Acht tips waardoor een cobot niet in de hoek belandt en stof gaat happen

Tijdens een ‘Robotisering Proces Tour’ liepen we tegen een cobot aan die in een hoek stond. Deze cobot was zo verborgen dat het duidelijk was dat hij al een tijdje niet was gebruikt. Ik vroeg mij af waarom deze niet werkte. Het antwoord was onduidelijk: “We gaan er nog een keer naar kijken” en “Soms gebruiken we de cobot, dacht ik”. Het had veel weg van een gestrande cobot-pilot, gelukt of mislukt, dat bleef in het midden.

Echter, het grootste obstakel voor dit productie- en assemblagebedrijf was het gebrek aan goed opgeleide en ervaren werknemers. Tegelijkertijd neemt de vraag naar op maat gemaakte producten, kleinere series en specials toe, wat resulteert in een grotere behoefte aan flexibele geautomatiseerde productie.

Robotisering obstakels voor het Midden- en Kleinbedrijf (MKB)

Vroeger konden kleine en middelgrote bedrijven geen industriële robot betalen vanwege gebrek aan programmeerkennis, beperkte budgetten en gebrek aan LMHV-werk. Industriële robots zijn vaak beperkt tot één toepassing. Nu is flexibele, schaalbare, Lean en herconfigureerbare automatisering cruciaal voor MKB-bedrijven. Handmatige taken zijn vermoeiend, repetitief en soms gevaarlijk, terwijl volledig geautomatiseerde systemen vaak te rigide zijn voor veranderende producten. Daarentegen kan een enkele collaboratieve cobot worden gebruikt in verschillende assemblage- en productiegebieden. Goed geïmplementeerde cobots kunnen direct reageren op personeelstekorten, waardoor MKB-bedrijven concurrerend blijven in uitdagende markten met high-mix-low-volume productie.

De ‘Robotisering Proces Tour’ heeft waardevolle inzichten opgeleverd voor de klant en dit artikel dient als inspiratie om een cobot niet ongebruikt te laten verstoffen in een hoek met 8 tips:

Tip 1. Begrijp het verschil tussen een industriële robot en een cobot

De groeiende populariteit van de cobot en de vele marketing uitingen kunnen verwarrend zijn bij het onderscheiden van cobots en robots. Deze verwarring heeft invloed op het kiezen van de juiste cobot-toepassing, vooral op het gebied van werkgezondheid, ergonomie en veiligheid. Dit beïnvloedt het hele proces van ontwerp, ontwikkeling en gebruik van nieuwe cobot-toepassingen.

Cobots hebben verbeterde veiligheidsfuncties voor samenwerking met mensen. Cobots zijn makkelijk te bedienen voor werknemers zonder programmeerkennis. Met handguiding of een handheld kunnen gebruikers eenvoudig acties aansturen. Dit stelt de cobot in staat snel te reageren op verschillende productietaken en zorgt voor flexibiliteit in het productieproces. Het maakt een eenvoudige implementatie en herschikking in de lay-out mogelijk.

Collaboratieve robots bieden technische veiligheid, maar daardoor betalen ze een prijs in de vorm van beperkingen in snelheid en kracht. Deze beperkingen zorgen ervoor dat Human-Robot Collaboration (HRC) systemen een aantal voordelen kunnen verliezen zoals nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en productiviteit. Daarentegen industriële robots automatiseren repetitieve, krachtintensieve taken en vereisen gespecialiseerde expertise van ingenieurs of programmeurs vanwege hun complexe software en sensortechnologie.

Verschillen cobots en robots

Het is essentieel om de verschillen tussen collaboratieve robots (cobots) en traditionele industriële robots te begrijpen bij het kiezen van de juiste robottoepassing voor jouw behoeften. Door technische variaties zijn beide robotsoorten geschikt voor verschillende omgevingen en taken. Hieronder heb ik belangrijke aspecten van cobots en industriële robots naast elkaar gezet:

Tip 2. Realiseer samenwerking tussen een industriële robot (cobot) en mensen

In productieomgevingen waar flexibiliteit belangrijk is, worden vaak samenwerkende robots (cobots) gebruikt. Deze robots zijn speciaal gemaakt om taken uit te voeren in dezelfde ruimte als mensen, zonder een fysieke afscheiding. Dit wordt ‘hybride’ automatisering genoemd, waarbij zowel robots als mensen samenwerken. Er zijn vijf soorten interacties tussen robots en mensen binnen dit cobot-raamwerk:

1. Robot Cel: Dit is het eerste niveau van samenwerking waarbij een robot (of cobot) in zijn werkruimte werkt, gescheiden van mensen.
2. Coexistentie: Hier werken mensen en robots in aparte werkruimtes zonder fysieke afscheiding. Ze hebben verschillende taken en kunnen geen fysiek contact hebben.
3. Sequential Collaboration (samenwerking): Mensen en cobots delen dezelfde werkruimte, maar voeren taken sequentieel uit, niet tegelijkertijd.
4. Cooperation (samenwerking): Op dit niveau delen mensen en cobots dezelfde werkruimte en voeren ze tegelijkertijd taken uit aan hetzelfde onderdeel.
5. Responsive Collaboration (samenwerking): Dit is het hoogste niveau waarbij mensen en cobots de werkruimte volledig delen. De cobot reageert in realtime op menselijke bewegingen en ze werken samen aan hetzelfde onderdeel, waarbij coördinatie essentieel is.

Cobots en mensen werken vooral samen op niveau 2 en 3 vanwege veiligheid. Veiligheidsvereisten worden strenger naarmate het samenwerkingsniveau stijgt. Mensen blijven cruciaal en zijn nog niet volledig vervangbaar in flexibele productielijnen vanwege onze unieke vaardigheden: denkvermogen, intelligentie, behendigheid en aanpassingsvermogen. Mensen zijn goed in taken die oordeelsvermogen en analytisch denken vereisen. Ze kunnen complexe taken plannen en repetitieve processen efficiënt uitvoeren dankzij hun actieplanning en leervermogen. Menselijke operators zijn ook flexibel inzetbaar in assemblagesystemen en kunnen snel van werkstation wisselen.

Kortom, operators (mensen) passen zich aan, gebruiken intuïtief hun zintuigen en vinden oplossingen voor complexe problemen. Een team van cobots en menselijke werknemers zorgt voor een krachtig samenwerkingssysteem.

Tip 3. Begrijpen wanneer een cobot en zijn omgeving veilig zijn

Bij het overwegen van een cobot ontstaat vaak verwarring over veiligheid, wat kan leiden tot minder prioriteit voor evaluaties op het gebied van werkgezondheid en veiligheid. Het is belangrijk om een risicoanalyse voor het hele systeem uit te voeren, wat extra kosten met zich meebrengt voor de cobot-investering en dus de businesscase. Deze analyses kunnen ingewikkeld en tijdrovend zijn vanwege dynamische parameters die moeilijk te visualiseren zijn in de fysieke omgeving. Toch is het identificeren en elimineren van risico’s cruciaal.

Welke normen zijn van toepassing op een cobot?

De voornaamste norm voor collaboratieve industriële robotsystemen is ISO/TS 15066, die in 2016 werd gepubliceerd door de International Standards Organization (ISO). Deze ISO/TS 15066:2016 vult de eisen en richtlijnen voor industriële robotoperaties van samenwerking aan zoals vastgelegd in ISO 10218-1 en ISO 10218-2.

De ISO/TS 15066:2016 norm definieert vier collaboratieve strategieën die fabrikanten van robot- en robotgereedschapssystemen moeten integreren in het ontwerpproces: 1. Safety-rated Monitored Stop (SMS), 2. Handguiding, 3. Speed and Separation Monitoring (SSM), en 4. Power and Force Limiting (PFL).

De interpretatie van de ISO/TS 15066 door de auteur van de collaboratieve strategieën komt neer op:

1. Safety-rated Monitored Stop (SMS): De cobot stopt om veiligheid te garanderen wanneer mensen de human-robot werkruimte betreden. De robot blijft aan staan onder elektrische spanning maar beweegt niet. De taak van de cobot wordt automatisch hervat wanneer de mens de werkruimte verlaat.
2. Handguiding: De operator heeft volledige controle over de robotbewegingen door directe fysieke interactie. De robotbeweging wordt handmatig geleid of geprogrammeerd door de operator met een vastgestelde veilige snelheid. De mens mag aanwezig zijn in de human-robot werkruimte.
3. Speed and Seperation Monitoring (SSM): De cobot past de snelheid aan wanneer een mens nadert, de cobot vertraagt tot de SMS wordt bereikt. Snelheids- en afstandsinstellingen zijn gebaseerd op een risicoanalyse. Bijvoorbeeld: de cobot werkt op maximale snelheid wanneer een mens in een veilige ‘groene zone’ is. In een zone met verhoogd risico ‘gele zone’ wordt de snelheid verminderd. In de gevaarlijke “rode zone” wordt de snelheid verder verlaagd of specifieke bewegingen worden geblokkeerd.
4. Power and Force Limiting (PFL): Maximale kracht- en drukniveaus worden ingesteld om veiligheid te garanderen wanneer mensen bewust of onbedoeld in contact komen met de cobot-arm. De cobot mag deze niveaus niet overschrijden en dit dient als richtlijn voor het robotontwerp en de integratie.

Sensoren

Cobot-fabrikanten hebben maatregelen genomen om ervoor te zorgen dat hun cobots geen schade veroorzaken wanneer ze in direct contact komen met mensen, opzettelijk of per ongeluk. Ze gebruiken verschillende technologieën zoals lichtgewicht materialen, afgeronde contouren, vulling en ‘skins’ met ingebouwde sensoren. Sensoren op de robotbasis of in de gewrichten meten en controleren de kracht en snelheid, zodat ze niet hoger zijn dan vastgestelde kracht- en drukniveaus wanneer er contact is met mensen.

Voor integrators is het belangrijk om de human-robot werkruimte te begrijpen, te creëren en te controleren waarin de cobot met mensen werkt. Vaak worden externe detectietechnologieën zoals camera’s en laserscanners gebruikt. De verzamelde gegevens worden gebruikt om de acties van de cobot af te stemmen op de vier collaboratieve strategieën. Let op, als de cobot fysiek van de ene naar de andere werkruimte wordt verplaatst, is een nieuwe risicoanalyse nodig. Dit kan de flexibiliteit van de cobot beperken, een van zijn sterke punten.

CE-markering: De cobotfabrikant, importeur, machinebouwer of integrator moet ervoor zorgen dat de cobot (apparatuur) wordt gemarkeerd met een CE-markering, zoals vereist volgens de Machinerichtlijn 2006/42/EC.

Tip 4. Ontwerp een samenwerkend cobot (assemblage) systeem

In het verleden speelden efficiëntie in productie en werkomstandigheden een grote rol in de vooruitgang van industrie en technologie. Het doel van Human-Robot Cooperation (HRC) vandaag is om de nauwkeurigheid, snelheid en herhaalbaarheid van robots te combineren met de flexibiliteit en het denkvermogen van menselijke werknemers. Human-Robot Collaboration (HRC) is een deel van Human-Robot Interaction (HRI) dat de samenwerking tussen menselijke operators en robots onderzoekt.

Samenwerking tussen robots en mensen kan de assemblage aanzienlijk verbeteren, maar wordt soms beperkt door technologische onvolwassenheid. Gebruikers en integrators leren nog steeds wat wel en niet werkt bij het ontwerpen van Human-Robot Collaboration (HRC) systemen. Ergonomische analyse verbetert de productiviteit en gezondheid van werknemers, maar is alleen bewezen voor handmatige assemblagewerkplekken. Hoewel veilige snelheids- en acceleratiewaarden bekend zijn voor cobots in een Collaboratieve Workspace (CW), is de invloed van veranderende parameters op efficiëntie, menselijke prestaties en sociale aspecten meestal niet bekend. Een voorafgaande ‘simulatie’ of ‘proof of concept’ is aan te raden voor implementatie, wat tijds- en kostenbesparingen oplevert. In een simulatie kunnen verschillende opties worden getest, geëvalueerd en geverifieerd. Onderzoek toont aan dat de reactie van werknemers op een Collaboratieve Workspace (CW) complex is en individueel moet worden bestudeerd.

Planning

Om een Collaboratieve Werkruimte (CW) te plannen is het belangrijk om te weten waar elk onderdeel zich bevindt. Een CW bestaat uit vier delen: een logistieke ruimte, een menselijke ruimte, een robotruimte en een samenwerking ruimte. De intralogistieke ruimte omvat de materiaal invoer- en uitvoer. De menselijke ruimte wordt bepaald door het bereik van menselijke armen. De robotruimte wordt bepaald door veiligheid en ruimtelijke grenzen. De collaboratieve werkruimte (grijze deel) is cruciaal in het CW-ontwerp. Het is essentieel voor integrators of machinebouwers om de 5 soorten interacties tussen robots en mensen te begrijpen.

In dynamisch veranderende omgevingen, zoals fabrieken worden cobots regelmatig geconfronteerd met het risico van botsen met mensen die van dezelfde ruimte gebruik maken maar niet zijn getraind als cobot-gebruiker. Dit benadrukt de noodzaak om alle werknemers te trainen op digitale vaardigheden en een duurzame leercultuur te ondersteunen.

Tip 5. Optimaliseer de Human Robot Cooperation (HRC) van een Cobot

In Human Robot Cooperation (HRC) werken operators en Cobots samen aan taken. Menselijke armen bewegen voorspelbaar vanwege onze flexibele gewrichten, waardoor onze hersenen modellen kunnen maken van andermans acties op basis van natuurlijke bewegingspatronen. Bij cobots is dit minder duidelijk omdat hun armen niet hetzelfde bewegen als menselijke armen. Het is belangrijk om de bewegingen van de ander, of het nu een persoon of een cobot is, nauwkeurig te kunnen voorspellen om effectief samen te werken en onze eigen acties aan te passen. HRC heeft uitdagingen, waaronder menselijke acceptatie en begrip van robotacties, zoals het fenomeen van de “Uncanny Valley”.

“Uncanny Valley” is het gevoel van ongemak wanneer mensen een robot tegenkomen die bijna menselijk lijkt, maar kleine imperfecties heeft. Geïntroduceerd door Masahiro Mori in 1970, laat dit fenomeen een emotionele dip zien wanneer de gelijkenis bijna menselijk is. Ontwerpers in robotica en Virtual Reality (VR) proberen een balans te vinden tussen realisme en het vermijden van de “Uncanny Valley” om negatieve reacties te voorkomen. Het begrijpen en verminderen van dit fenomeen is belangrijk voor comfortabele en kwalitatieve interacties tussen mensen en robots.

Virtual Reality (VR) en “Cobot Digital Twins” zijn handige tools om verschillende samenwerkingsscenario’s te simuleren. Dit is vooral handig voor situaties die moeilijk of zelfs onveilig zijn om in het echt te testen.

Tip 6. Verhoog de acceptatie van een cobot implementatie

Hoewel het aantal robots groeit, heeft slechts een klein deel van de Nederlandse werknemers momenteel direct contact met robots op het werk. Dit komt vooral doordat de Nederlandse maakindustrie kleiner is dan die in andere sterk geautomatiseerde landen. De verwachting is dat het wereldwijde gebruik van robots, ook in Nederland, de komende tien jaar zal toenemen vanwege de geavanceerdere en bredere inzetbaarheid van robots.

Vooral in Nederland zal het aantal cobots toenemen vanwege hun flexibiliteit, wat de nadelen van hun traagheid deels compenseert. Het gebruik van cobots kan de werkdruk verminderen, maar dit hangt sterk af van hoe de samenwerking met een cobot wordt georganiseerd. Werknemers ervaren negatieve effecten als ze vooral de cobot moeten volgen en weinig zeggenschap hebben.

Als we rekening houden met de belangen en gevolgen voor werknemers, kan robotisering de kwaliteit van werk verbeteren. Het betrekken van werknemers bij de implementatie van cobots is cruciaal omdat hun betrokkenheid de angst voor cobots vermindert. Het bieden van training voor het instellen, onderhouden en controleren van robotwerk is belangrijk. Deze aanpak profiteert niet alleen bedrijfsmatig van robotisering, maar draagt ook bij aan de samenleving en duurzame investeringen in cobots.

Tip 7. Selecteer een passende robot of cobot integrator

De beschikbare cobots op de markt zijn nu beter dan ooit. Dankzij technische vooruitgang, een groeiend cobot ecosysteem, verbeterde normen en betaalbare prijzen kunnen zelfs kleine- en middelgrote bedrijven nu cobots gebruiken. Het kiezen van de juiste cobot vereist echter ervaring en inzicht hoe de cobot in het proces gebruikt gaat worden. Om de juiste cobot te selecteren, zijn vier criteria voor de kinematica belangrijk. Elke robot heeft een set assen die in rechte lijnen of cirkelvormige bewegingen kunnen bewegen. Deze assen zijn verbonden met de End Of Arm Tool (EOAT). Kinematica omvat de analyse van alle mogelijke bewegingen die een robotarm kan maken en die uiteindelijk leiden tot de beweging van de End Of Arm Tool binnen de robotenvelop. De vier belangrijkste criteria voor het selecteren van de juiste kinematica zijn:

1. Gewicht (van het product)
2. Bereik (hoe ver het kan bewegen)
3. Nauwkeurigheid (bijvoorbeeld voor grijpen en loslaten)
4. Cyclustijd

Nadat het merk en type robot zijn gekozen, moet de robotintegrator een grondige analyse uitvoeren. In robotintegratieprojecten zijn er veel valkuilen, waarbij het kiezen van het verkeerde type cobot er slechts een van is. Onderzoek toont aan dat slechts twee van de tien bedrijven interne expertise hebben op het gebied van robotica. De meeste bedrijven werken samen met een partner, zoals een robotintegrator. Het is belangrijk voor de robotintegrator om te werken met een passend project- en engineeringsysteem. Technisch complexe producten worden gevormd met mechanische, elektronische en software disciplines. In systems engineering geeft het vernieuwde V-model de logische volgorde van deze taken weer. Als je van plan bent om een cobot simulatie uit te voeren, past het Model-Based Systems Engineering “Diamond” model wellicht beter. Hiermee bereid je je ook voor op een toekomstige Digital Twin van een product, proces of systeem binnen je bedrijf.

Cobot-ecosysteem

Het cobot-ecosysteem omvat robotleveranciers, End Of Arm Tool (EOAT) leveranciers en technologieleveranciers zoals vision systemen, sensoren, liften en kabelgeleiders, enzovoort. Voor eindgebruikers zijn systeemintegrators en machinebouwers de belangrijkste spelers in dit ecosysteem. Het kiezen van de juiste End Of Arm Tool (grijper) is een essentieel aspect van een robotintegratieproject. Het einde van de End-of-Arm Tooling (EOAT) is als de “hand” van de cobot, die producten vastpakt en loslaat terwijl de cobot ze verplaatst. Sommige grijpers zijn ontworpen voor manipulatie, zoals schuren, waarvoor een Force Torque (F/T) sensor kan worden gebruikt. In het cobot-ecosysteem zijn er meerdere sterke EOAT-leveranciers actief, zoals OnRobot, Schunk, Robotiq en Schmalz.

Computers zijn krachtiger geworden en berekeningsmethoden zijn sterk verbeterd dankzij Machine Learning en AI. Vision-technologieën verbeteren de mogelijkheden van cobots aanzienlijk in verschillende omgevingen. Cobots kunnen nu complexe ‘grasping’-taken uitvoeren, zoals het identificeren van objecten, het vinden van de beste grijppositie, het aanpassen van de grijpkracht aan het gewicht en de fragiliteit van het product, en het vermijden van obstakels. Dit stelt de cobot in staat om deze taken effectief uit te voeren.

De opstelling van de cobot in de Collaboratieve Workspace (CW) is een belangrijk onderdeel van de lay-out. Voor veel bedrijven die ik heb gesproken, is een ‘kleine footprint’ van de cobot-applicatie cruciaal voor toekomstige automatiseringsprojecten. In werkruimtes waar mensen actief zijn, is de opstelling cruciaal voor efficiëntie. Een goede doorstroming van materialen hangt af van verschillende factoren, zoals machine-invoer en -uitvoer, gangpadbreedte, vaste elementen van de lay-out en de positie van beschikbare ultilities. Hoe ver strekt de kennis van de technologieleverancier? Gaat dit verder dan alleen de ruimte waar de robot beweegt, bijvoorbeeld naar de in- en uitvoer van materialen in de CW?

Tip 8. 8 onderwerpen waarover je moet doorvragen aan de cobot integrator(s):

1. Cobot: Welke criteria bepalen de keuze van de cobot?
2. End Of Arm Tool (EOAT): Hoe wordt het onderdeel gemanipuleerd en welke technologie wordt gebruikt voor de grijper? Elektrisch of pneumatisch?
3. Vision: Is vision nodig voor manipulatie en wat zijn de gevolgen voor instel-, omstel- en cyclustijden?
4. Lay-out: Waar wordt de robot geplaatst en hoe wordt hij verplaatst naar andere werkruimtes? Waar zijn de stroom- en persluchtaansluitingen?
5. Collaboratieve Workspace (CW): Welke keuze wordt gemaakt binnen het raamwerk van de 5 soorten interacties tussen cobot en mensen?
6. Veiligheid: Tot welk niveau gaat de veiligheidskennis van de technologieleverancier? Welke normen worden toegepast?
7. Applicatie: Werkt de cobot autonoom of wordt deze verbonden via Ethernet, ModBUS, ProfiNET of EtherCAT met een PLC?
8. Systeem engineering: Hoe werken mechanische, elektronische en software disciplines samen in het robotintegratieproject?

Let op: De interactie tussen mens en cobot vereist veiligheidskenmerken op technisch, organisatorisch en ergonomisch gebied. Het is slim om deze regelmatig te controleren, omdat ze in de loop van de tijd kunnen veranderen. Gereedschap waarmee een mens werkt wordt toch ook gekeurd, waarom dan een cobot niet?

De RoboTobor cobot implementatie checklist

• Tip 1: het verschil tussen een industriële robot en een Cobot is mij helemaal duidelijk – ik heb een keuze gemaakt.
• Tip 2: met de 5 soorten interacties kunnen wij een superieur samenwerkend cobot systeem opzetten.
• Tip 3: ik weet op hoofdlijnen waar de ISO/TS 15066:2016 voor staat – onze integrator heeft een safety specialist.
• Tip 4: Ik houd rekening met alle aspecten van de Collaboratieve Workspace (CW) in het project.
• Tip 5: “Uncanny Valley” gaat mij te ver! Ik weet nu wel hoe ik de HRC kan optimaliseren mocht dat nodig zijn.
• Tip 6: een duurzame investering in een cobot betekent dat wij medewerkers actief gaan betrekken.
• Tip 7: de integrator heeft gelijkwaardige referenties en werkt met een V-model of met MBSE.
• Tip 8: de RoboTobor vragen neem ik mee in het gesprek met de cobot integrator.