Automatyczny czy autonomiczny? Roboty mobilne bez tajemnic
Konrad Cop
Ekspert współpracujący z FPPP
„Robot przemysłowy” – prawdopodobnie pierwsze skojarzenie, jakie nasuwa się na dźwięk tego pojęcia to ramię robotyczne, czyli tzw. manipulator – urządzenie przeznaczone do wykonywania powtarzalnych zadań, takich jak paletyzacja, spawanie czy montaż.
Trudno się dziwić, że taką interpretację podziela wiele osób. Wystarczy na przykład wpisać hasło „robotyka przemysłowa” w wyszukiwarce obrazów. Wyniki, w przytłaczającej większości, ukazują różnego typu manipulatory i ramiona robotyczne. Taki stan rzeczy nie jest specjalnie zaskakujący, istotna większość aplikacji robotycznych w Polsce opiera się na „standardowych” robotach przemysłowych i polega na zastąpieniu pracy ludzi w powtarzalnych i niebezpiecznych zadaniach.
Takie roboty przemysłowe (na potrzeby tego artykułu nazwijmy je „klasycznymi”) charakteryzują się wieloma cechami, warto jednak zwrócić uwagę na dwa kluczowe aspekty. Po pierwsze, do prawidłowego funkcjonowania tych urządzeń konieczne jest ich trwałe przytwierdzenie do podłoża. Są one zatem zamontowane na stałe w określonym miejscu linii produkcyjnej. Drugą charakterystyczną cechą takich robotów jest konieczność zaprogramowania pełnej sekwencji operacji, które wykonują. Operator zajmujący się integracją takich robotów w ramach linii produkcyjnej musi przewidzieć każdy krok procesu, zaprogramować go i sprawdzić poprawność działania zanim robot rozpocznie swoją pracę. Wymienione cechy skutkują ograniczonym zakresem zastosowań klasycznych robotów.
Z jednej strony takie urządzenia zawsze są ograniczone do pewnego określonego obszaru operacyjnego, co wynika ze stałego montażu do podłoża. Choć czasami zdarzają się rozwiązania, w których roboty znajdują się na specjalnym systemie transportowym, który umożliwia uzyskanie dodatkowej swobody, jednak zawsze zakres ich ruchów jest mniej lub bardziej ograniczony. Restrykcje obszaru roboczego skutkują brakiem możliwości robotyzacji wielu zadań w procesach produkcyjnych. Sztandarowym przykładem jest transport międzyprocesowy, który w tradycyjnych procesach produkcyjnych zawsze wymaga obsługi przez człowieka – kierowanie pojazdem lub obsługę wózka ręcznego. Krokiem do pokonania tych ograniczeń jest „wyzwolenie” robotów ze statycznej pozycji i umożliwienie im przemieszczania się. Roboty, które potrafią przemieszczać się pomiędzy różnymi lokalizacjami, wykonując przy tym zlecone zadania, określa się jako roboty mobilne.
Drugie ograniczenie wiąże się ze sposobem zapewnienia, że robot poprawnie wykona zlecone mu zadania. Sekwencja działań klasycznego robota jest od początku do końca zaprogramowana przez operatora. Zadaniem maszyny jest jedynie wykonanie odpowiedniego działania w odpowiednim momencie. Klasyczny robot nie przewiduje konsekwencji oraz nie modyfikuje swoich działań w zależności od pojawiających się okoliczności, jeśli nie został do tego zaprogramowany. Przykładowo, typowy manipulator wykonuje ruch jedynie po trajektorii określonej jako zbiór punktów zdefiniowanych przez operatora. W przypadku pojawienia się niespodziewanego obiektu może dojść do kolizji lub zatrzymania działania. Klasyczny robot nie będzie w stanie samoistnie zaplanować nowej trajektorii. Cechą, która pozwalałaby na samodzielne wygenerowanie nowej ścieżki, jest autonomia.
Robotyka mobilna – dział o wielu twarzach
Urządzenia mobilne to prężnie rozwijająca się gałąź robotyki, notująca w ostatnich latach ogromny wzrost popularności w zastosowaniach przemysłowych. Co ciekawe, pojęcia „robot mobilny” lub „platforma mobilna” zwykło się utożsamiać z pojazdami kołowymi poruszającymi się w mniej lub bardziej automatyczny sposób. Warto jednak pamiętać, że roboty mobilne to kategoria obejmująca urządzenia o różnych rozwiązaniach mechanicznych. Główną cechą, która pozwala określić robota jako mobilnego, jest możliwość jego przemieszczania się względem środowiska, w którym operuje. Jest to zatem zasadnicza różnica w stosunku do wspomnianego wcześniej klasycznego postrzegania robotów.
Zróżnicowanie typów robotów mobilnych jest niezwykle duże. Jak wspomniano, do najbardziej popularnych należą roboty kołowe, wykonujące najczęściej zadania transportowe. W zależności od warunków, w jakich pracują, mogą być wyposażone w mniej lub bardziej zaawansowane systemy zawieszenia. Odmianą tego typu maszyn są roboty poruszające się na gąsienicach, szczególnie popularne w aplikacjach charakteryzujących się brakiem infrastruktury.
Innym typem robotów mobilnych są roboty kroczące, w których sposobem lokomocji są w pełni sterowane, mechatroniczne nogi. Takie rozwiązanie umożliwia pokonywanie przeszkód niedostępnych dla platform kołowych, takich jak schody, progi lub niestabilne podłoża.
W obszarze robotów mobilnych należy także wspomnieć o urządzeniach latających, popularnie zwanych dronami. Obecnie znane są one głównie z aplikacji hobbystycznych, jednak ich możliwość przemieszczania się w powietrzu predysponuje je do wykonywania specjalistycznych zadań, takich jak np. inspekcja lub monitorowanie jakiegoś obszaru. Co ciekawe, roboty latające są objęte wysokim priorytetem badawczym przez przedsiębiorstwa z branży logistycznej, szczególnie wśród dostawców przesyłek detalicznych, ze względu na ich elastyczność i niezależność od infrastruktury.
W kategorii robotów mobilnych występują także roboty pływające, które ze względu na specyfikę środowiska operacyjnego znajdują zastosowanie jedynie w szczególnych branżach np. przemyśle stoczniowym.
Wszystkie wymienione urządzenia można określić wspólną nazwą robotów mobilnych. Dlatego warto pamiętać, jak szeroki jest zakresie tego pojęcia. W dalszej części ten artykuł skupi się na robotach kołowych, które są najbardziej rozpowszechnione w zastosowaniach przemysłowych.
Czy mobilny oznacza autonomiczny?
Uzyskanie przez roboty mobilności otwiera szereg nowych zastosowań dla tych urządzeń. Dzięki uwolnieniu robotów od podłoża możliwe jest wprowadzenie ich użycia do nowych zadań, takich jak np. transport elementów pomiędzy stanowiskami produkcyjnymi czy utrzymanie czystości w zakładzie. Uzyskanie mobilności to bardzo istotny krok do robotyzacji wielu, dotychczas wykonywanych ręcznie, zadań przemysłowych. Jednakże brak ograniczeń w dostępności miejsc w obszarze roboczym jest dopiero połową sukcesu w drodze do stworzenia w pełni elastycznego rozwiązania robotycznego. Drugim bardzo ważnym aspektem jest wyposażenie robotów w możliwość samodzielnego kontrolowania swojego ruchu i podejmowania decyzji dotyczącej trajektorii umożliwiającej dotarcie do dowolnego miejsca pracy. Sterowanie jest zatem elementem mobilności, która jest rozumiana jako brak ograniczeń położenia.
Istnieje wiele różnych sposobów, których użycie umożliwia robotom kontrolę swojej trajektorii. Co więcej sposób sterowania bezpośrednio wpływa na rozróżnienie rodzajów robotów mobilnych. W tym kontekście należy wymienić dwa podstawowe typy robotów mobilnych występujących w polskim przemyśle – AGV oraz ARM. AGV jest to Pojazd Sterowany Automatycznie (Automated Guided Vehicle), natomiast ARM jest to Autonomiczny Robot Mobilny (Autonomous Mobile Robot). Nazewnictwo jest kluczowe dla zrozumienia różnicy pomiędzy tymi dwoma rodzajami robotów, ponieważ odzwierciedla różnice w sposobach wyznaczania trajektorii.
AGV (w praktyce inżynierskiej powszechnie znane jako „agiefały”) są bardzo popularne w różnych branżach. Ich sposób sterowania opiera się na wykorzystywaniu sensorów wykrywających określone wzorce w środowisku oraz elementów „generujących” te wzorce. Do najbardziej typowych przykładów należy np. rozwiązanie typu Line Follower (dosłownie „śledzący linię”), w którym linie tworzące możliwe trajektorie ruchu robota umiejscowione są w obszarze roboczym. Mogą być one wykonane na wiele sposobów np. poprzez namalowanie kontrastowych linii na podłożu (np. czarna linia na jasnej podłodze). Wówczas za detekcję ruchu wzdłuż linii odpowiada sensor wizyjny (kamera). Innym sposobem jest użycie taśmy magnetycznej, gdzie detekcję położenia zapewnia czujnik pola magnetycznego. Kolejną metodą jest stosowanie czujników laserowych emitujących wiązki laserowe oraz użycie reflektorów zamontowanych w określonych miejscach obszaru roboczego. Detekcja położenia odbywa się wówczas przy zastosowaniu metody triangulacji. W każdym typie robota AGV, po wykryciu elementu pozycjonującego, system sterujący dostosowuje odpowiednio ruch robota (np. skręt kół) tak, aby kompensować ewentualne odchylenia od pożądanego toru ruchu.
Wszystkie roboty typu AGV łączy jedna kluczowa cecha – aby mogły one automatycznie nawigować, obszar roboczy musi zostać wyposażony w dodatkowe elementy infrastruktury. Rozwiązanie to określa zatem cały system złożony z robota oraz elementów pozycjonujących. Co więcej, ze względu na stałe rozmieszczenie elementów pozycjonujących, niemożliwe jest uzyskanie dowolnej trajektorii, a jedynie przemieszczanie się robota wzdłuż wcześniej wytyczonych tras. Człon „automatyczny” w nazwie tych robotów wynika właśnie z faktu, że mogą one poruszać się jedynie wzdłuż uprzednio określonych ścieżek.
Wspomniane wyżej ograniczenie nie występuje w robotach typu AMR. Tak jak sugeruje ich nazwa maszyny tego typu autonomicznie generują swoje trajektorie, gdyż nie posiłkują się żadnymi elementami pozycjonującymi występującymi w środowisku. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanego systemu percepcji robotycznej. System postrzegania otoczenia w takich robotach opiera się najczęściej na czujnikach wizyjnych (np. kamery pojedyncze lub stereo), ewentualnie na czujnikach głębi (sensory typu LiDAR lub ToF). Takie systemy percepcji umożliwiają robotom postrzeganie otoczenia w sposób podobny do człowieka (widzenie trójwymiarowe). Na przykład możliwe jest dokładne określenie położenia robota względem elementów stałych otoczenia (filary, regały, itp.). Dzięki takim czujnikom robot w każdym momencie pracy potrafi zdefiniować swoją lokalizację (bez względu na to, gdzie się znajduje) tylko na podstawie widoku otaczającego go środowiska. To z kolei umożliwia uniezależnienie się od jakichkolwiek dodatkowych elementów infrastruktury. Aby możliwe było uzyskanie pełnej autonomii, pozyskane informacje dotyczące położenia są wykorzystywane do zaplanowania ruchu robota. Elementami składowymi autonomii są zatem ciągła samolokalizacja robota oraz zaawansowane algorytmy nawigacji, które generują sygnały sterujące robotem oraz uwzględniają jego względną pozycję w obszarze roboczym i potencjalne przeszkody uniemożliwiające dotarcie do punktu docelowego.
Zatem roboty ARM znacząco różnią się od robotów AGV. Z jednej strony nie wymagają żadnej dodatkowej infrastruktury, co zasadniczo ułatwia ich wdrożenie w nowym miejscu. Z drugiej strony, ze względu na zaawansowane algorytmy percepcji i sterowania, takie roboty zwykle są droższe od AGV. Cechą wspólną tych dwóch rodzajów robotów jest natomiast ich mobilność. Warto zatem zapamiętać, że robot mobilny nie zawsze oznacza pełną autonomię pracy. Dlatego przy wyborze maszyny do swojego zakładu należy zapoznać się ze szczegółami działania rozważanych rozwiązań.
Podsumowanie
W dyskusjach branżowych często stosuje się zamiennie wiele różnych określeń na roboty posiadające możliwość poruszania się względem otoczenia. Bardzo często terminy AGV, AMR czy robot mobilny są uznawane za synonimy. Co więcej, w polskiej nomenklaturze stosuje się także określenie wózki samojezdne jako kolejną nazwę dla takich urządzeń. O ile to ostatnie pojęcie wydaje się już nieco archaiczne i nie do końca precyzuje z jakimi robotami mamy do czynienia, o tyle uznaje się, że nazwy AGV oraz ARM precyzyjnie określają typ platformy. Warto zatem pamiętać, że różnica między nimi jest znacząca i może być kluczowa w dopasowaniu konkretnego rozwiązania do konkretnego zastosowania w zakładzie przemysłowym. Należy również pamiętać, że oba typy maszyn należą do grupy urządzeń określanych jako roboty mobilne.
