Modułowość w systemach robotów mobilnych

Istotność elastyczności produkcji i możliwości dostosowania produktu do potrzeb klienta pokazała rywalizacja między Fordem a Chevroletem w latach 20. XX wieku. William Knudsen, ojciec sukcesu Forda, objął stery w spółce Chevrolet, gdzie wdrożył swoją unikatową ideę oferowania Amerykanom samochodu skrojonego na miarę ich potrzeb. Podczas gdy Ford Model T oferowany był w jednej wersji w kolorze czarnym, nowe modele Chevroleta, modernizowane każdego roku, umożliwiały dostosowanie konfiguracji pojazdu przez klienta. W kilka lat Chevrolet przełamał hegemonię Forda, a proces produkcyjny zyskał określenie „flexible mass production”. Dzisiaj w odniesieniu do robotyki mobilnej taki proces można zaimplementować z wykorzystaniem wzorców projektowych takich jak projektowanie modułowe, aby obniżyć koszt produkcji i zwiększyć elastyczność w podejściu do klienta.

Projektowanie modułowe opiera się na grupowaniu funkcjonalnym w celu podzielenia konstrukcji na fragmenty odpowiedzialne za konkretne procesy. Moduły razem tworzą system lub ekosystem i dopełniają się wzajemnie, gdyż każdy z nich wprowadza nowe funkcjonalności. Koncepcja taka jest znana od lat i widoczna w różnych branżach. Producenci pojazdów specjalnych wykorzystują jedną platformę jezdną i dostosowują do niej zabudowę, meble modułowe umożliwiają szybką reorganizację małych przestrzeni, komputery oferują niezliczone konfiguracje kilkunastu różnych komponentów, a modułowe budynki łatwo i tanio rozbudować o dodatkowe pomieszczenia. Idea modułowych produktów staje się ostatnio trendem również w robotyce. Międzynarodowa Federacja Robotyki w swoich prognozach od 2020 roku wskazuje, że branża będzie skupiała się m.in. na łatwo i tanio skalowalnych systemach robotycznych, co ma związek ze stale rosnącą ilością wdrożeń zarówno w Polsce, jak i na świecie.

 

Zautomatyzowany transport wewnętrzny w polskim przemyśle jest już w pewnym stopniu zapoznany z robotami mobilnymi i technologie tego typu są chętnie testowane i wdrażane przez kolejne zakłady. Rozwiązania oparte na robotach AMR trafiły do świadomości osób odpowiedzialnych za intralogistykę w zakładach przemysłowych i są obecnie brane pod uwagę jako jeden z kluczowych elementów w procesie planowania nowych inwestycji. Jednak w celu zaimplementowania systemów AMR do istniejących aplikacji niezbędne jest indywidualne podejście i zmiany konstrukcyjne. Dzięki modułowej budowie dopasowanie konstrukcji do wymagań klienta jest mniej czasochłonne i tańsze.

Konstrukcyjnie roboty AMR i AGV różnych producentów są do siebie bardzo podobne. Pojazd składa się z części jezdnej i funkcjonalnej. Część jezdna stanowi platformę nośną wyposażoną w układ napędowy, układ zasilania, układy komunikacyjne, czujniki i automatykę sterującą. Te elementy występują zawsze, ponieważ są konieczne do poruszania platformą w sposób autonomiczny, niezależnie od rozmiaru czy nośności robota. Z oczywistych powodów parametry urządzeń mogą się zmieniać, lecz ostatecznie pełnią one zawsze tę samą rolę i mogą być traktowane jako bloki funkcyjne o ustandaryzowanym wejściu i wyjściu. Część funkcjonalna stanowi zabudowę platformy jezdnej i zależy całkowicie od potrzeb klienta. Zabudowę mogą stanowić stoły, regały stałe, podnośniki, regały mobilne, taśmociągi, manipulatory lub dodatkowe sensory i kamery.

 

Układ napędowy jest połączeniem silników elektrycznych, sterowników, przekładni, enkoderów i kół. Konfiguracja rozmieszczenia napędów określa kinematykę robota, czyli sposób, w jaki sterowanie przekształcane jest na ruch platformy. W transporcie wewnętrznym stosowane są najczęściej trzy układy kinematyczne:

• różnicowy (differential drive), wykorzystujący po jednym kole napędowym na każdą stronę oraz kilka pasywnych kół podporowych,
• ackerman (car-like) z napędowym kołem skrętnym oraz pasywnymi kołami stałymi (w robotach typu LGV),
• omnikierunkowy, wykorzystujący koła szwedzkie.

Dwa pierwsze są stosunkowo tanie i wytrzymałe, ale cechują je ograniczenia kinematyczne. Układy omnikierunkowe stosuje się tam, gdzie mobilność jest na pierwszym miejscu, ponieważ pozwalają na swobodny ruch w każdym kierunku.

 

Układ zasilania zawiera baterię wraz z układami monitorującymi jej stan naładowania (BMS – Battery Management System), konwertery zasilania i układ sterowania zasilaniem. Dzięki zastosowaniu idei projektowania modułowego firma Hetbot oferuje w swoich robotach autonomicznych możliwość automatycznej lub ręcznej wymiany baterii, likwidując w ten sposób przestoje w cyklu pracy wymuszone koniecznością ładowania. Napięcie wykorzystywane zazwyczaj w robotach AMR to 24 – 48 V i zależy przede wszystkim od mocy użytych napędów. W modułowych konstrukcjach rozbudowa systemu zasilania wymaga jedynie dołożenia dodatkowych pakietów bateryjnych.

 

Charakterystyczna szczelina w połowie wysokości obudowy robotów AMR pozwala zabudowanemu w konstrukcji skanerowi laserowemu badać/mapować otoczenie. Roboty działające na podstawie techniki lokalizacji SLAM wykorzystują skaner laserowy do budowy wirtualnej mapy i lokalizują się na podstawie wykrywanych cech charakterystycznych otoczenia. Skaner laserowy jest wykorzystywany także do detekcji i omijania przeszkód i stanowi główny element systemu bezpieczeństwa. W zależności od wymaganego poziomu bezpieczeństwa percepcję robota mogą uzupełniać kamery. Rozbudowa systemu czujników zazwyczaj jest wymagana przy większych konstrukcjach, kiedy pojedynczy skaner nie jest w stanie pokryć całego obszaru wokół robota.

 

Mózgiem robota jest komputer pokładowy, który poprzez łącze komunikacyjne (najczęściej WiFi) łączy się z serwerem centralnym, aby przesłać informacje o swoim stanie i pobrać instrukcje. Komputer na podstawie otrzymanych z serwera komend oraz danych o swoim otoczeniu przygotowuje plan przejazdu, który jest na bieżąco aktualizowany o wykryte przeszkody. Często jako dopełnienie wykorzystuje się niskopoziomowy sterownik PLC, który interpretuje komendy z komputera i odpowiednio steruje urządzeniami wykonawczymi w robocie. Nowoczesne interfejsy (EtherCAT) i protokoły komunikacyjne (CANopen) pozwalają wdrożyć koncepcję łączenia wielu urządzeń na zasadzie plug-and-play – jedną magistralą i jednym systemem okablowania – co dodatkowo wspiera modułowe projektowanie systemów automatyki w pojazdach autonomicznych.

W tym miejscu warto wspomnieć, że wzorzec projektowania modułowego sprawdza się również w przypadku oprogramowania. Jednym z najbardziej popularnych rozwiązań dla robotów mobilnych jest otwartoźródłowa platforma ROS (Robot Operating System), w której programy (procesy) działają równolegle i wymieniają się informacjami zgodnie ze wzorcem pubisher-subscriber. Oznacza to, że w przypadku dodania nowej funkcjonalności może zostać ona włączona w system bez potrzeby ingerowania w już istniejący kod. Rozwiązanie modułowe w oprogramowaniu sprawdza się, ponieważ podobnie jak w przypadku komponentów sprzętowych istnieją bloki funkcyjne, które niezależnie od rodzaju robota zawsze wykonują te same zadania.

Modułowość w robotyce z punktu widzenia producenta i integratora znacząco zwiększa elastyczność oferty oraz pozwala niskim kosztem i stosunkowo szybko zbudować proof-of-concept lub docelowe urządzenie. Jest to istotna przewaga nad dużymi korporacjami, które niechętnie modyfikują swój produkt ze względu na wysokie koszty takiego indywidualnego podejścia. Dla klientów najważniejsze zalety to możliwości dostosowania produktu do swoich potrzeb i podzielenia inwestycji na etapy z opcją prostej rozbudowy systemu w przyszłości. Roboty modułowe mogą być tańsze w serwisowaniu od konstrukcji konwencjonalnych, ponieważ poszczególne komponenty są od siebie niezależne i usterki mogą być naprawiane lokalnie. Stosunkowo proste są także wszelkie modernizacje i aktualizacje. Praca zespołu badawczo-rozwojowego producenta nie musi ograniczać się do jednego modelu robota, gdyż opracowywane komponenty są powielane na inne modele. W ten sposób zwiększa się wydajność i spadają koszty produkcji.

 

Dla małej spółki technologicznej modułowe roboty typu AMR to duża szansa na wejście na rynek i zagospodarowanie klientów (nie tylko mniejszych), którzy potrzebują rozwiązań w zakresie automatyzacji niestandardowych problemów intralogistycznych.

Potęgę modułowych rozwiązań obrazuje zlecenie, które zespół Hetbot wykonuje dla klienta z branży budowlanej. Mając w ofercie roboty AMR o nośności 100/250 kg, zespół podjął się modernizacji leciwych robotów typu LGV (Laser Guided Vehicle) o nośności 8/10 ton i przystosowania ich do pracy manualnej i autonomicznej w nowym środowisku. Choć oferowane roboty AMR parametrami i konstrukcją znacząco różnią się do modernizowanych robotów LGV, oba typy pojazdów zostały stworzone do transportu materiałów, a ich pracą sterują te same algorytmy. Przy minimalnej ingerencji w oprogramowanie i korzystając z gotowych komponentów zespołowi udało się najpierw odtworzyć robota LGV w małej skali, aby wykonać testy autonomii (proof-of-concept), a następnie wykorzystać tę samą logikę, oraz niektóre komponenty sprzętowe, aby ożywić pełnowymiarowego robota i dać mu możliwość automatycznego poruszania się po zakładzie przemysłowym.

 

Popyt na roboty mobilne stale rośnie głównie za sprawą gwałtownego wzrostu branży sprzedaży online oraz rosnących kosztów pracy i braku pracowników. Zdecydowaną większość odbiorców tej technologii będą stanowili mniejsi klienci, dla których wprowadzenie robotyzacji transportu wewnętrznego będzie opłacalne, ale spełnienie restrykcyjnych warunków wdrożeniowych może stanowić nie lada wyzwanie. Podejście modułowe do projektowania systemów robotycznych pomoże zaproponować takim klientom dopasowane rozwiązania przy jednoczesnej standaryzacji wykorzystanych komponentów w obrębie wielu projektów.