Industrie 4.0 dwingt robotfabrikanten tot open houding

Software is de drijvende kracht in robotinnovatie en de smeerolie van Industrie 4.0. Gebruiksvriendelijk softwaregereedschap zorgt er ook voor dat robotapplicaties ontwikkelen niet langer het exclusieve domein is van hoogopgeleiden.

René Raaijmakers

Jarenlang was robottechnologie het exclusieve speelveld van grote leveranciers. Zij boden een gesloten omgeving om hun robots te programmeren: hun hardware was alleen met de software uit de bijgeleverde toolbox in beweging te krijgen. Nu knagen nieuwe robotstartups, open programmeeromgevingen en opensourcegemeenschappen aan dit businessmodel.

Net als in automotive, communicatie en andere markten met rap voortschrijdende innovatie bepaalt digitale technologie de wetten in het robotspeelveld. Parallellen dringen zich op. Waar Tesla gevestigde autofabrikanten een wake-upcall geeft, zorgen nieuwkomers zoals Universal Robotics (UR) voor prikkels om te vernieuwen.

De voorheen gesloten wereld van robottechnologie staat onder druk. Volgens Erik van Hilten, senior technical marketing engineer bij National Instruments, ligt het krachtenveld wat standaarden en programmeeromgevingen betreft weer helemaal open. ‘Robots en machines moeten bijvoorbeeld beter met elkaar samenwerken, met ultrakorte insteltijden.’

Als voorbeeld geeft Van Hilten een toepassing waarbij een Kuka-robot en een lineaire motor van Bosch samenwerken om montagelijm op een product aan te brengen. Met open platformen als Labview Robotics van National Instruments zijn ingenieurs in staat om dat soort applicaties aan te sturen: een complex systeem van aandrijvingen, sensoren en robotica. De besturingssoftware draait op Compactrio-hardware van NI, maar is net zo goed te installeren op een embedded pc.

De grote uitdaging is flexibiliteit. ‘Machines gaan jaren mee’, zegt Van Hilten. ‘Maar welke functionaliteit moet je er in het begin instoppen? Dat is een lastige. Machinebouwers willen later wellicht een sensor toevoegen voor extra functionaliteit. Het oppakken van een nieuw product met een specifieke kracht kan bijvoorbeeld andere sensoren eisen. Met Labview kun je daar eenvoudig op inspelen. Sensoren en actuatoren kun je later toevoegen waarbij je de code aanpast en interfaces integreert binnen de oorspronkelijke architectuur zonder dat dit ten koste gaat van het deterministisch gedrag van de robot.’

Toegankelijke schil

Het moet ook makkelijker. Met het schrijnende tekort aan vakkrachten klinkt steeds meer de roep om toegankelijkheid. Robots programmeren is nog steeds specialistenwerk, zeker binnen de gereedschapskisten die de traditionele robotleveranciers bieden. Als de robotindustrie die omgevingen niet toegankelijk maakt, dan gaat er straks geen hardware meer de deur uit. National Instruments laat met Lego Mindstorms – een uitgeklede versie van Labview – zien dat het best makkelijker kan.

Inmiddels maken ook grote gevestigde partijen als ABB en Yaskawa de overstap naar meer vriendelijkere tooling en open programmeeromgevingen. De grote drijvende kracht is de Industrie 4.0-gedachte om alles te kunnen koppelen. Robots moeten naadloos gaan samenwerken met machines.

De grote industriële robotmerken kunnen daarbij nog steeds terugvallen op hun sterktes in algoritmiek en bewegingskunst. ‘Dat vlak je niet zomaar uit’, zegt Eddie Mennen, directeur van Yaskawa in Nederland. Voor het diepere programmeerwerk biedt Yaskawa net als alle grote fabrikanten een gesloten merkspecifieke taal om functionaliteit te programmeren. ‘Daarvoor moet je heel bedreven zijn.’

Maar voor eindgebruikers is dat vaak een brug te ver. Daarom bouwde Yaskawa bovenop de diep-technische niveaus een toegankelijke schil. Via de programmeeromgeving Motologix kan nu iemand met plc-ervaring Motoman-robots programmeren. ‘Daarmee kunnen plc-programmeurs onze robots in hun productielijn integreren’, aldus Mennen. Yaskawa biedt daarbij een koppeling met de technologie van onder meer Rockwell en Siemens. ‘Door het naar plc-niveau te brengen hoeft je niet meer in de programmeeromgeving voor de robot te duiken. Als het allemaal draait, zijn de robot en productiemachines via het hmi-scherm van de plc te bedienen.’

Amazon

Yaskawa leverde de robot waarmee startup Delft Robotics vorig jaar de Amazon Picking Challenge won op zowel de onderdelen selecteren als sorteren. Delft Robotics demonstreerde eerder een robot die in staat was om de onderste bladeren van tomatenplanten te knippen – de eerste in zijn soort. Het was een taak die onmogelijk te automatiseren leek.

Aan de basis van de Delftse expertise ligt een zelflerende technologie die een fundamentele stap in robotautomatisering betekent. De besturing leert op basis van voorbeelden; het systeem vraagt twee maanden training. ‘Het voelt nogal vreemd want we weten niet waarom het systeem een steel herkent als steel’, zei cto van Delft Robotics Kanter van Deurzen afgelopen maart op High-Tech Systems 2017.

Dat maakt bijvoorbeeld vision veel sneller toepasbaar. Zelfs moeilijk te determineren producten als groenten, vlees of vis komen binnen bereik. Met de conventionele visionaanpak leggen programmeurs aan een computer uit hoe hij objecten kan herkennen aan de hand van afgebakende regels. Daarmee moet je alle mogelijkheden afdekken om tot een robuust systeem te komen. Met zelflerende systemen is dat uitputtende afbakenen niet meer nodig. Zowel Mennen als Van Hilten verwacht dat steeds meer slimme zelflerende algoritmes hun hardware en software zullen aanvullen.

Bij de pols nemen

In de praktijk draait het in de basis nog steeds om drie zaken, zegt Martin van der Have, sales- en marketingmanager robotica bij ABB: ‘Sneller installeren en programmeren, de kosten moeten naar beneden en de betrouwbaarheid moet omhoog.’ Om aan die wensen tegemoet te komen, concentreren fabrikanten van industriële robots zich op flexibiliteit verhogen, snelle integratie en functionaliteit.

Van der Have constateert dat we op een omslagpunt zitten. Hij vergelijkt het met de evolutie die de printer doormaakte. ‘Vroeger moest je drivers downloaden, dipswitches omzetten en een dag later had je ’m na veel ergernis aan de praat. Nu sluit je de printer aan en hij doet het.’ Met robotica slaan we volgens Van der Have nu dezelfde weg in. Robots werken inmiddels veilig met mensen samen. ‘We zijn er nog niet, er is nog een lange weg te gaan, maar de eerste stappen zijn veelbelovend’, aldus Van der Have.

Van der Have doelt op collaboratieve robots. Deze cobots voelen de aanwezigheid van voorwerpen of mensen en zijn zonder extra veiligheidsvoorzieningen in te zetten, wat kosten en installatietijd scheelt. Universal Robotics verkocht deze systemen negen jaar geleden voor het eerst.

Met de stormachtig groeicijfers – 50 procent per jaar – is het niet zo verwonderlijk dat ook gevestigde partijen met dit soort systemen komen. Vorige maand liet ABB de tweearmige cobot Yumi zien op Vision & Robotics in Veldhoven. De cobot demonstreerde zijn vaardigheden door doppen en lippenstift-houders uit twee bakken te grijpen om ze daarna in elkaar te schroeven.

Dit soort systemen komen vergezeld van gebruiksvriendelijke softwaretooling. ‘Dat maakt ze sneller en eenvoudiger te programmeren’, aldus Van der Have. ‘Yumi kent programmeer-app’s en lead through programming, waarbij mensen de robot bij de pols nemen om het juiste pad te programmeren. Dat maakt het eenvoudiger, al moet je nog steeds kennis van zaken hebben.’

ABB’s Yumi heeft naast standaard grijperhandjes en een geïntegreerde standaard visioncamera, iets dat de integratie sneller en eenvoudiger maakt. ‘Je bent sneller operationeel, want je hoeft geen interface meer te schrijven.’

Om zijn programmeerplatform bekender te maken bedient ABB zich intussen van strategieën zoals we die ook van Mathworks en National Instruments kennen. Het stelt zijn Robotstudio (normaal 900 euro per jaar) gratis beschikbaar voor mbo-opleidingen. Van der Have: ‘Leerlingen van 12 tot 13 jaar beginnen er al mee.’

Lage drempel

Maurits van der Lande, accountmanager bij Universal Robotics-leverancier Gibas, wijst erop dat software en tooling geen belemmeringen vormen om te starten met cobots. ‘Voor de hand liggende zaken als de draagkracht en het bereik van de robot zijn veel belangrijkere overwegingen.’

Bij de cobot van UR krijg je standaard beschikbare functies, zogenaamde wizards. ‘Die helpen nieuwe gebruikers om een zeer snelle start te maken. Een programmeercursus is niet nodig en de ontwikkeling van deze wizards staat nooit stil. Het is vooral zaak om het gesprek aan te gaan met de leverancier voor een gericht advies ten aanzien van de applicatie’, aldus Van der Lande.

Als een cobot geschikt is, dan is de total cost of ownership volgens Van der Lande per definitie laag. ‘Door de gebruiksvriendelijkheid en eenvoud van programmeren kan de gebruiker dit in eigen beheer doen.’ Gebruikers die zich de cobotfuncties eigen maken zullen een heel andere kijk ontwikkelen op automatisering binnen hun bedrijf, aldus Van der Lande.

‘Klanten moeten niet programmeren, maar configureren uit blokken die wij aanleveren’, schetst Heico Sandee van Smart Robotics zijn ideaalbeeld. Smart Robotics noemt zichzelf uitzendbureau voor robots. Het bedrijf uit Best is vaste afnemer van UR-cobots.

Sandee zegt dat Universal Robotics ook niet alle problemen kan oplossen. ‘Eenvoudige handelingen zijn snel te doen. Maar een pallet volstapelen is moeilijker, want elk doosje moet op een andere plek. Dat wil je niet tot in details programmeren. Je hebt een algoritme nodig, intelligentie die de robot in staat stelt om iedere keer opnieuw zelf zijn pad uit te rekenen en daarbij obstakels te ontwijken.’

Ook is het handig als de robot kan omgaan met wisselende formaten. Daar komt grasp point determination van pas, een algoritme dat berekent hoe de robot iets moet oppakken. ‘De truc is om de intelligentie van de programmeur naar de robot te krijgen. Anders heb je steeds een specialist nodig.’

Dit soort complexe algoritmes levert Universal Robotics niet. Smart Robotics codeert dit soort taken op basis van de open omgeving Robot Operating System (Ros). Het uitzendbureau heeft toegang tot de ‘half open’ community van UR die de implementatie van dit soort functionaliteit mogelijk maakt op de Universal-cobots.

Vrijheid

Ros is middleware waarbij een opensourcegemeenschap werkt aan functionaliteit. ‘Modules als grasp point determinaton zitten nog in de academische hoek’, zegt Sandee. ‘Je kunt er niet als eindgebruiker mee aan de slag. Je moet bijna op PhD-niveau op motionplanning geschoold zijn om bouwblokken aan te passen. Bij Smart Robotics maken we die blokken wel zelf.’

Ook een omgeving als Labview ondersteunt Ros. Dat maakt het bijvoorbeeld mogelijk om een gebruikersinterface of realtime gedrag toe te voegen aan een in Ros geschreven oplossing. Mechatronisch ontwerper en Ros-expert Tim Clephas van Nobleo Technology zegt echter dat Ros langzaam uit de academische sfeer komt. ‘Ros is een schil om andere code heen. Als je C++ of Python kunt programmeren, dan kun je ook met Ros overweg.’ Clephas wijst op het grote voordeel van opensource: je ontkomt aan een vendor lock-in. ‘Zorg er wel voor dat je de technische mogelijkheid en de kennis in huis hebt om zelf in ieder geval kleine wijzigingen aan te kunnen brengen’, waarschuwt Clephas. ‘Je moet bij opensource software ook altijd opletten of de licentie het toelaat om de software ook commercieel toe te passen.’

Ros heeft het voordeel dat veel code al beschikbaar is. Er zijn drivers voor honderden verschillende devices. Clephas: ‘Je kunt vaak de beste sensoren voor je toepassing gebruiken, zonder dat je je druk hoeft te maken of je huidige systemen en de software kunnen samenwerken. Ook zijn veel algoritmes al helemaal uitgewerkt, zoals het opvragen van transformaties tussen twee coördinatenframes of het plannen van een botsvrij pad tussen twee punten.’

Toegang tot de eigen code geeft ontwikkelaars ook de mogelijkheid om nieuwe functionaliteit aan het Ros-bouwwerk toe te voegen – zelf of door een extern bureau. Klanten hebben de vrijheid om zonder veel problemen van leverancier te wisselen. Nobleo ontwikkelde in Ros bijvoorbeeld nieuwe drivers voor de agv-positiesensoren van Accerion. Momenteel werkt het aan een nieuwe padplanner die effectiever en minder rekenintensief is.