MAKALE

Makina Magazin - - ÖN SAYFA - Yrd. Doç. Dr. Savaş DİLİBAL Yrd. Doç. Dr.haydar ŞAHİN İstanbul Gedik Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü

Endüstri 4.0 ve işbirlikçi robotlar

Günümüzde dijital dönüşüm ve ileri üretim teknikleri ile gelişen Endüstri 4.0 süreci, akıllı fabrikalarda çalışacak yeni nesil endüstriyel robotların işlev ve görev tanımlarını şekillendirmektedir [1]. Almanya’da Endüstri 4.0 süreci olarak adlandırılan bu süreç, Amerika’da akıllı üretim (smart manufacturing), Japonya’da Innovation-25 ismi ile adlandırılmaktadır. Endüstri 4.0 kapsamında geliştirilen işbirlikçi (kollaboratif) robotlar, operatör ile birlikte aynı ortamda iş bölümü içerisinde çalışarak, esnek üretim sisteminde önemli bir rol oynamaktadır. Türkiye’de en çok katma değer sağlayacağı değerlendirilen ileri robotik sistemler ve işbirlikçi robotlar, Endüstri 4.0’ın önemli alanlarındandır [1]. İşbirlikçi robotların operatörler ve diğer robot otomasyon sistemi ile Nesnelerin İnterneti (IOT) vasıtasıyla etkileşimi, geleceğin akıllı fabrikalarındaki üretim sisteminin temel yapısını oluşturmaktadır [2].

Robotik sistemlerin, başta endüstriyel üretim olmak üzere birçok alanda insanlara desteği teknolojik ilerlemelerle birlikte artmaktadır. Günümüze kadar servis ve endüstriyel robotlar olmak üzere iki ana gruba ayrılan robotik sistemler; algılayıcı ve eyleyici mekanizmalarındaki gelişmelerle birlikte, insanın yaptığı işi onunla birlikte paylaşarak yapabilen sistemlere doğru yönelmektedir. Özellikle artan işçilik maliyetlerini düşüren endüstriyel robotlar, her türlü üretim faaliyetini standart bir operatörden daha hızlı ve kaliteli olarak gerçekleştirebilmektedir. Bu nedenle, endüstriyel alanda üretimde rekabet ve kaliteyi artırabilmek için endüstriyel robotlar vazgeçilmez yardımcılardır [3].

Emniyet ve güvenlik parametreleri ön plana çıkıyor

Fabrika otomasyonunda endüstriyel haberleşme ve kontrol sistemlerindeki gelişmeler, gelişen görüntü işleme ve yapay görme teknolojileri, ileri seviye yapay zekâ algoritmaları ve veri toplama sistemleri ile malzeme seçiminde etkin rol oynayan imal usulleri ve katmanlı imalat teknolojisinin gelişmesi Endüstri 4.0 konseptini ortaya çıkarmıştır [4]. Bu yapı içerisinde esnek üretim sağlayabilmek için, işbirlikçi robotların esnek üretim proseslerinde kullanılması zorunlu hale gelmiştir [5]. Bununla birlikte, gelişen bu durum, daha yüksek seviyeli riskler içerdiğinden dolayı emniyet ve güvenlik parametrelerini ön plana çıkarmaktadır. İnsan-robot etkileşimi alanında yapılan ilk detaylı araştırmalar insansı ve sosyal robotlar alanında olmuştur. Bunu takip eden süreçte, akıllı fabrikalardaki esnek üretim ihtiyacı işbirlikçi endüstriyel robotları ortaya çıkarmıştır. Endüstri 4.0 ana elemanlarından biri olan işbirlikçi robotlar, üretim süreçlerinin etkin yönlendirilmesinde yardımcı olarak, diğer robot otomasyon sistemleri veya operatörlerle etkileşim halinde çalışarak, istenilen esneklikte üretimi sağlamayı başarmışlardır [6-7]. Endüstri 4.0 kapsamında ürünlerin bakım, onarım ve takibi Nesnelerin İnterneti ile gerçektirilmektedir. Bunu gerçekleştirecek sistemlerde, donanımsal ve gerçek zamanlı olarak yüksek miktarda veri toplama işlemini yapabilen endüstriyel tipte mikroelektromekanik sistem (MEMS) tabanlı sensörler üretilmeye başlanmıştır. Ayrıca, ürünleri kişiselleştirerek üretimle ilişkisini sağlayabilmek için bellekli ve akıllı donanımlara ihtiyaç bulunmaktadır [8-9].

Endüstriyel robotların kullanıldığı alanlar karşılaştırıldığında, en fazla kullanım alanlarını taşıma ve kaynak robotlarının oluşturduğu görülmektedir. Şekil 2'de, üretim tekniklerine göre endüstriyel robotların kullanım

oranları gösterilmiştir.

Endüstriyel robotların; manipülatör, kontrol ünitesi, uç etkileyici, pozisyoner ve slider alt sistemlerinde meydana gelen teknolojik gelişmeler, yeni nesil endüstriyel robotlar olan işbirlikçi robotların kullanımını hızlandırmıştır. Endüstriyel robot alt sistemlerindeki gelişmeler şekil 3'te, farklı endüstriyel robotların dinamik özellikleri şekil 4'te detaylı olarak gösterilmiştir.

İki ayrı grupta değerlendirmek mümkün

İşbirlikçi robot ve operatör etkileşimini insanla pasif işbirliği ve insanla aktif işbirliği olmak üzere şekil 5’te görüldüğü gibi iki ayrı grupta değerlendirmek mümkündür. İnsanla pasif işbirliği içerisinde bulunan işbirlikçi robotlar, üretim sisteminde yapılacak işi ayrı iki çalışma zarfında yaparak birbirleriyle koordineli olarak çalışırlar. İnsanla aktif işbirliği içerisinde bulunan işbirlikçi robotlar ise, insanla aynı çalışma zarfı içerisinde doğrudan birbirleriyle etkileşim halinde bulunurlar. İnsanla aktif işbirliği içerisinde çalışan işbirlikçi robotların risk analizi, pasif işbirliğine oranla daha fazla risk parametresi içermektedir [12-13].

Yeni bir döneme giriliyor

Dünyada endüstriyel robot teknolojisi yeni bir döneme girmektedir. Robot hücreleri içerisinde insanla en az etkileşim içerisinde bulunan birinci nesil endüstriyel robotlardan, insanla pasif/aktif işbirliği içerisinde bulunan yeni nesil endüstriyel robotlara doğru bir geçiş süreci devam etmektedir. Nesnelerin İnterneti ve akıllı otomasyon sistemleri ile üretimde kullanılan işbirlikçi endüstriyel robotların yanında, servis robotları da aynı geçiş sürecini takip etmektedir.

Dördüncü Endüstri Devrimi ile geliştirilen yeni nesil işbirlikçi robot yaklaşımı; üretimde esneklik, fonksiyonellik ve verimlilik sağlamayı amaçlamaktadır. Belirlenen amaçlara göre risk faktörlerinin çıkarılarak, güvenlik önlemlerini kapsayacak ana standartlara uygunlaştırılması gerekmektedir. Endüstriyel robotların emniyeti ile ilgili ISO 10218-1,-2 ve işbirlikçi robotlara ait ISO TS 15066 standartlarına uyulması gerekir. Yeni nesil endüstriyel robot sistemleri olan işbirlikçi robotların temel belirleyici özellikleri; operatörün teması ile durma, robot yörüngesini operatör tarafından elle yönlendirerek çalıştırma, robotun güç, kuvvet ve hızının sınırlayarak çalıştırma işlemlerini kapsar.

Bugüne kadar kullanılan işbirlikçi endüstriyel robotları üreten firma ve modeller tablo 1'de detaylı olarak gösterilmiştir. Burada işbirlikçi robot ağırlığı 19 ile 990 kg arasında değişmektedir.

Bu robotların taşıma kapasiteleri 0,5-35 kg arasındadır. Tablo 1’deki işbirlikçi robotların erişim uzunluğu 0,5-2,438 m. arasında, maksimum hız ise 0,6 ilâ 2,5 m/s aralığındadır. Kullanılan işbirlikçi robotlar, genellikle 6 veya 7 serbestlik derecesine sahiptir. Önemli diğer bir parametre olan tekrar edilebilirlik ise, 0,02 ile 0,15 arasında değişmektedir.

İşbirlikçi robota dışarıdan uygulanan kuvvet değerine (Fexternal) göre; denklem (1)’de görüldüğü gibi, istenilen eylemsizlik katsayısı (Bm), sönüm katsayısı (Dm) ve yay katsayısını (Km) ayarlamak için sürdürülebilir bir kontrolcü algoritması geliştirilir.

Robotun karakteristik davranışını ortaya çıkaran şekil 6'da, empedans değerleri işbirlikçi robotlar için belirlenen standartlara göre oluşturulmalıdır. Bu standartlar, EN ISO 10218-1,2 endüstriyel robotlarda ve işbirlikçi robot sistemlerinde emniyet, ISO/TS 15066 işbirlikçi robotlarda emniyet ve güvenlik olarak belirlenmiştir. Standart içerisinde emniyet ile ilgili kontrol sistemlerinin performansı maddesinde belirlenen toleransı aşan hata durumlarında, emniyet ve güvenlikle ilgili riskler oluşturmaması gerekir.

Uç etkileyicisinin hızı kontrol edilebilir olmalı

Standartta belirlenen robot durdurma fonksiyonunda; koruyucu durma fonksiyonuna sahip olması, bağımsız acil durma fonksiyonuna sahip olması, ayrıca dışarıya bağlı emniyet ekipmanına bağlı olması gerektiği bildirilir. Hız kontrolü ile ilgili maddesinde ise, uç etkileyicisinin hızı kontrol edilebilir olmalıdır. Özellikle işbirlikçi robotlarda, çalışma zarfı içinde uç etkileyicisindeki hızı 250 mm/s’yi geçmemelidir [5]. Ülkemizde de uygulanan güvenlik enstrümanlarına ait standartlar ve emniyet seviyesi, TS EN ISO 13849-1 makina emniyeti ile ilgili standartlara göre belirlenmiştir. Bu kapsamda, üç boyutlu emniyet kamera sistemleri ile işbirlikçi robota ait risk analizleri yapılabilmektedir.

İşbirliği işleminin gereksinimleri, robot işbirliğine başladığı zaman bunu görsel bir göstergeyle belli etmesi gerekir. Sürekli monitör edilen robot sistemi emniyet açısından derecelendirilip, yüksek emniyet gerektiren durumda ise, otomatik olarak kendiliğinden durabilen sistem olmalıdır. Ayrıca, eğer insan robotun çalışma zarfına girerse emniyet açısından durması gerekir. Robot yörüngesinin operatör tarafından elle yönlendirerek belirlenmesi, robotun operatör ile arasındaki belli bir mesafeyi ve hızı koruyup korumadığı, robot iç kontrol sistemi ve harici kontrol sistemi ile sürekli denetlenmesi gerekir. Ayrıca, mekanik tasarım ve kontrol parametrelerini dikkate alarak, güç/kuvvet sınır değerleri standartlarla belirlenen limitleri aşmaması gerekir [5].

Yeni nesil bir kontrol algoritmasına ihtiyaç var

İşbirlikçi endüstriyel robot sistemlerinde, insan-robot etkileşimini ve robot-robot etkileşimini gözetecek yeni nesil bir kontrol algoritmasına ihtiyaç bulunmaktadır. Bu kapsamda şekil 7'de görüldüğü gibi, pasif veya aktif olmak üzere iki farklı etkileşimli robot

kontrolü ortaya çıkmıştır.

Aktif etkileşimli kontrol doğrudan veya dolaylı kuvvet kontrolü ile çalışırken, pasif etkileşimli kontrol pozisyon kontrolü ile geri besleme sağlar. Etkileşimli robot kontrolü ile ilgili sistematik yapı şekil 7'de gösterilmiştir.

İşbirlikçi robot ve operatör etkileşiminde, etkileşimli robot kontrolünün aktif veya pasif olmasına göre iki ayrı empedans kontrol değeri bulunur. İşbirlikçi robotlarda empedans kontrol, istenilen konuma göre kuvvet geri beslemeli kapalı çevrim kontrol veya istenilen kuvvete göre konum geri beslemeli kapalı çevrim kontrol olabilir. İşbirlikçi robotların gerek operatör, gerekse başka robotlar ile birlikte çalışırken empedans kontrol katsayılarını karşısındaki sistem veya operatör davranışına göre tahmin etme algoritmalarının geliştirilmesi ile ilgili araştırmalar sürmektedir [14]. İşbirlikçi robotlarda; konum, hız ve kuvvet kontrolü işbirliğinin karakterine göre gerçekleştirilir. İnsan-robot işbirliği çerçevesinde, şekil 8'de görüldüğü gibi operatörün manipülatöre kuvvet uygulayarak istenilen konuma getirebilmesi için, servo motorların empedans kontrollü hareket ettirilmesi gerekir.

İşbirlikçi robotun, endüstriyel alanda bir işlemi yapabilmesi için gerekli serbestlik derecesinden daha yüksek serbestlik derecesine sahip olması, robotik sistemlerde artıksıllık olarak adlandırılır.

Artıksıl robot kontrol yapısı; kinematik, eyleyici veya sensör yapısında artıksıllık olmak üzere üç farklı sınıftan oluşur [15]. İşbirlikçi robotlarda insanrobot etkileşiminde gerekli olan farklı yörüngelerde manevra kabiliyeti için aktif/pasif işbirliği durumlarında artıksıllık bir gereksinimdir. Ayrıca, insanrobot etkileşiminde çarpma ile ilgili riskleri azaltmak, işlem zamanını optimize etmek ve ihtiyaç duyulan hareket için momentleri en aza indirmek artıksıl kontrolün avantajlarındandır.

Esnek robotik sistemlerin işbirlikçi robotlardaki rolü

İnsan-robot etkileşiminde üretim sürecinde, insan el ve parmakları ile robot uç etkileyicileri esas olarak işbirliğini sağlayan unsurlardır. İnsan el ve parmaklarındaki esnek yapıyla uyumlu hareket edebilecek esnek robotik sistemler, işbirlikçi robotlarda özellikle uç etkileyici hareketleri için; kuvvet üretimi, kuvvet iletimi ve algılama işlemlerini yapabilmek için tercih edilir. Esnek robotik sistemler temel olarak işbirlikçi robotlarda eyleyici sistemleri, iskelet sistemi ve gömülü sensör sistemlerinde kullanılmaktadır. Esnek robotik sistemlerin aynı zamanda sönümleme özelliğine sahip olması fonksiyonelliğini artırmaktadır.

Esnek robotik sistemlerde kuvvet üretimi ve iletimi genellikle; akışkan basıncı, şekil bellekli alaşım temelli eyleyiciler, dielektrik eyleyiciler, elektrik motorları ve piezoelektrik malzeme temelli eyleyiciler kullanılarak sağlanmaktadır. Uygulanan kuvvet, sıcaklık ve akım değişimleri ile elde edilen dinamik hareket, robot uç etkileyicilerde kavrama işleminin uygulanmasını sağlar. Eyleyici sistemleri uygun esnek malzeme ve sensör sistemleri ile birlikte gömülü olarak kullanıldığında, işbirlikçi robotlar için gerekli etkileşim parametreleri ortaya çıkar. Elde edilen parametreler, sistemin kontrol algoritmasının oluşturulmasında kullanılır [16-17].

İşbirlikçi robotlarda kavrama maksatlı olarak; eklemli rijit, esnek ve çok amaçlı esnek uç etkileyicilerden biri şekil 9'da görüldüğü gibi kullanılabilir. Karşılaştırma yapıldığında, eklemli rijit yapıda serbestlik derecesi düşük olmasına rağmen, uygulanabilen kuvvet değeri ve doğruluk oranı diğer esnek uç etkileyicilere göre daha yüksektir. Öte yandan, esnek uç etkileyiciler serbestlik derecesi yüksek olması sebebiyle, karmaşık parçaların kavranmasında kolaylık sağlar.

İşbirlikçi robotlarda esnek robotik kavrama sentezi şekil 10'da görüldüğü gibi, standartlarda belirlenen emniyetle ilgili kısıtlar, iş parçası modeli, uç etkileyici modeli ve performans kriterlerine göre gerçekleştirilir. Bu

sentez sonucunda tespit edilen olası kavrama kümesi, kararlı dinamik davranış, serbestlik derecesi ve uygulayabileceği kuvvet kriterleri göz önüne alınarak; temas noktaları, uygulanan kuvvet ve momentler hesaplanır. İşbirlikçi robot, elde edilen bu parametre değerlerini insan arayüzü sistemine uygular.

Sonuç

Günümüzde esnek üretimin fabrika otomasyonu ile sağlanması, Endüstri 4.0 ile birlikte akıllı fabrikalar ve işbirlikçi endüstriyel robotlarla daha da gelişecektir. Bu gelişim ve değişim, fabrika otomasyonunu iş bölümü ile çalışan insan ve robotlardan oluşan çalışma gruplarına doğru götürmektedir. Yapay zekâ algoritmaları ve yazılımdaki ilerlemelerle birlikte, gömülü kontrol donanım ve yazılım sistemlerindeki artan işlemci hızı ve düşen maliyet, yakın gelecekte öğrenebilen/öğretebilen işbirlikçi robotların akıllı fabrikalarda kullanılmasını sağlayacaktır.

Kaynaklar

[1] Yeni sanayi devrimi akıllı üretim sistemleri yol haritası, TÜBİTAK Bilim, Teknoloji ve Yenilik Politikaları Daire Başkanlığı (2016).

[2] A. Amir, G. Sascha, S. Francesca, (2016) Metrics and benchmarks in human-robot interaction: Recent Advances in cognitive robotics, Cognitive Systems Research.

[3] C. Andrea, P. Robin, C. Andre, L. Antoine, F. Philippe (2016) Collaborative manufacturing with physical human-robot interaction, Robotics and Computer-integrated Manufacturing, 40 1-13.

[4] J. Krüger, T. K. Lien, A. Verl, (2009) Cooperation of human and machines in assembly lines, Manufacturing Technology, (58) 628-646.

[5] G. Michalosa, S. Makrisa, P. Tsarouchia, T.guaschb, D. Kontovrakisa, G.chryssolourisa (2015) Design considerations for safe human-robot collaborative work places, Procedia CIRP (37) 248-253.

[6] P. Akella, M. Peshkin, E. Colgate, W. Wannasuphoprasit, N. Nagesh, J. Wells, S. Holland, T. Pearson, B. Peacock (1999) Cobots for the automobile assembly line, IEEE, ICRA.

[7] G. Michalos, S. Makris, N. Papakostas, D. Mourtzis, G. Chryssolouris (2010) Automotive assembly Technologies review: challenges and outlook for a flexible and adaptive approach, Manufacturing Technology (2) 81–91.

[8] N. Papakostas, G. Michalos, S. Makris, D. Zouzias, G. Chryssolouris (2011) Industrial applications with cooperating robots for the flexible assembly, Int.j.comput. Integr.manuf. 24 (7) 650–660.

[9] H. Sahin, and L. Guvenc (2007) Household robotics: Autonomous devices for vacuum and lawn mowing IEEE Control Systems Magazine, 27, 2, 20-23.

[10] S. Dilibal, H. Şahin (2016) Endüstriyel robotlar ve tutucu sistemleri ders notları, İstanbul Gedik Üniversitesi.

[11] http://www.ifr.org/industrial-robots/statistics/erişim tarihi:10. 03.2017.

[12] K. Azfar, K. Pierre, G. Zied, T. Klaus-dieter, P. Jürgen (2016) A methodology to develop collaborative robotic cyber physical systems for production environments, Logist. Res. Springer.

[13] J. Tan, D. Feng, Y. Zhang, K. Watanabe, R. Kato, T. Arai (2009) Human–robot collaboration in cellular manufacturing: Design and development, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.

[14] R. Ikeura, H. Inooka (1995) Variable Impedance Control of a Robot for Cooperation with a Human, IEEE International Conference on Robotics and Automation.

[15] E.S. Conkur ve R. Buckingham (1997) Clarifying the definition of the redundancy as used in robotics, Robotica 15, 583-586.

[16] G. Alici, S. Dilibal, H.şahin, C.sozer (2016) Esnek (soft) robotik sistemler, TORK-2016 Türkiye Robotbilim Konferansı, Esnek Robotik Sistemler Çalıştayı, İstanbul.

[17] S. Tepeyurt, S. Dilibal, H.şahin (2016) Katmanlı İmalat Tekniği Kullanılarak Endüstriyel robot gripper üretimi ve operator eklem hareketleri ile manipülasyonu, TORK-2016 Türkiye Robotbilim Konferansı, ISBN 9786058557215.

Şekil 1. Üretim tekniklerine endüstriyel gelişimin etkisi [10].

Şekil 5. İşbirlikçi robot ve operatör etkileşimi [13].

Şekil 4. Bazı endüstriyel robotlara ait dinamik özelliklerin radar diyagramında karşılaştırılması [10].

Şekil 3. Endüstriyel robot alt sistemlerindeki teknolojik gelişmeler [10].

Şekil 2. Üretim tekniklerine göre endüstriyel robotların kullanım oranları [11].

Tablo 1. İşbirlikçi endüstriyel robotların karşılaştırılması [13].

Şekil 7. Etkileşimli robot kontrol çeşitleri [10].

Şekil 6. İşbirlikçi robot ve operatör etkileşimi [10].

Şekil 10. İşbirlikçi robotlarda esnek robotik kavrama sentezi [10].

Şekil 9. Endüstriyel robotlarda esnek robotik uç etkileyicilerle aktif kavrama sistemi [10].

Şekil 8. İşbirlikçi robot ve operatör etkileşimi [10].

Newspapers in Turkish

Newspapers from Turkey

© PressReader. All rights reserved.