Demonstrator TNO biedt opstapje naar betere samenwerking tussen mens en cobot

Om mens-robot-interactie inzichtelijk te maken, ontwikkelde TNO een demonstrator voor de samenwerking met cobots. Door verschillende scenario’s te vergelijken, kunnen bedrijven hiermee onderzoeken hoe ze hun productie beter kunnen inrichten. Om de implementatie te ondersteunen, ontwikkelde TNO ook een workshop.

Tim Bosch, Wietse van Dijk, Jeroen van Oosterhout en Gu van Rhijn zijn werkzaam bij TNO.

De introductie van de cobot heeft samenwerken tussen mens en robot veilig gemaakt. De opkomst van het industrial internet of things (IIoT) heeft het mogelijk gemaakt om steeds meer systemen van robots en machines met elkaar te verbinden en data te verzamelen. De hoeveelheid data en de complexiteit van systemen zullen in de toekomst nog toenemen.

Een intuïtieve en begrijpelijke interface is cruciaal om fysiek en cognitief samen te kunnen werken met robots. Dit maakt het mogelijk om optimaal gebruik te maken van de unieke vaardigheden van mens en robot. Hierop richt zich het onderzoek dat TNO doet binnen Robohouse, een fieldlab-initiatief van de TU Delft waarvan TNO partner is. Binnen Robohouse verkennen, ontwikkelen en testen verschillende organisaties de mogelijkheden voor cognitieve robots en hun toepassingen in een industriële setting.

Assisteren bij repetitieve handelingen

In heel veel processen is en blijft menselijk handelen van essentieel belang. De behendigheid, flexibiliteit en creativiteit van de mens worden door robots niet geëvenaard. Hierdoor zijn veel processen niet volledig te automatiseren, maar robots kunnen wel assisteren bij het uitvoeren van repetitieve handelingen. De ontwikkeling van veilige en eenvoudig programmeerbare cobots heeft het mogelijk gemaakt dat mens en robot fysiek naast en met elkaar kunnen werken – zonder afscheiding.

Toch komt samenwerken tussen mensen en robots in de industrie nog maar beperkt voor. De grootste uitdaging is niet de fysieke samenwerking maar het afstemmen van handelingen. Tussen mensen gaat dat als vanzelfsprekend, maar bij mensen en robots is er een meer expliciete vorm van informatieuitwisseling nodig. De robot moet bijvoorbeeld weten wanneer de medewerker klaar is en de medewerker wil graag weten wat de robot gaat doen.

Hierin gaat het niet alleen om de happy flow tijdens productie waarbij alles verloopt volgens plan. De samenwerking moet ook zo worden vormgegeven dat uitzonderingen en storingen kunnen worden opgevangen zoals robotfouten corrigeren, robots opnieuw aanzetten, ongeplande inspectie, het onderling overnemen van taken en het aanpassen van de interactie op de voorkeuren van de medewerker. Alles met als doel een effectieve en efficiënte samenwerking tussen medewerker en robot.

Mens-robot-interface inrichten op samenwerking

Dit is mogelijk als het procesontwerp, de digitale infrastructuur en de interface tussen mens en robot wordt ingericht op samenwerking. Deze componenten zijn met elkaar verbonden en vormen samen de basis voor mens-robot-samenwerking. In dit artikel gaan we in op de rol van deze individuele componenten en laten we zien hoe door een stapsgewijze aanpak een proces kan worden vormgegeven voor optimale mens-robot-samenwerking.

De taakgebaseerde procesomschrijving

Elk proces heeft een einddoel, bijvoorbeeld het maken van een product. Om dit doel te bereiken, voeren mens en robot verschillende taken uit. Aan deze taken zijn eisen verbonden die bepalen hoe, wanneer en door wie deze kunnen worden uitgevoerd, door mens of robot. De taakgebaseerde procesomschrijving is de set van taken die binnen een proces vallen.

Het is mogelijk om de taken zo te omschrijven dat er meerdere paden/mogelijkheden zijn die tot het einddoel leiden. Hoe meer alternatieve routes er beschikbaar zijn, hoe beter het proces kan omgaan met onregelmatigheden.

Foutcorrecties en informatie voor de medewerker kunnen in de taakgebaseerde procesomschrijving worden opgenomen. Ook kunnen de taken zo worden omschreven dat het mogelijk is om parallel aan meerdere producten te werken.

Het IIoT-framework

De digitale infrastructuur, een IIoT-framefork, verbindt de verschillende fysieke componenten met elkaar. Dit framework zorgt ervoor dat binnen een proces mens en robot de juiste taken uitvoeren. Het heeft verschillende functies. Ten eerste is het framework een schakel tussen de verschillende actoren, mens of robot. Het zorgt ervoor dat informatie over de taakuitvoering onderling wordt uitgewisseld en dat data wordt gelogd. Ten tweede kan in het framework een procesplanning worden gemaakt: welke taken moeten worden uitgevoerd om het einddoel te bereiken? Deze planning is dynamisch, want er kunnen onregelmatigheden voorkomen en de samenstelling van het mens-robot-team kan veranderen.

De interface

Om met een medewerker te kunnen afstemmen over een taak is een interface noodzakelijk. Via de interface communiceert de medewerker zowel over zijn of haar eigen taken als die van de robot. Dit maakt het voor de medewerker mogelijk om te anticiperen op de acties van de robot. Uit de procesomschrijving volgt welke interacties voorkomen en hoe vaak deze voorkomen. Het type interface en de vormgeving ervan moeten hierop worden afgestemd.

Voor routinematige handelingen is een eenvoudige interface vaak voldoende. Denk bijvoorbeeld aan een knop waarmee de medewerker aangeeft dat hij of zij klaar is met een taak. Als de medewerker echter complexe handelingen moet uitvoeren, dan zal de interface ook voldoende informatie moeten overbrengen om dit mogelijk te maken. In dit geval kunnen een scherm of projecties op het werkblad of product nodig zijn. Beide zijn voorbeelden van noodzakelijke interacties. Interacties kunnen ook preventief zijn. Bijvoorbeeld het verlichten van het werkgebied waar de robot naartoe beweegt, om fouten te voorkomen. De robot kan ook via de interface aan de operator vragen of hij een specifieke actie veilig kan uitvoeren.

Demonstrator

Om de werkingsprincipes van het IIoT-framework en de verschillende vormen van mens-robot-interactie inzichtelijk te maken, heeft TNO in Robohouse een demonstrator ontwikkeld. Daarin assembleren mens en robot gezamenlijk een product volgens verschillende scenario’s, zoals serieel en parallel werken of eenvoudige of complex producten. Ook is het mogelijk om verschillende interfaces te gebruiken. Te denken valt aan een eenvoudige knop, informatie via een scherm of via geprojecteerde instructies op het werkblad. Door verschillende scenario’s te vergelijken, wordt duidelijk wat mogelijk is en kunnen bedrijven een vertaling maken naar hun productiesituatie.

Van idee naar uitwerking

De basisstructuur van de procesomschrijving, het IIoT-framework en de interface kan op heel veel verschillende mens-robot-processen worden toegepast en op verschillende manieren worden geïmplementeerd. De juiste implementatie zorgt ervoor dat een medewerker veel situaties zelf kan afhandelen zonder een engineer te hoeven inschakelen.

Om dit implementatieproces te ondersteunen, heeft TNO naast de demonstrator ook een live workshop ontwikkeld. Hierin analyseren we via een stapsgewijze methode de use case van het deelnemende bedrijf met twee tot vier van zijn werknemers. De workshop heeft als doel een volledig beeld te geven van de samenwerking en de interacties die nodig zijn om een mens-robot-proces succesvol te implementeren.

De basis van de workshop is een inventarisatie van de actoren, mensen en robots, en de taken die ze uitvoeren binnen het proces. Vervolgens wordt gekeken welke interacties tussen mens en robot nodig zijn om de taken op elkaar af te stemmen. Deze interacties worden gekarakteriseerd op een aantal eigenschappen, zoals frequentie, prioriteit en informatiedichtheid. Op basis van deze karakteristieken worden interfacetechnologieën geselecteerd die geschikt zijn voor deze interacties.

De uitkomst van de workshop geeft inzicht in de ontwikkelstappen die nodig zijn om mens en robot succesvol te laten samenwerken.