Povijest kobota

Uvođenje suradničkih robota nazvanih “kobot” (KOBOT je akronim od KOolaboracijski roBOT; od engl. COBOT ‒ Collaborative Robot; suradnički robot) jedan je od najznačajnijih događaja u industrijskoj robotici još od pojave prvih robota 60-ih godina XX. st. Razlog je u temeljitoj promjeni odnosa čovjeka i stroja, povećanje dostupnosti robota malim i srednjim poduzećima te smanjenje vremena povrata uloženih sredstava u robotizaciju.

Suradnja robota i ljudi odvija se posredstvom čovjek-stroj interfejsa, a komunikacija čovjeka i stroja jedno je od stalnih i najživljih istraživačko razvojnih područja robotike. Posebno je, zbog utjecaja na troškove proizvodnje, zanimljiv odnos radnika i robota u industriji. Početkom novog stoljeća postalo je jasno da su industrijski roboti ipak samo složeniji reprogramibilni automati i da ne mogu raditi sve poslove koje rade ljudi. Upravo tada pojavili su se i prvi roboti koji su podržavali novu (kolaboracijsku) suradničku radnu etiku robota i ljudi.

U obliku kako ih danas poznajemo koboti su se pojavili na tržištu 2005. godine kao rezultat razvoja nekoliko poznatih europskih tvrtki, ali je početni razvoj inicirao još 1995. proizvođač automobila General Motors (GM), ista tvrtka iz SAD-a koja je pomagala razvoj i uvela u proizvodnju prvi industrijski robot Unimate 1965. godine.

Razlog za razvoj kobota bili su zdravstveno nepovoljni radni uvjeti na linijama za proizvod- nju automobila. Američka Uprava za sigurnost i zdravlje na radu objavila je negativan izvještaj o uvjetima rada u automobilskoj industriji, posebno u GM-u, tada vodećem proizvođaču automobila. Ergonomski problemi dovodili su do ozljeda na radu, bolovanja i gubitka radnog vremena. Primjerice, podizanje i instaliranje automobilskog akumulatora od 10 kg osam sati dnevno, 200 dana u godini dovodi do bolesti kralješnice. GM-u je preporučeno da riješi taj zdravstveni problem pa je njihov Odjel za robotiku započeo suradnju sa Sveučilištem Northwestern na kojem su M. Peshkin i J. E. Colgate razvili kobote, dok su na UC Berkeleyju radili na razvoju egzoskeletnih pojačala snage. U automobilskoj industriji koristio se nadglavni (engl. overhead) sustav tračnica ograničene mobilnosti u XY ravnini kojim su se teški predmeti poput vrata ili sjedala dovozili na mjesto montaže gdje su ih radnici skidali i ručno ugrađivali. Novi sustav inteligentne dizalice slijedio je početne pomake operatera pa je nazvan inteligentni uređaj za asistiranje

Američki patent iz 1997. opisuje KOBOT kao “aparat i metodu za izravnu fizičku interakciju između osobe i računalno kontroliranog manipulatora”. Studije pokazuju da su u automobilskoj industriji timovi ljudi i robota koji surađuju bili produktivniji od timova koje su činili samo ljudi ili roboti. Razlog je smanjeno vrijeme praznog hoda čovjeka za 85% prilikom suradnje s robotom.

INDUSTRIJSKI ROBOTI U ZAŠTITNOM KAVEZU. U povijesti korištenja industrijskih robota zabilježena je i prva nesreća u kojoj je radnik industrijskog pogona nastradao od mehaničkog udarca brze robotske ruke. Mediji su vijest digli na razinu “prvog robotskog ubojstva”, iako je posrijedi nesreća na radu zbog nepridržavanja zaštitnih standarda. Roberta Williamsa 25. siječnja 1979. godine udarila je u glavu ruka robota masom od jedne tone na proizvodnoj liniji u ljevaonici Fordove tvornice. Samo u Velikoj Britaniji 2005. zabilježeno je 77 nesreća povezanih s robotima. Zbog svoje konstrukcije, robotske ruke vrlo su opasne pa su njihovi radni prostori redovito odvajani zaštitnim rešetkama, a ponašanje ljudi određeno je internim pravilima i standardima. Zbog načina korištenja (programiranja), ali i zbog potrebnih mjera zaštite, klasični industrijski robot s osnovnom cijenom od 30 000 EUR može na kraju koštati i 100 000 EUR. KOBOT (slika desno) može se instalirati i do pet puta jeftinije.

TRI ETAPE RAZVOJA KOBOTA. Prvi koboti nisu imali vlastiti pogon pa ih je pokretao radnik. Njihova namjena omogućavala je premještanje korisnog tereta uz kompjuterizirani nadzor kretanja u suradnji s radnikom. Na lijevoj slici jedan od izumitelja, Peshkin, demonstrira primjenu prototipa pomoćnog uređaja pri montaži akumulatora na proizvodnoj traci. Teret visi na sajli i kada ga radnik pomakne stroj počne slijediti gibanje u započetom smjeru. Virtualni zidovi sprečavali su udarce o automobil. Kobot model LBR3 s vlastitim pogonom (slika u sredini) razvila je 2004. godine njemačka tvrtka KUKA koja je otkupila licencu od Instituta njemačkog zrakoplovnog centra. Poboljšane verzije razvijene su 2008. i 2013. Danski proizvođač Universal Robots razvio je 2008. godine model UR5 (slika desno), danas tržišno najzastupljeniji kobot. Razvila su ga dva studenta. Novi robot pokrenuo je primjenu fleksibilnih, user-friendly i isplativih kolaborativnih robota. To je čak i malim do srednjim proizvođačima dalo mogućnost automatizacije svojih objekata bez visokih ulaganja ili potpunu modernizaciju proizvodnje.

(Intelligent Assist Device ‒ IAD). Operateri su njim lagano gurnuli viseći teret i on bi se trenutno kretao u željenom smjeru, kao da lebdi u zraku.

Ključni dio konstrukcije uređaja bio je senzorski sklop za očitanje kuta otklona sajle na kojoj je visio teret od vertikale. Čim bi operater počeo gurati teret, sajla koja ga drži počela bi se naginjati u smjeru pomaka. Mehanizam na vrhu sajle slijedilo bi pomak sajle i tereta.

Iako je ovaj napredak pomogao u rješavanju ergonomskih problema, takav dizajn nije sprečavao oštećenja vozila zbog udarca. Ako operater nije imao potpunu kontrolu, podignuta vrata ili sjedalo mogli su udariti u vozilo na liniji. Zbog toga su dizajnirani tzv. “virtualni zidovi” koji nisu samo programski ograničavali kretanje već su korišteni tako da bi pri guranju objekt klizio po njima. To je povećavalo samopouzdanje operatera jer je znao u kojem se smjeru predmet kreće.

Colgateov i Peshkinov sustav inteligentne dizalice preuzimao je na sebe masu tereta i najveći dio sile podizanja i pomicanja. Senzori su imali ključnu ulogu u dizajnu inteligentnog suradničkog uređaja. Napredniji sustavi uklju- čivali su istosmjerni motor bez četkica i ručku sa senzorima kojom se upravljalo teretom. Npr. guranjem ručke prema gore aktiviralo se podizanje tereta. Upravljanje je određivalo brzinu gibanja uz stabilan i pouzdan rad. Ponekad korištenje ručke nije bilo optimalno već bi se jedna ruka stavljala na teret dok bi se drugom spajalo kabelske svežnjeve. S vremenom se kao ključna osobina stroja pokazala bliska suradnja čovjeka i stroja pa je uveden pojam kolaborativni robot ‒ ili kobot.

Rani koboti, dok su pridržavali teret protiv gravitacije, pomagali su radniku i pri vođenju predmeta tijekom ugradnje te tako osigurali veću preciznost pri montaži. Nisu imali željenu univerzalnost primjene, no i jednostavne mogućnosti imale su svoju vrijednost. Ograničenja brzine i snage te dobar interaktivni dizajn pomogli su kobotima da ostanu sigurni i nakon ugradnje vlastitih pogona.

Tvrtaka Ford pridružila se 1996. razvoju kobota pa su se GM i Ford zajedno obratili Američkom nacionalnom institutu za standarde (ANSI) s inicijativom za stvaranje novih sigurnosnih stan- darda za kobote kako bi omogućili njihovu širu upotrebu. Tako je u ožujku 2002. nastao prvi sigurnosni standard za “Inteligentne pomoćne uređaje ‒ Zahtjevi za sigurnost osoblja”. Od tada se za različite primjene kobota zahtijeva poštivanje jedinstvenih ISO sigurnosnih standarda kao i izrada certifikata rizika koji se razlikuju za različite modele kobota. S obzirom na razinu i oblik suradnje, razlikuju se četiri vrste kobota.

STUPNJEVI KOLABORACIJE. Suradničke razine kobota nisu jednake kod svih kobota, mijenjale su se tijekom razvoja koncepta. Prema ISO 10128 postoje četiri vrste kobota: modeli sa sigurnim zaustavljanjem u svim slučajevima zapažene opasnosti (slika krajnje lijevo). Roboti s osjetom povećanja reakcijske sile u zglobovima: ograničenje sile i snage pri kontaktu; modeli s razlikovanjem područja različitih stupnjeva razdvajanja i brzina rada (robot u području ograničenom za rad čovjeka kreće se brže, dok u prostoru u kojem boravi čovjek radi smanjenom brzinom (slika desno u sredini)); modeli koboti za izravno vođenje omogućavaju operateru da rukom drži manipulator i vodi ga prilikom faze učenja (lijevo u sredini). Za sve kolaboracijske robote izrađuje se certifikat i procjena od rizika, a na upravljačkoj ploči i danas je uvijek prisutan veliki crveni panic batoon za brzo isključivanje (slika krajnje desno).

Rethink Robotics, poznat je po ekranu s očima koje prate pokrete ruke tako da radnik zna što će robot napraviti, a ima i kameru na ruci kojom nadzire prihvat. Dvoručni YUMI (slika u sredini) tvrtke ABB-a poznat je zbog korištenja u medicini. Elegantna, meka i zaobljena, konstrukcija manipulatora osobina je gotovo svih kobota, pa tako i malog kobota (slika desno) svjetski poznate tvrtke FANUC Robotics koja ima niz rješenja sa suradničkim robotima različitih nosivosti i stupnjeva suradnje.

Pojam COBOT izmislio je Brent Gillespie, istraživač na Sveučilištu Northwestern. Wall Street Journal odabrao ga je kao jednu od “riječi budućnosti” za 2000. godinu. Prvi patent za kobote prijavljen je 1999.

Modeli sa sigurnosnim nadziranim zaustavljanjem uglavnom rade sami, a čovjek rijetko ulazi u radni prostor stroja. Ako radnik treba nešto učiniti ili ukloniti komad na kojem je robot radio, kobot će se zaustaviti, ali se neće potpuno isključiti i nastavit će sa svojim zadacima kada čovjek ode. Ovaj model predstavlja osnovni oblik kolaboracijskog robota.

Modeli sa sposobnostima praćenja brzine gibanja i razdvajanja od čovjeka susreću se kod primjene većih kobota i sa češćim ljudskim intervencijama u radnom prostoru robota. Laserski videosustav postavlja se u radni prostor tako da robot registrira blizinu čovjeka. Robot će sve više usporavati kako se čovjek približava, a potpuno će se zaustaviti kada se čovjek sasvim približi. Osjetljivost sustava i razmak između robota i operatera mogu se prilagođavati. Robot će nastaviti sa svojim zadatkom i polako ubrzavati kretanje kad se operater počne udaljavati.

Modeli kobota poput serije UR tvrtke Universal Robot ili YuMi tvrtke ABB ugrađenim senzorima očitavaju momente u zglobovima i sile pritiska, otpora ili udaraca manipulatora o prepreku. Nakon što osjeti smetnju, robot se zaustavlja ili mijenja smjer gibanja zbog izbjegavanja prepreke. Meko kućište i zaobljeni dizajn ruke kao i kratko vrijeme reakcije na dodir ublažavaju silu udarca i smanjuju mogućnost uklještenja. Konstrukcijski se nastoji sniziti masa mehanizma. No i ovi modeli također zahtijevaju procjene rizika za čovjeka prema standardu ISO/ TS 15066.

Iako su u početku razvoja 1995. radnici na pokretnoj traci u GM-u bili protiv uvedenih novina jer su mislili da će ih ostaviti bez posla, brzo su prepoznali prednost prototipova suradničkih uređaja koje su testirali više od tri mjeseca. Kad su se istraživači vratili rastaviti i odnijeti uređaje, radnici su otišli u sindikat i zatražili da ih se zadrži. Na pitanje zašto to traže, odgovorili su da namjeravaju otići zdravi u mirovinu i da nisu, do instalacije kobota, vidjeli kako bi to mogli postići.

Korištenjem donacija za financiranje akademskih partnera, GM je omogućio sveučilištima da patentiraju pronalaske i komercijaliziraju intelektualno vlasništvo pa su Peshkin i Colgate osnovali i prvu tvrtku Cobotics Inc.

Koboti i drugi inteligentni pomoćni uređaji promijenili su način na koji ljudi danas gledaju na robote i način na koji ih koriste. Danas oni imaju stopu tržišnog rasta od 50% godišnje. Goldman Sachs, u izvješću objavljenom u travnju 2016., predviđa da će tržište kolaborativnih robota do 2025. dosegnuti vrijednost od 3 milijarde američkih dolara.

Igor Ratković