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基于机能的机器人同事用于工业维护任务
摘要
工业云机器人技术（ICR）由于具有接入方便，计算成本低廉，网络资源便捷等特点，被提出将分布式工业机器人（IR）资源集成到任何地方提供ICR服务，与此同时，在制造业中，能源效率问题意味着最大限度地减少能源资源量以达到生产过程中的既定产出水平，也逐渐受到学术界，工业界和政府的高度重视。目前，ICR在生产中发挥着至关重要的作用。在生产过程正常的前提下，实施节能制造ICR将大大降低能耗，同时也对制造业的节能减排具有显着的效果。在这种情况下，ICR的能量状态感知和大数据分析是实现上述目标的基本过程。建立了一种新的系统结构，主要侧重于分布式能源状态感知和ICR的大数据分析。基于与能耗相关的ICR的感知数据，提出了一个结合ICR制造现状的大数据分析模型，并给出了大数据与分析模型之间的关系。通过数据分析模型，我们可以分析ICR运行状态的能耗波动特征，计算与不同生产阶段相关产品的能耗，预测ICR的健康状况以及与其相关的能耗趋势操作。实施案例研究来证明所提议的系统和方法的有效性。
本文调查了一个基于传感器的机器人同事在柔性工业环境中工作的概念并与人类操作员一起工作。 在这个特定的工作中，为了实现一个机器人同事场景的开发从自主工业移动机械手的出发点展示了机器人同事的实施。通过使用基于技能的方法，将cobot应用于工业相关的拧紧任务。 在技术上的工作描述人机界面和拧紧技巧。
- 介绍
生产领域正在不断发展，寻求更快，更实惠和灵活自动化的新手段和策略。 在过去的几年中，第四次工业革命一直负责引入新颖的想法和建立塑造未来智能工厂的概念[1]。 工业4.0时代灵活自动化的支柱之一是协作机器人的整合。 协作机器人的概念为工业机器人引入了新的应用领域，并使他们能够与人类紧密接触。
1.1合作机器人领域
协作机器人领域已被广泛研究，然而，它尚未完全确定哪类机器人可以被指定为协作机器人。即使目前有大量产品可用[2,3]，并且在完成许多研究项目[4,5]之后，协作机器人的定义仍不清楚。根据SICK Sensor Intelligence的说法，人类和机器人之间的交互可以被归类为三种之一。 “共存”是最低层次的互动，人与机器人一起工作来完成一个过程，但不共享工作空间，工作空间在工作空间之间传递;第二层是“合作”;工作空间是共享的但很少使用或同时输入，机器人和人员不能同时在工作区执行操作，最后一级和最高级别是“协作”，其中工作区是共享的，双方可以同时执行操作[6]。本文的作者接受德国职业安全研究所[7]和ISO / TS 15066：2016技术规范[8]提供的最为精确的定义，根据前者，cobots被定义为：“协作工业机器人是与人类携手并进的复杂机器。在一个共同的工作过程中，他们支持并减轻了操作人员的工作量“此外，技术规范指出，每个定义的协作机器人共享一个工作空间，这就需要一个工业操作器，它能够安全地工作并且不会危害人类为此目的而设计的机器人在其关节中利用力/力矩反馈以在发生碰撞时停止其操作，并且它们通常设计为具有圆形边缘以在潜在碰撞的情况下将损害降至最低。分别是通用机器人和库卡的UR3和LBR iiwa 7 R800，但上述定义并不是一个专有定义，在早期的作品中，对机器人的分类方法有所不同[9,10]。开发一种安全的人机协作系统。人与机器人之间的安全交互源自对更高效率的需求灵活和高产的工业电池，以及减轻操作人员繁重的工作负担和职业压力。这可以通过在人工指导下简化机器人在制造行业的执行任务来实现[11]。
1.2人机交互
作为理想的情况，应该考虑人和机器人在一件或多件工件上连续而连贯地工作的情况。操作人员与共享工作区的机器人一起工作，并进行必要的操作，同时看似直观地识别并适应彼此的移动和操作，从而实现相互支持。这种合作对改善体力劳动是非常有价值的，这对于完全自动化是困难的，不健康的或不利的。为了实现人与COBOT之间的这种高级协作，两个技术方面至关重要。第一个是传感器输入，使机器人能够识别并适应人类的存在，第二个是人类机器人接口，使双方能够轻松进行通信。关于传感器输入，操纵器中单独的力/扭矩传感器的存在是不足的。其他类型的传感器，如能够监控工作环境的深度/距离传感器和热像仪是必要的。第二个方面可以通过声音，视觉指示，语音控制或直观的图形用户界面（GUI）等手段加以解决。后者在这项工作中被认为是与协作机器人相关的关键技术之一。此外，直觉式人机界面的需求也得到强调，因为这种机器人最有可能应用于车间工作人员的工作区域，而对此类机器人的操作方式没有或稀疏的见解。研究人员已经在研究如何让机器人新手车间工作人员处理和编程机器人。在文献中，可以找到几个“从演示中学习”编程的例子[12,13,14]。此外，丹麦奥尔堡大学开发的基于技能的系统的教学阶段采用了类似的方法[15]，而用于操作机器人的无连接方法如身体姿势正在变得流行[16,17]。这些方法的共同范围是实现与高可用性的轻松交互，即使对于不熟练的操作员也是如此。
1.3工作的重点
本文描述的工作致力于从移动机械手的出发点开发协作机器人，并着重于创建不仅在编程阶段而且在机器人的一般操作期间具有直观交互的人机界面。 对于后者，实现了一个界面，该界面消除了工作环境，手头任务和用户界面之间的信息距离。 最后，开发的系统通过使用基于技能的方法和通过设计的人机界面进行通信，应用于与人类操作员合作解决拧紧任务。 本文的主要贡献是：
bull;移动机械手如何作为cobot应用的框架。
bull;用于教学和执行的直观的人机界面。
bull;以基于技能的方式进行拧紧任务，同时保持人体不动。
情景和方法：在使用注塑模具的生产设备中，维护过程对于确保高质量至关重要。 到目前为止，从事维护任务的人员已经手动完成了这项工作。 他们负责拆卸模具，清洁，执行检查，检测故障并修理它们。 拧紧是维护过程的一个自然部分。 在智能制造时代，操作人员可以在与柔性机器人协作时执行这些任务。
2.1硬件
为了构建能够执行所述任务的系统，需要特殊的硬件和软件。 作为一个主要工具，小帮手3被使用。 它的设计和创建是丹麦奥尔堡大学的一个研究项目。 小帮手是由4个子组件组成的：移动平台，工业机械手，致动器和传感器[19]（图1）。
1. Neobotix MP-L655移动平台配备机载扫描仪（激光测距仪，超声波和电机编码器），为机器人提供移动性和灵活性。附加的4个全向轮使机器人易于移动和放置在任何地方。该平台包含一个电池组，包括8个12VDC铅酸电池和一个运行Windows XP的2.0 GHz双核和2 Gb RAM计算机。它的重量为150千克，有效载荷为100千克，速度低于1米/秒。
2.机器人机械手是库卡LWR IV 。它共有7个轴，提供大量配置，从而使其非常灵活。机器人的有效载荷为7千克，重量为16千克，其额定载荷的速度取决于轴[20]，从110到204°/秒不等。
3.辅助：机器人配备扭矩传感器，某些轴上的最大扭矩可达176 Nm，有助于解决任务，这需要力反馈。作为末端执行器，使用Schunk WSG50 2指平行电动夹具。最大行程110mm，最大抓力120N，最大速度420mm / s [21]。
2.2 软件
机器人硬件通过称为技能基础系统（SBS）的软件系统进行编程和控制。 该系统基于ROS [22]运行，并提供了一种简洁易用的方式来与机器人进行交互和编程。 在SBS中，技能工作如下： 作为输入选择的参数与机器人的当前状态一起进行; 然后检查前提条件以确保可以使用设置的参数执行任务。 如果检查成功完成，则会执行该技能。 任务完成后，检查发布条件以验证任务是否正确执行。 作为这种执行的输出，我们得到了另一个机器人状态（图3）。 SBS的结构如下： 操作员可以执行一个任务，该任务由称为技能的较小的预定义块组成，如图2所示。 例如，要执行#39;将对象放入盒子#39;任务，使用#39;拾取#39;和#39;放置#39;技能。 SBS使用面向对象编程的方法，其中每种类型的技能都是一个类。 每个技能班都是基础班的孩子，即“基本技能”，从中可以继承变量和功能。
SBS采用简单直观的图形用户界面（GUI）实现。 SBS背后的主要思想是非技术型工人应该能够在没有特殊见解或广泛培训的情况下操作系统。 机器人可以直接控制并通过界面移动，也可以自由移动。 GUI包含简单的菜单，通过仅提供相关信息来支持操作员在决策过程中。 操作人员可以执行先前编程的任务或使用可用技能创建新任务（图4）。
2.3直观的执行
为了让人类通过SBS与系统交互，人机界面（HMI）以GUI的形式实施。 Schou等人评估GUI在技能教学方面的直观性。但是，执行的直观性，这也是由车间工作人员进行的，不包括在内。 [15]由于车间工作人员都应该以机器人的方式教授和执行技能，因此需要GUI，这对用于教学和执行阶段的用户友好。通过调查原始GUI的执行菜单，确定了改善直观性的关注点。这些关注点是，操作员必须选择的选项和变量的数量，缺少GUI直观的路径以及操作员缺少解释性文本。然而，新的执行GUI应该保持编程和授课任务与执行之间的灵活和动态连接，以便新的任务将动态添加到执行GUI。在原始的GUI执行对话框中，用户从任务中组装任务，然后执行任务。因此用户必须知道任务所需的任务顺序。由于任务可以包含任何任务组合，因此可以进行无限不同的任务，如图5（左）所示。新的GUI消除了组装任务的问题，并使操作员能够从有限数量的预定义任务中进行选择。为了选择特定的任务，用户必须浏览给定的选项。新的GUI将任务分解成特定的参数，这些参数以某种方式结合在一起导致一项独特的任务。用户可以通过从宽到窄的参数进行选择来导航GUI，直到特定任务可用于执行。图6描绘了导致执行任务的所选参数的可能序列。用户选择使用“EASY RUN”执行菜单。然后用户可以选择要执行的任务和执行任务的对象。按照这种方法，用户指定任务参数，直到达到执行层，用户可以在其中执行相应的任务。
进行测试以评估GUI的新执行菜单的直观性。来自三个不同教育背景的五个考试科目参加了考试。该测试由四个独立的任务组成。对于每个任务，要求该主题执行该特定任务。前两个任务是通过给他们描述任务和明文条件以及为了达到特定任务而必须选择的一系列参数来呈现给主题的。最后两个任务仅由纯文本描述。受试者试图按照说明独立执行每项任务。在每项任务完成之前，有时间让主题阅读说明并在必要时提出问题。对于每个任务，测量从开始到主体达到执行的时间。测量的时间可以在Tab。 1.此外，被试被要求以1到5的等级对GUI进行评分，其中1是复杂的，5是简单的，就他们认为GUI使用的容易和直观而言。标签。图1显示受试者以五分之三的评分对最高分进行评分，而其余两分评分为第二高。因此，一个安全的结论是，GUI确实直观且易于使用。此外，可以得出结论，不仅机器人领域的专家和学生发现它是直观的，而且也是一个没有机器人相关教育的车间工作人员。
2.4拧螺丝技巧
在注塑模具维护期间，拧紧是一个至关重要的过程。今天这项操作是由人类工作人员进行的，因此，可能成为这些任务自动化的宝贵工具。但是，即使安装在人身上的安全机器人也不符合安装螺丝刀工具时的安全标准。为拧紧任务而开发的解决方案需要考虑这样的安全标准，并且仍然符合效率要求。为了研究基于技能的协作拧紧的潜力，以及之后确定是否应该调查用于应用的安全方面，针对SBS开发了无视安全方面的拧紧技能。为了进行初步测试并确定改进的领域，开发了第一次旋拧技巧，该技术使用小帮手3的机器人手臂的最后一个关节旋转制造的铝制8mm六角扳手（图7 。 （剩下））。通过在给定螺钉内定位和旋转螺丝刀工具来模拟人体拧紧过程。为了说明拧入技巧，操作员必须通过将螺丝刀工具放入螺钉头中来教导给定螺钉组的位置（图7（右））。当执行时，拧紧技能能够将每个螺丝钉一个接一个地拧下，直到达到预定的高度。为了简化任务，在达到预定高度时将螺钉定义为拧开。拧紧技能使小助手机器人能够作为一个cobot工作，因为它共享工作空间并使操作人员处于循环中。虽然它支持人类的行动，但它也依赖人类的意见来这样做。
大约60秒钟后，cobot能够拧开20毫米长的螺钉，而人类可以在大约10秒内完成相同的任务。 就效率而言，只要机器人使用手动螺丝刀而不是电动螺丝刀，拧紧技能的执行速度就不如人类能够做得快。 尽管如此，cobot能够以合作的方式进行拧紧操作，并且可以在操作员在别处工作的同时进行操作。 此外，电动螺丝刀工具而不是钥匙需要旋转以便拧紧，这可以减少用于快速执行螺丝技能的时间。
3.结论
本文描述了将移动机器人转变为协作机器人的必要步骤。 通过实施直观和自适应的图形用户界面（GUI），对于缺乏经验和未经培训的用户来说，使用cobot变得更加容易，并且借助螺丝技术，cobot可以帮助工作人员维护注塑模具。 Littler Helper 3被证明是一个合适的机器人，可以对其进行编程和实施，从而提供易于控制和自适应的机器人操纵器。 展望未来，我们的目标是通过引入自适应视觉算法来进一步增强cobot的安全规格，这些算法将根据操作人员的存在和意图控制执行。 此外，我们的目标是扩大开发界面的应用范围，而不仅仅是扼杀技能，还涵盖了几项工业维护任务。
参考文献
[1] K. Schwab，第四次工业革命。 2017年企鹅英国。
[2] E. Guizzo和E. Ackerman，机器人工作者的兴起。 IEEE Spectrum，49（10），2012，DOI：10.1109 / MSPEC.2012.6309254
[3]通用机器人：https://www.universal-robots.com [访问2017年1月10日]
[4]欧洲共同体第七框架计划资助的欧盟项目ACAT，学习和执行行动分类，授予no 6
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