רובוטים התפתחו לקובוטים ב-Industry 4.0‏

רובוטים תעשייתיים הופיעו בתחילת Industry 3.0, יחד עם בקרה ואוטומציה ממוחשבת, והתפתחו משך השנים והפכו למתאימים במיוחד עבור תעשיות ותהליכים שונים. רובוטים מתוכננים עבור ייצור המוני; הם בדרך כלל בודדים, עובדים בבידוד יחסי על משימות מסוימות. עם הופעת ה-Industry 4.0‏, מערכות סייבר-פיזיות והאינטרנט-של-דברים (IoT‏), רובוטים מסוימים התפתחו לרובוטים שיתופיים, שנקראים קובוטים. קובוטים מקיימים אינטראקציה עם הסביבה שלהם, כולל בני-אדם ורובוטים אחרים, ותומכים בייצור גמיש והתאמה-מיוחדת בנפח גדול (איור 1‏).

איור 1‏: רובוטים תעשייתיים קונבנציונליים עובדים בבידוד (שמאל) בעוד קובוטים (ימין) מתוכננים לקיים אינטראקציה עם הסביבה שלהם, כולל בני-אדם ורובוטים אחרים או מכונות. (מקור תמונה: Omron)

המסלול ההתפתחותי מרובוט לקובוט כלל מספר התאמות: קובוטים פועלים באופן שונה; הם מתוכנתים באופן שונה; הם נוטים להיות קטנים יותר, פשוטים יותר, ובמקרים מסוימים, ניידים; הם משמשים עבור תהליכים שונים בהשוואה לרובוטים והם חייבים לציית לתקני בטיחות שונים. קובוטים בדרך כלל אינם מתחרים עם רובוטים או מחליפים רובוטים; קובוטים מרחיבים את האפשרויות לבצע תהליכים אוטומטיים.

מאמר זה עוקב אחר ההתפתחות של רובוטים לקובוטים: הוא משווה כיצד רובוטים וקובוטים פועלים באופן שונה; סוקר את שיטות התכנות השונות של קובוטים; דן בשימוש בבינה מלאכותית (AI), ‏IoT‏ וטכנולוגיות אחרות כדי לאפשר ניידות קובוט ואינטראקציה עם בני-אדם; מפרט חלק מהיישומים בהם קובוטים מצטיינים כגון פעולות גימור תהליך, בקרת איכות, לוגיסטיקה/שינוע מוצרים‏ ואחרים; וסוקר את תקני הבטיחות המורחבים עבור קובוטים. לכל אורכו, המאמר מצייר‏ תמונה של תפעול סייבר-פיזי עתידי הממזג רובוטים, קובוטים ובני-אדם כדי למקסם פרודוקטיביות ואיכות, תוך כדי הקטנת עלויות כוללות למינימום.

קובוטים מתוכננים לא רק לעבוד עם בני-אדם אלא להיות מועברים ממקום למקום (איור 2‏). למאפיינים אלה יש השלכות חשובות על תכנות קובוט, היכן ומתי משתמשים בקובוטים ודרישות בטיחות של קובוט .

איור 2‏: קובוטים יכולים להיות מועברים ממקום למקום כנדרש עבור משימות מיוחדות. (מקור תמונה: Omron)

לימוד קובוטים

רובוטים תעשייתיים מתוכנתים תוך שימוש בשפות כגון ++C ו-C. קובוטים התפתחו לרמה שניתן ללמד אותם להשתמש בכלים שאינם קודים כגון תליונים, מחשבי טאבלט, אפילו הזזה ידנית של זרוע הקובוט מנקודה לנקודה (איור 3‏). שימוש במתודולוגיות לימוד שונות במקום תכנות מסורתי מאפשר לקובוטים ללמוד משימות חדשות מהר יותר, דבר שהוא חשוב כשהקובוט מועבר ממשימה למשימה. הזמן שלוקח לתכנת רובוט תעשייתי הוא הגיוני כלכלית מאחר והרובוט משמש לפרקי זמן ארוכים יחסית ביישומי ייצור בנפח גדול.‏ מצד שני, קובוטים חייבים ללמוד תהליכים חדשים במהירות כדי למנוע פרקי זמן ארוכים של השבתה יקרה. מפעילי מכונה יכולים ללמד קובוטים משימות ספציפיות ללא צורך בעזרה ממתכנתים מומחים. משימות כמו Pick-and-Place, כולל בדיקה ויזואליות של התוצאות, ניתן ללמד קובוט תוך דקות.

איור 3‏: ניתן להכשיר קובוט על ידי העברת הזרוע שלו ממקום למקום. ידו הימנית של המפעיל היא על מצלמה רזולוציה-גבוהה שהקובוט יכול להשתמש בה כדי לראות היכן הוא נמצא ומה המיקום הזה. (מקור תמונה: Omron)

בינה מלאכותית (AI) יחד עם ראיית מכונה (MV) יכולות לעזור לשפר לימוד ותפקוד קובוט. מערכות ראיה קובוט אינטליגנטיות מספקות מגוון יכולות כגון זיהוי אובייקטים ומיקום, פענוח ברקוד וסימן זיהוי אובייקטים, תאימות תבניות וזיהוי צבעים. מערכת הראיה יכולה גם לאפשר למחוות ידיים להנחות את הקובוט ממיקום למיקום וללמד אותו תהליך חדש. במקרים אחרים, מפעילי מכונה יכולים ללמד קובוטים במהירות וביעילות על ידי שימוש במערכת מבוססת תרשים-זרימה גרור-ושחרר על מחשב טאבלט (איור 4‏).

איור 4‏: לימוד/תכנות גרור-ושחרר אינטואיטיבי ממקסם פרודוקטיביות וגמישות קובוט. (מקור תמונה: Omron)

בנוסף לעבודה עם בני-אדם, קובוטים יכולים להצתוות עם רובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs) כדי לעבור ממשימה למשימה (איור 5‏). רובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs) הם קובוטים מומחים שעובדים בשיתוף פעולה עם בני-אדם, קובוטים, רובוטים ומכונות, מבצעים משימות כגון טיפול במוצרים ביעילות מצוינת. כמו טיפול במוצרים, העברת קובוט ממקום למקום היא לא פעילות במיומנות גבוהה, דבר ההופך אותה למתאימה עבור מימוש AMR. רובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs) מנווטים ממקום למקום בעזרת שילוב חיישנים ומחשוב משובצים, כדי להבין את הסביבה הקרובה שלהם, עם קישוריות אלחוטית למשאבי מחשוב מרכזיים ורשתות חיישנים מתוחכמות המותקנות בכל המתקן, כדי לסייע ל-AMRs להבין את המיקום של מכשולים במסלול מתוכנן ולנווט ביעילות סביב מכשולים קבועים כמו עמדות עבודה, ארונות ורובוטים, כמו גם מכשולים ניידים כמו מלגזות, רובוטים AMR אחרים ובני-אדם.

איור 5‏: קובוט מניפולטור (למעלה) יכול להאסף ולהיות מועבר לעמדת עבודה חדשה על ידי רובוט נייד‏ אוטונומי (למטה). (מקור תמונה: Omron)

למה הקובוטים טובים?

היכולת של קובוטים לעבוד עם AMRs, בני-אדם, רובוטים אחרים ומכונות פותחת הזדמנויות חדשות לאוטומציה. קובוטים מוצאים שימוש בהתאמה-מיוחדת בנפח גדול‏ במגוון רחב של תעשיות ותהליכים כגון פעולות הרכבה, ניפוק (dispensing), ‏machine tending, ערום משטחי העמסה (palletizing),‏ Pick-and-Place ועוד, במערך רחב באותה המידה של תעשיות החל מרכב ועד לעיבוד מזון וייצור מוליכים-למחצה (איור 6‏).

איור 6‏: קובוטים הם גמישים וניתנים לשימוש ביישומים שונים (מקור תמונה: Omron)

ביצוע של משימות הרכבה חוזרות ונשנות מורכבות יכול להתבצע ביעילות על ידי קובוטים העובדים לצד בני-אדם. אם מזווג עם AMR, ‏קובוט יכול לשפר את המימוש של פעולות איסוף מורכבות ואת המסירה של חומרים לאתרי עבודה. לאחר שהמוצרים נמסרו לסוף קו הייצור, קובוט יכול לערום אותם במהירות עבור משלוח. תוך שימוש בראיית מכונה (MV) ובינה מלאכותית (AI), קובוטים יכולים לבדוק, למיין ולאסוף חלקים מוגמרים מרצועת המסוע ולמקמם בקרטונים. קובוטים יכולים להתאים במהירות את ההתנהגות שלהם כך שיתאימו למוצרים חדשים ושינוים עונתיים.

קובוטים ניתנים להתאמה לתהליכי ייצור שונים, כולל (כפי שנאמר מקודם) machine tending, הברגה וניפוק (dispensing). מכונות CNC, מכבשי הטבעה וניקוב, מכונות חיתוך שונות ותחנות יציקה בהזרקה הם חלק ממשימות ה-machine tending בהן קובוטים יכולים לשחרר בני-אדם מפעילויות חוזרות ונשנות ופוטנציאלית מסוכנות. קובוטים של הברגה מוסיפים דיוק ומומנט עקבי, דבר שמביא לאיכות גבוהה יותר מהרכבה ידנית. ניפוק (dispensing) חומרים שונים כמו דבקים, אטמים, צבעים וחומרי גימור אחרים יכול להתבצע על ידי קובוטים עם רמה גבוהה של דיוק. אפקטורי קצה של קובוט ניתנים להחלפה ומאפשרים לקובוטים לנוע ממשימה למשימה כנדרש (איור 7‏).

איור 7‏: אפקטורי קצה קובוט ניתנים להחלפה בקלות עבור כל משימה. זה מספק את הגמישות לעבור לדרישות ייצור שונות עם זמן השבתה מינימלי. שני אפקטורי הקצה למעלה כוללים מצלמה‏ רזולוציה-גבוהה עבור מערכות ראייה מבוססות-AI. (מקור תמונה: Omron)

בדיקה של חלקים מוגמרים היא תחום נוסף בו קובוטים עם ראיית מכונה יכולים להצטיין. אם החלק הוא מורכב, בדיקה יסודית יכולה לדרוש תמונות ברזולוציה-גבוהה מזוויות שונות, דבר שדורש את הקואורדינציה של מצלמות נייחות מרובות. לחלופין, קובוט עם‏ מצלמה יחידה יכול לזהות את החלק הנבדק ולנוע סביב החלק בהתאם, תוך כדי צילום כל התמונות עבור בדיקה ויזואלית שלמה.

בטיחות מתפתחת של קובוט

שיקולי בטיחות התפתחו ביחד עם קובוטים. בהשוואה לרובוטים תעשייתיים, דרישות בטיחות קובוט הן יותר מורכבות. צוות המורכב מקובוט ואדם יכול לשלב את יכולות הביצועים הנשנות של רובוטים עם גמישות וכישורים אינדיבידואליים של בני אדם. קובוטים (ורובוטים) הם מיומנים במשימות הדורשות דיוק, עמידות וכוח, בעוד בני-אדם מיומנים בפתרון מצבים לא-מדויקים ובעיות משתנות. שילוב סטים של מיומנויות משלימות אלו מביא אתגרים הקשורים לאינטראקציות בטוחות בין בני-אדם וקובוטים.

תקני בטיחות עבור רובוטים תעשייתיים בדרך כלל מבוססים על אי הכללת מפעילים מחלל העבודה בעוד הרובוט אקטיבי. בטיחות קובוט צופה אינטראקציה עם בני-אדם. מגבלות מהירות, מומנט וכוח של קובוט הן תקני הבטיחות המכריעים וכוללים עצירת חרום לעומת עצירה הגנתית.

עצירת חרום של‏ קובוט היא ביוזמת מפעיל; היא עוצרת כל תנועה של קובוט ומפסיקה כל אספקת כוח לקובוט. כדי להתאושש מעצירת חירום דרוש אתחול מחדש (reboot). עצירה הגנתית מתרחשת אוטומטית כשאדם נכנס לחלל המוגן סביב הקובוט (איור 8‏). במשך עצירה הגנתית, הקובוט עדיין תחת אספקת כוח. כמו כן, במשך עצירה הגנתית, מקודדי התנועה של הקובוט מנוטרים כדי לזהות תנועה ללא כוונה. אם מתגלית תנועה ללא כוונה, אספקת הכוח מופסקת.

איור 8‏: חלל הבטיחות הקארטזי סביב קובוט (קופסה כחולה) יכול להיות מלבני או צילינדרי ומגדיר‏ אזור אי-הכללה. אם אדם העובד סמוך לקובוט נכנס לאזור אי-ההכללה, הקובוט יוזם עצירה הגנתית.‏ (מקור תמונה: Omron)

קובוטים מסוימים מתוכננים עם שתי הגדרות מהירות פונקציונליות, אחת עבור ביצועים מקסימליים ואחת עבור בטיחות מקסימלית. במצב הביצועים, מניחים שאף אדם לא יכנס לחלל המוגן של הקובוט, והקובוט יעבוד בקצב מהירות גבוה עבור פרודוקטיביות מקסימלית. אם אדם יכנס לחלל המוגן, הקובוט יכנס אוטומטית למצב אדם-קובוט עבור בטיחות מקסימלית, עם מהירויות, מומנטים וכוחות מוקטנים.

ישנם מספר תקנים והנחיות מתפתחים בנוגע לבטיחות קובוט. תקן טכני ISO 15066:2016 ודו"ח טכני RIA 15.606-2016‏ מתארים את ארבעת הטכניקות השיתופיות המשמשות כדי להפחית סיכונים לעובדים אנושיים: מעצורי ניטור מדורגי-בטיחות, הכוונת יד, מהירויות ומערכות ניטור הפרדה והגבלת כוח (power force limiting‏ (PFL)). ה-TS 15066 הוא נורמטיבי ומפרט את הצעדים הדרושים עבור תאימות לתקן. ה-TS 15.606 הוא אינפורמטיבי ומספק מידע ושיטות הניתנים לשימוש עבור תאימות לתקן.

ה-RIA TR R15.806-2018 מתאר שיטה לבדיקת כוחות המופעלים על ידי מערכת PFL. מערכות חיישנים דרושות עבור תאימות סטנדרטית ביחס לניטור מהירויות והפרדה. עבור מערכות PFL ומעצורי ניטור מדורגי-בטיחות, אבטחה באזורי אי-הכללה היא‏ דרישה.

ISO 13855:2010 קובעת את המיקום של אמצעי האבטחה ביחס למהירויות הגישה של קובוטים לחלקים מסוימים של גוף האדם. הוא מספק מתודולוגיה כדי לקבוע את המרחקים המינימליים לאזור סכנה מאזור הגילוי/אי-ההכללה או הפעלת התקני אבטחה.

סיכום

שיתוף-פעולה הוא סימן הכר של Industry 4.0‏ ומערכות סייבר-פיזיות וקובוטים הם משתתפי מפתח בדחיפת רמות גבוהות יותר של שיתוף-פעולה. קובוטים ממשיכים להתפתח על ידי הפיכתם לקלים יותר, בטוחים יותר וגמישים יותר לשימוש. התקדמות בכלי לימוד קובוט ו-AI הופכת את השימוש בקובוט לאינטואיטיבי יותר. ממשקי האדם-מכונה (HMIs) המתפתחים של קובוטים מוליכים לפרודוקטיביות מוגדלת ולאיכות גבוהה יותר של ייצור מותאם-במיוחד בנפח גדול. קובוטים אינם מחליפים רובוטים; קובוטים מרחיבים את ההזדמנויות לאוטומציה, והקו המפריד בין רובוטים, קובוטים ובני-אדם נזיל יותר ויותר. כשקובוטים הופכים להיות יותר כמו קולגות ופחות כמו רובוטים תעשייתיים, תקני הבטיחות של קובוט מתרחבים והופכים להיות חשובים יותר ויותר כדי להבטיח שהבטחת הפרודוקטיביות של שיתוף פעולה קובוט-אדם ממומשת בבטחה.