Exoskeletony spojují roboty a lidi v jeden celek

Exoskeleton pomáhá podpírat horní část pracovníkova těla, zatímco ten provádí opakované vrtací práce s rukama nad hlavou na podvozku automobilu. Exoskeleton pomáhá podpírat horní část pracovníkova těla, zatímco ten provádí opakované vrtací práce s rukama nad hlavou na podvozku automobilu. RIA/Ford Motor

Bezpečnost práce se prosazuje v nové podobě, která podporuje ergonomii pracovníků a přispívá ke snižování počtu úrazů.

Jednou z výzev v éře robotů ve výrobním prostředí je usnadnit lidem a vysoce výkonným robotům možnost společné existence a spolupráce. Jedna nově založená společnost (startup) v Cambridgi ve státě Massachusetts vyvíjí technologii, která tuto výzvu naplňuje.

„Dnes již víme, že lidé a roboty se vzájemně skvěle doplňují, a pokud jim umožníme pracovat společně, mohou toho hodně dosáhnout,“ prohlásila Clara Vuová, spoluzakladatelka a viceprezidentka společnosti Veo Robotics, Inc., se sídlem v Cambridgi. V rámci výrobního procesu existuje spousta úkolů, při nichž lze efektivně kombinovat lidskou obratnost, úsudek a flexibilitu se silou, rychlostí, přesností a opakovatelností robotů.

„Výkonově a silově omezené roboty jsou nepochybně důležitým pokrokovým elementem, ale vyřeší jen část problému,“ vysvětlila situaci Vuová. „Vidíme, že zákazníci k nám přicházejí s aplikacemi, po nichž požadují různé úkony, např. chtějí, aby robot vyzdvihl těžkou součást a držel ji v určité poloze, zatímco pracovník na ní vykonává zadanou operaci.“

Vuovásleduje velkou poptávku po systému, který dokáže využívat neuvěřitelnou výkonnost, rychlost a maximální přesnost standardního průmyslového robotu a přitom disponuje schopností spolupracovat s lidmi. Spoluzakladatelé společnosti Veo se podrobně zabývají poptávkami tohoto typu.

Tento startup, který započal v roce 2016,byl zpočátku financován společností Siemens Venture Capital (dnes Next47). V loňském říjnu rozběhli podnikání s finančními prostředky ve výši 12 milionů dolarů, ježzískali od společností GV (dříve Google Ventures) a Lux Capital.

Společnost Veo se snaží překonat propast mezi lidmi a roboty tím, že pomáhá robotům lépe vnímat jejich okolí a rozvíjí u nich schopnost „porozumět“ tomu, co se děje na pracovišti.

„Způsob, jakým se náš systém liší od nastavení laserového skeneru a jeho připojení k funkční bezpečnostní jednotce, spočívá v tom, že náš systém chápe, co se děje v pracovní buňce, a rozumí i tomu, co dělá samotný robot. Vše provádíme ve 3D, což činí systém mnohem pružnější a schopnější reagovat na někoho, kdo jen zvedne ruku.“

Systém společnosti Veo je kombinací softwarového a hardwarového řešení, jak vysvětlila Vuová.

„Náš systémový hardware se skládá z vlastního zabezpečeného optického snímacího systému nazvaného Time-of-flight (ToF), který odesílá data do vysoce výkonného integrovaného počítače, jenž řídí naše strojové vidění a algoritmy řízení robotu. Počítač je umístěn v pracovní buňce a komunikuje přímo s řídicí jednotkou robotu.“

Systém je navržen tak, aby spolupracoval s jakýmkoli robotem od kteréhokoli z významných výrobců. Je dodáván se čtyřmi hloubkovými kamerami ToF, od nichž společnost Veo očekává, že pokryjí většinu aplikací v oblasti výroby, přestože společnost Vuové uvedla, že staví systém tak, aby bylo možné nakonfigurovat až osm kamer pro složitější prostředí.

„Náš systém je schopen sledovat roboty, součásti i lidi ve svém prostředí a ví, zda je situace bezpečná, což řeší na základě toho, kde se tyto objekty nacházejí.“

Pokud je pohled kamery z jakéhokoli důvodu zablokován, systém se automaticky nastaví do nejbezpečnější polohy. Systém dovolí robotu pohybovat se až ve chvíli, kdy si je jistý, že pohyb robotu je 100% bezpečný.

Společnost Veo již spolupracuje s řadou partnerů, včetně automobilek a jejich dodavatelů úrovně 1. Zaměřují se rovněž na aplikace v oblasti manipulace s materiálem, výroby kovů a výroby spotřebičů, což jsou segmenty, kde stále přetrvává tendence oddělovat lidi a robotů.

„Když dnes výrobní inženýr navrhuje proces, sám sebe se zeptá, zda se jedná o ruční nebo o automatizovaný proces,“ popisuje stav Vuová. „To, co opravdu chceme, a to, v čem vidíme obrovskou poptávku napříč všemi odvětvími, je definovat, které prvky daného procesu by měl udělat člověk a které by měl provést robot.“

V jádru jde o maximální spolupráci člověka s robotem. Aplikace jedinečných silných stránek každého z nich a jejich vzájemné propojení se jeví jako optimální řešení. Kolaborativní robotika se v podnicích projevuje čím dál tím zajímavějším způsobem.

Exoskeleton prumysl 2Toto je snímek obrazovky uživatelského rozhraní softwaru, které neustále monitoruje pracovní prostor, v němž probíhá vzájemná spolupráce lidí s roboty,což se děje za účelem zajištění maximálně bezpečného provozu. Autorskými právy na tento snímek disponuje společnost Veo Robotics Inc.

Exoskeletonová vesta

Co může spolupracovat víc než robot, který někdo nosí na sobě? Exoskeletony jsou důkazem nejintimnějšího vztahu robotůa lidí. Jediná zařízení, která ještě převyšují tuto úroveň spolupráce, jsou robotické zdravotnické přístroje pracující uvnitř lidského těla.

Pracovníci montážních linek ve společnosti Ford Motor Co. oblékají tzv. exovesty; jedná se o exoskeleton pro horní část těla vyrobený pro aplikaci v průmyslových prostředích, který na trh přináší společnost Ekso Bionics sídlící v Richmondu v Kalifornii.

Možná si říkáte, že považovat exoskeletonové vesty za roboty, zvláště když se jedná o exovesty bez elektropohonu, je poněkud přehnané. Ale výzkumníci na celém světě zkoumají alternativní způsoby ovládání, které jsou často cenově dostupnější, lehčí, bezpečnější a pro svou činnost nepotřebují elektropohon.

Společnost ABI Research zahrnuje ve své zprávě o robotických exoskeletonech i exoskeletony, které nejsou poháněny žádným elektropohonem, a předpovídá, že v roce 2025 dosáhne trh s těmito typy robotů objemu 1,8 miliardy dolarů. Očekává se, že nejsilnější růst bude právě v oblasti průmyslových exoskeletonů.

Společnost Ekso produkuje exoskeletony bez aplikace elektropohonu pro průmyslová prostředí a poháněné exoskeletony pro rehabilitační účely. Firma má vážné důvody pro výrobuexoskeletonů, které nejsou poháněny žádným elektropohonem, zejména pro podporu horní části těla.

„Rozumí se samo sebou, že exoskeletony musejí s člověkem spolupracovat, protože oblékáte toto zařízení na lidské tělo, a pokud nebudou spolupracovat na plnění zamýšleného úkolu, člověk toto zařízení jednoduše odmítne,“ objasnila funkčnost Claire Cunninghamová, manažerka pro zákaznickou zkušenost ve společnosti Ekso.

„Chceme doplnit a podpořit uživatele, aby vykonávali své úkoly, a přitom je neomezovat. To platí zejména pro exovestu, která je určena pro celodenní použití. Na montážní lince v automobilce máme pracovníky, kteří ji mají na sobě osm hodin denně, takže pohodlí je pro ně nesmírně důležité. To byla a je opravdu náročná výzva, jak zvýšit fyzickou sílu lidského těla a současně se v daném obleku cítit pohodlně.“

Exovesta je navržena takovým způsobem, aby zvedala a podpírala ruce pracovníka při plnění úkolů v rozsahu od výšky hrudníku až po práci nad hlavou. Vesta váží necelých 5 kg, ale vy necítíte nadbytečnou váhu, protože je distribuována v různých částech těla. Každé rameno je podporováno silou až 6,8 kg.

„Vůbec na ni nemusíte myslet, máte-li ji na sobě,“ zdůraznila Cunninghamová. „Kyčelní pás přenáší velkou váhu zařízení do boků a pánve uživatele, které jsou schopny tuto zátěž unést. Rovněž bederní pásky a ramenní manžety odvádějí sílu, jež přichází z hnacího mechanismu a pružinového systému; ta je pak strategicky přenášena do ramene. Dokážete tedy v ruce udržet nástroj o hmotnosti až 6,8 kg a takto můžete pracovat a fungovat klidně celý den.“

Exoskeleton prumysl 3Kolaborativní robot aplikuje uretan do zadního čtvrťového skla automobilu bez nutnosti tradiční bezpečnostní ochrany mezi operátorem a robotem, čímž efektivně šetří vzácné podlahové prostory. Autorskými právy na tento snímek disponuje společnost Esys Automation

Kolaborativní robotika vhodná k nošení na těle

Zástupci společnosti Ekso zdůrazňují, že jejich vesta není pomocné zařízení, které má něco zvednout a přenést. Není to o tom, že by vás vybavila nadlidskou silou, což je běžná mylná představa o mnoha exoskeletonech.

„Přirovnám to k tomu, že z vás bude spíše maratónský běžec než vzpěrač těžkých břemen,“ vysvětlila rozdíl Cunninghamová. „Vesta totiž přispěje ke zvýšení vaší vytrvalosti a po několika dnech si jejího přínosu opravdu všimnete. Budete mít více energie a vaše ramena budou méně unavená. I celkově se budete cítit lépe. Naším cílem je pomocí tohoto zařízení zabránit únavovým zraněním, která se běžně projevují při činnostech, kde pracujete s rukama nad hlavou po celý den.“

Jakmile začnete zvedat ruce, mechanický akční člen se rozběhne a začne poskytovat podporu vašim ramenům. K činnostem, při nichž jsou využívány tyto vesty, patří jakýkoli typ opakované práce nad hlavou, jako je vrtání podvozku na montážních linkách v automobilkách nebo instalace výfukového systému. Vestu lze také s úspěchem používat ve stavebnictví, kde pracovníci vykonávají sanitární a elektroinstalační práce, nanášejí průmyslové nátěry, instalují akustické panelové stropyči brousí povrchy.

Společnost Ford má na svých montážních linkách již necelý rok ve zkušebním provozu vesty firmy Ekso a provádí beta testování různých obměn zařízení. Cunninghamová uvedla, že partnerství se společností Ford jim poskytlo užitečné informace o tom, jak exoskeleton funguje v praxi.

„Máme zpětnou vazbu od zaměstnanců firmy Ford i z různých dalších pilotních projektů, což nás přimělo provést potřebné konstrukční změny. Nyní pracujeme na distribuci těchto vest na trh,“ popsala aktuální situaci Cunninghamová.

Exovestu lze přizpůsobit člověku na míru. Měkké výstelky, které tvoří bederní pás, manžety na paže a bederní popruhy, se dodávají v různých velikostech. Rovněž je možné přizpůsobit velikost síly poskytované uživateli nastavením pružin uvnitř akčního členu.

„Jsme také schopni nastavit akční členy pro každé rameno nezávisle na sobě,“ podotkl Kevin Dacey, vedoucí inženýr projektu EksoVest. „Například pokud někdo vrtá panely podvozku na montážní lince, může mít vrták v jedné ruce a v druhé ruce obvykle manipuluje s maticemi a šrouby, takže bude vyžadovat větší sílu na jednom rameni a menší sílu na tom druhém.“

Do tohoto zařízení je vložena určitá inteligence, ale všechno čistě jen na mechanické bázi. Na rozdíl od dnešních průmyslových robotů, které jsou elektromechanickými stroji, jsou ty naše pasivními zařízeními. Žádné motory. Žádné napájení elektrickou energií.

„Ne všechny exoskeletony musejí být nutně elektricky nebo bateriově napájeny,“ komentoval Dacey. „Mechanický design je cenově dostupnější a trvanlivější. V průmyslových prostředích nosí pracovníci tyto vesty osm hodin denně a pět dní v týdnu. Nechtějí neustále myslet na to, že si vestu musejí každou noc nechat nabít.“

„Vyžaduje mnohem méně energie mobilizovat horní končetiny než ty dolní,“nechala se slyšet Cunninghamová. „Co se týče oblasti fyzické rehabilitace pacientů prostřednictvím exoskeletonu, zde se jedná o elektromechanické zařízení, které vyžaduje neuvěřitelné množství točivého momentu, aby bylo schopno zvednout někoho ze židle. U exoskeletonu určeného pro horní část těla by aplikace elektromechanické síly působila přehnaně, téměř až ničivě.“

Robotické exoskeletony představují stále neprobádanou půdu. Cunninghamováuvádí, že se tato oblast neustále intenzivně vyvíjí.

„Uvidíte kolem sebe více a více mechanických exoskeletonů, protože jsou mnohem dosažitelnější,“ prorokuje do budoucna. „Brzy budou i cenově dostupnější. Mechanické exoskeletony jsou řešením pro každodenní využití. My v naší firmě předpokládáme, že v příštích 10 letech bude exoskeleton vlastnit téměř každý.“

I váš manžel jakožto domácí kutil si bude moci koupit jeden z těchto produktů v místním železářství. Tento kolaborativně robotický vztah bude v blízké budoucnosti postaven na mechanické bázi.

Mechanické, elektromechanické, hydraulické a bioinspirované roboty přicházejí na trh ve všech možných konfiguracích. Jsou pestré stejně jako lidé.

Pohybujete se v oblasti robotiky dostatečně dlouho? Brzy začnete vnímat věci kolem sebe úplně jinak. Uvidíte pokusy a neúspěchy, porážky ivzlety a vaše oči se najednou otevřou. Je jednoduché žasnout nad pokrokem, ale také je zřejmé, jak náročnou cestu máme ještě před sebou.

Stále si uvědomujete úžasné schopnosti lidského těla a myšlení. Ale nejvíce jste udiveni, když zjistíte, že teprve roboty vás naučily vážit si všech jedinečných vlastností, které jako lidé máme, přestože je každý den považujeme za absolutní samozřejmost.

Lidská kreativita, představivost, vnímání, zručnost a neuvěřitelná schopnost empatie a kritického myšlení – jak nám v tom mohou roboty konkurovat? Nemusejí. Lidé a roboty jsou totiž silnější, když tvoří společný tým.

Tanya M. Anandanová je přispívající redaktorka pro sdružení Robotic Industries Association (RIA) a Robotics Online. RIA je neziskové obchodní sdružení určené ke zlepšení regionální, národní a globální konkurenceschopnosti severoamerických výrobních a servisních odvětví prostřednictvím robotiky a související automatizace. Tento článek se původně objevil na webových stránkách sdružení RIA. Sdružení RIA je součástí Asociace pro pokročilou automatizaci (A3), jež je mediální partner společnosti CFE Media.

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com