliczeniowej, który obsługuje system wizyjny i algorytmy sterujące robotem. Komputer obsługujący systemy rezyduje w gnieździe robotycznym i komunikuje się bezpośrednio ze sterownikiem robota.
System jest zaprojektowany tak, aby działał z każdym robotem dowolnego z głównych producentów. Będzie dostarczany z 4 kamerami ToF, które, jak oczekuje firma Veo Robotics, wystarczą dla większości aplikacji gniazd robotycznych w przemyśle produkcyjnym. Clara Vu informuje jednak, że jej firma tworzy obecnie taki system, który będzie mógł być skonfigurowany do pracy z maksymalnie 8 kamerami dla bardziej wymagających środowisk przemysłowych.
– Nasz system potrafi śledzić roboty, obrabiane elementy i ludzi w gnieździe robotycznym oraz orientować się, czy sytuacja jest bezpieczna w zależności od położenia tych obiektów – stwierdza Clara Vu.
Jeśli z jakiegoś powodu pole widzenia kamery zostanie zasłonięte, system domyślnie powróci do najbezpieczniejszego położenia. System umożliwi robotowi poruszanie się, jeśli będzie pewien, że ruch ten jest bezpieczny.
Veo Robotics już współpracuje z pewną liczbą firm, w tym producentami samochodów oraz dostawcami ich podzespołów na pierwszy montaż (Tier 1). Ponadto analizuje możliwości zastosowania swojego systemu w transporcie bliskim materiałów, produkcji metali oraz sprzętu AGD, czyli obszarów, w których nadal dominuje tendencja do separacji ludzi i robotów.
– Jeśli inżynierowie w przemyśle produkcyjnym projektują jakiś proces, to czy jest to proces ręczny, czy zautomatyzowany? – pyta Clara Vu. I odpowiada: – Tym, co naprawdę chcemy dokonać, aby pomóc tym inżynierom, i na co dostrzegamy popyt w całej branży, jest umożliwienie określenia, które elementy tego procesu powinny być wykonane przez człowieka, a które przez robota.
Jest to istota współpracy człowieka z robotem: wykorzystanie unikalnych możliwości obydwu z nich i połączenie ich w optymalne rozwiązanie. Roboty współpracujące (coboty) są obecnie wykorzystywane na hali fabrycznej na różne, interesujące sposoby.
Kamizelka w postaci egzoszkieletu
Co może być lepszym robotem współpracującym od robota, którego pracownik „nosi” na sobie? Egzoszkielet (exoskeleton) to rozwiązanie techniczne, które cechuje się najbardziej bliskimi relacjami pomiędzy człowiekiem a robotem. Jedynymi urządzeniami przekraczającymi ten poziom współpracy są robotyczne urządzenia medyczne, które pracują wewnątrz ludzkiego ciała.
Pracownicy linii montażowej w zakładach firmy Ford Motor noszą kamizelki – egzoszkielety produkowane przez firmę Ekso Bionics z Richmond (z Kalifornii), przeznaczone dla pracowników przemysłu i zakładane na górną część ciała.
Mogłoby się wydawać, że egzoszkielety, szczególnie bez zasilania (pasywne), takie jak produkt firmy Ekso Bionics, nie są robotami. Ale działy badawczo-rozwojowe firm na całym świecie pracują nad alternatywnymi rozwiązaniami uzyskiwania siły przez egzoszkielety. Rozwiązania te są często tańsze, lżejsze, bezpieczniejsze i niewymagające zasilania.
Ekso Bionics produkuje egzoszkielety pasywne dla przemysłu oraz egzoszkielety aktywne (zasilane) dla zastosowań w rehabilitacji. Wyroby tej firmy stanowią dobry przykład egzoszkieletów pasywnych, szczególnie wspomagających górną część ciała człowieka.
– Z samej zasady egzoszkielety muszą być współpracujące, ponieważ są zakładane na ludzkie ciało, i jeśli nie sprawdzają się w realizacji wyznaczonego zadania, to człowiek je odrzuci – mówi Claire Cunningham, menedżer ds. doświadczenia użytkownika w firmie Ekso Bionics. – Chcemy, aby nasze produkty uzupełniały i wspierały użytkowników w wykonywaniu ich zadań, nie zaś im przeszkadzały. Szczególnie kamizelka, która jest zaprojektowana do używania przez cały dzień. Pracownicy firm będących naszymi klientami noszą ją przez 8 godzin dziennie podczas pracy na linii montażowej samochodów, tak więc komfort użytkownika jest dla nas sprawą najwyższej wagi. Jest to naprawdę trudnym wyzwaniem, aby połączyć jednoczesne wzmocnienie siły człowieka z jego komfortem.
Kamizelka przeznaczona jest do wspierania siły ramion pracownika przy podnoszeniu, co ma pomagać w realizacji zadań wymagających pracy rąk na wysokości od poziomu piersi do ponad głową. Waga kamizelki wynosi nieco poniżej 5 kg, jednak osoba ją nosząca nie odczuwa tego dodatkowego ciężaru, ponieważ jest on rozłożony na różnych strefach ciała. Urządzenie dodaje siłę do 6,8 kg na jedno ramię użytkownika.
– Nosząc tę kamizelkę, nie musimy o niej myśleć – mówi Claire Cunningham. – Pas biodrowy przenosi dużą część masy urządzenia na biodra i miednicę użytkownika. Natomiast szelki i mankiety kierują siłę pochodzącą z siłownika i systemu sprężyn do rąk, umożliwiając użytkownikowi pracę z siłą 15 lb (66,7 N – przyp. tłum.) przez cały dzień roboczy.
Roboty współpracujące przeznaczone do noszenia na sobie
Firma Ekso Bionics szybko udowadnia, że jej kamizelka nie jest urządzeniem pomocniczym typu „podnieś i trzymaj” (lift-and–carry). Nie ma na celu wyposażenia użytkownika tylko w siłę supermana, jak głosi powszechne przekonanie na temat egzo-szkieletów.
– Jest to urządzenie maratonowe i wspomagające podnoszenie – mówi Claire Cunningham. – Zwiększa ono wytrzymałość człowieka, zaś prawdziwe jego zalety dostrzega się po kilku dniach. Człowiek będzie miał więcej energii, jego ramiona będą mniej zmęczone, a samopoczucie lepsze. Naszym celem związanym z tym urządzeniem jest zapobieganie zranieniom pracowników, często występującym podczas pracy z rękami uniesionymi nad głowę przez cały dzień roboczy.
Gdy użytkownik zaczyna podnosić ramiona, mechaniczny siłownik uruchamia się i zaczyna lekko wzmacniać siłę rąk. Aplikacje kamizelki obejmują każdy typ powtarzających się czynności w pracy z rękami uniesionymi nad głową, takich jak wiercenie otworów w podwoziach czy instalowanie elementów układu wydechowego na linii montażowej samochodów. Kamizelka ta może być także używana w pracach budowlano-konstrukcyjnych, gdy pracownicy, unosząc ręce nad głową, wykonują zadania związane z instalacjami hydraulicznymi i elektrycznymi, malowaniem przemysłowym, instalowaniem sufitowych paneli akustycznych oraz piaskowaniem przemysłowym.
Firma Ford realizuje pilotażowy program wykorzystania kamizelek od prawie 2 lat oraz wykonuje testy beta różnych wersji tego urządzenia. Claire Cunningham mówi, że współpraca partnerska z Fordem dostarczyła jej firmie wielu pomocnych informacji na temat sprawdzania się konstrukcji egzoszkieletu w praktyce.
– Uzyskaliśmy informacje zwrotne od firmy Ford oraz innych firm realizujących program pilotażowy i przełożyliśmy je na zmiany konstrukcyjne kamizelki. Obecnie pracujemy nad dystrybucją tych kamizelek – mówi Claire Cunningham.
Kamizelka ta może być personalizowana. Elementy wykonane z miękkich materiałów, takie jak pas biodrowy, mankiety i szelki, dostarczane są w różnych rozmiarach. Można także zmieniać wielkość siły wspomagającej użytkownika poprzez regulację sprężyn w siłowniku.
– Możemy regulować siłowniki niezależnie od siebie – mówi Kevin Dacey, główny inżynier projektu. – Na przykład jeśli ktoś wierci otwory w podwoziach na linii montażowej samochodów, to może trzymać w jednej ręce wiertarkę, zaś drugą operować śrubami i nakrętkami, tak więc może wymagać więcej wspomagania w ręce trzymającej wiertarkę i mniej w drugiej.
Urządzenie to jest wyposażone w pewną inteligencję, jednak w całości jest mechaniczne. W odróżnieniu od współczesnych elektromechanicznymi robotów przemysłowych, kamizelka jest urządzeniem pasywnym. Nie ma żadnych silników ani innych elementów elektrycznych.
– Nie wszystkie egzoszklelety muszą być zasilane z sieci elektroenergetycznej lub akumulatora – mówi Kevin Dacey. – Konstrukcja mechaniczna jest tańsza i trwalsza. W środowisku przemysłowym pracownicy noszą tę kamizelkę przez 8 godzin dziennie 5 dni w tygodniu. Nie muszą pamiętać, aby podłączyć ją do sieci na noc w celu naładowania akumulatora.
– Zmobilizowanie górnych kończyn wymaga znacznie mniej energii niż kończyn dolnych – mówi Claire Cunningham. – Nasze egzoszkielety rehabilitacyjne są urządzeniami elektromechanicznymi, które wymagają niewiarygodnie dużego momentu obrotowego, aby sprawić, by siedzący użytkownik wstał. Jednak idea wykorzystywania energii elektrycznej w egzoszkieletach noszonych na górnej części ciała nosi już znamiona przesady.
Egzoszkielety robotyczne są jednak wciąż nowym wyzwaniem. Claire Cunningham mówi, że ta dziedzina techniki ciągle ewoluuje.
– W przyszłości będzie wykorzystywanych więcej egzoszkieletów mechanicznych, ponieważ są dużo tańsze – mówi Cunningham. – Dzięki niższym cenom egzoszkielety mechaniczne są rozwiązaniem dla każdego. Przewidujemy, że w ciągu kolejnych 10 lat w każdym domu będzie już egzoszkielet. Majsterkowicze będą mogli kupić jeden z różnych dostępnych typów w lokalnym sklepie z narzędziami. Ta relacja ludzi z robotami współpracującymi w najbliższej przyszłości będzie relacją mechaniczną. Roboty mechaniczne, elektromechaniczne, hydrauliczne i inspirowane biologią pracują we wszystkich konfiguracjach. Zupełnie jak ludzie.
Podsumowanie
Jeśli spędzimy w branży robotycznej wystarczająco dużo czasu, zaczniemy patrzeć na nią inaczej. Zobaczymy próby i niepowodzenia, sukcesy i porażki, zaś nasze oczy będą szeroko otwarte. Łatwo jest zachwycać się postępem, ale także łatwo jest zrozumieć pełną wyzwań drogę, która wciąż przed nami.
Staniemy się w pełni świadomi zdumiewających możliwości ludzkiego ciała i umysłu. Co bardziej zadziwiające, przekonamy się, że będziemy wykorzystywać roboty do tego, by lepiej docenić nasze własne unikalne zdolności, które wykorzystujemy każdego dnia.
Ludzie dysponują kreatywnością, wyobraźnią, percepcją, zdolnościami manualnymi oraz niewiarygodną zdolnością do empatii i myślenia krytycznego. Czy roboty będą mogły z nami kiedykolwiek konkurować? Nie powinny, gdyż ludzie i roboty mają więcej możliwości, gdy stanowią zespół.
Tanya M. Anandan jest redaktorem współpracującym Stowarzyszenia Przemysłu Robotycznego (RIA) i portalu Robotics Online.
