Veilige robot moet slim worden, niet andersom

Wanneer industriële robots veilig tussen mensen kunnen opereren, worden ze een stuk interessanter voor het mkb. Het Factory in a Day-project ontwikkelde slimme software en sensoren om voor de nodige flexibiliteit te zorgen. Die moeten echter los worden gezien van de veiligheidsgaranties.

Pieter Edelman

Wat is er voor nodig om een robotarm veilig tussen mensen te laten werken? Het is een van de belangrijke vragen binnen het Factory in a Day-project, waar zestien Europese partners sinds 2013 onderzoeken hoe ook de kleinere bedrijven kunnen profiteren van robotica.

Nu zijn het vooral grote bedrijven die met industriële robots aan de slag gaan, om de eenvoudige reden dat de apparaten nog altijd een flinke investering vergen. Te beginnen met de hardware, maar daar komen al snel extra kosten bij: de robot moet worden geprogrammeerd, geïnstalleerd en gecertificeerd, en worden voorzien van een veiligheidskooi. Tel daarbij op dat mkb’ers vaak geen constante productie hebben en dat de robot dus een deel van de tijd alleen maar ruimte staat te in te nemen, en de berekening valt al snel ongunstig uit.

‘Toen wij begonnen met Factory in a Day, zijn we ons daarom gaan richten op robots die geen hek nodig hebben’, vertelt TU Delft-hoogleraar Biorobotica en projectcoördinator Martijn Wisse. ‘Daarmee vermijd je een heleboel kosten omdat je gewoon zo’n robot kunt neerzetten. En trouwens ook gewoon in de ruimte die je nodig hebt, want zo’n veiligheidskooi vereist best veel oppervlak terwijl bij de kleinere fabriekjes meestal alles al is volgebouwd. Een robot zonder kooi kun je er dan toch nog wel tussen proppen.’

Daarnaast wilden de projectpartners kijken naar het instellen van de robot. ‘De huidige aanpak is dat je in de console met je joystick naar de juiste plek stuurt, dan ga je er een beetje onder hangen om nog even heel precies te kijken en dan zeg je: ‘Dit is plek één’. Dan moet je programmeren welke snelheid en versnellingen en afbuigingen zijn toegestaan en dan programmeer je plek twee in enzovoorts’, vertelt Wisse.

Al met al nog een vrij arbeidsintensieve taak waarin veel tijd gaat zitten. ‘Het zou makkelijker zijn als je de robot gewoon kunt beetpakken en hem ergens heen kunt slepen om aan te wijzen wat de eerste plek is’, legt Wisse uit.

Legodoosjes

Vandaar dus de vraag wat er nodig is om een robotarm veilig tussen mensen te laten werken. Volgens Wisse zijn dit eigenlijk twee vragen. Ten eerste: wat is er nodig om een robotarm überhaupt veilig tussen mensen te laten bewegen? En ten tweede: wat is er nodig om een robotarm in de vrij chaotische menselijke omgeving iets nuttigs te laten doen?

Die tweede vraag is academisch het meest interessant. Het betekent namelijk dat de robot meer moet kunnen dan alleen domweg steeds iets van dezelfde plaats oppakken en op een andere plaats neerleggen. Mensen kunnen immers in de weg gaan staan of per ongeluk iets in de weg leggen. En de robot zal ook overweg moeten kunnen met objecten die niet exact goed zijn gepositioneerd, omdat die onvoorspelbare mensen ze verkeerd hebben neergelegd of per ongeluk hebben verplaatst.

Kortom: de robot moet intelligenter worden. De TU Delft zet daarvoor in op Ros (Robot Operating System), het opensource robotplatform dat de nodige handvatten biedt om allerlei hoogniveaufunctionaliteit te ontwikkelen zoals algoritmes voor computervisie en motionplanning.

Op de Robobusiness-conferentie in Den Haag eerder dit jaar werd de aanpak gedemonstreerd, met een robotarm van de Deense projectpartner Universal Robots. ‘We hadden die robot aan het werk gezet om onze legodoosjes te verkopen. Dat was even een gimmick, maar die robot stond tussen het verkooppersoneel en het publiek. Als die in de weg stonden van bijvoorbeeld de bovenarm, dan verzon hij ter plekke een nieuwe beweging daaromheen’, doet Wisse uit de doeken.

Sleutel hierin was een ‘sensorische huid’ van een andere projectpartner, de Universiteit van München, waarmee de robot over zijn hele oppervlak aanraking en nabijheid van mensen en objecten kan meten. ‘Hun idee daarachter is dat wij mensen kunnen wat we kunnen doordat we allerlei geavanceerde sensoren op onze huid hebben. Als we ooit intelligente robots met gelijksoortig gedrag als mensen willen maken, is dat een vereiste’, legt Wisse uit.

Zover is het nog niet, maar het huidige prototype was uitstekend te gebruiken voor de Factory in a Day-robot. De huid is opgebouwd uit duizenden losse printplaatjes, elk met een eigen microcontroller en sensoren voor druk, afschuiving, objecten in de nabijheid en versnelling. ‘De onderzoekers uit München konden daarmee zelfs een Ros-node maken die de vorm van de huid meet. Die versnellingssensoren kunnen allemaal zien waar de zwaartekracht zit, en die weten welke cel aan welke cel zit, en met die twee gegevens kunnen ze een mooi 3d-beeld reproduceren’, aldus Wisse.

Daarmee werd ook de beoogde aanpak van het programmeren door de robot mogelijk. ‘Universal Robots die heeft dat al enigszins in zijn commerciële software, maar met die huid kan die robot ook echt contact en krachten voelen. Dus hij kan met je meebewegen als je hem ergens heen duwt.’

Walhalla

Maar dan is er nog deel één van de vraag: hoe laat je een robot veilig tussen mensen bewegen? Het was een beetje verkeerd in de media terechtgekomen, meent Wisse, maar de robothuid of Ros zijn daarvoor niet verantwoordelijk. ‘Het is een discussie die we vaak tegenkomen’, vertelt hij. ‘Sommige mensen zeggen dat Ros het walhalla is omdat je de robots daadwerkelijk intelligent kunt maken. Anderen betwijfelen dat omdat ze zich afvragen hoe je de veiligheid kunt garanderen als je zo veel ingewikkelde intelligentie in een een robot stopt waarvan je een gedeelte niet eens zelf hebt ontwikkeld.’

Maar dat is een verkeerde manier om ertegen aan te kijken, legt Wisse uit. ‘Ik denk dat de veiligheidsgaranties voor industriële robots voorlopig allemaal door de fabrikant zullen blijven worden gegeven. De fabriek zorgt ervoor dat zijn robot is uitgerust met redundant uitgevoerde sensoren om zichzelf af te schakelen als hij afwijkend beweegt, en voor een input waaraan een systeemintegrator gecertificeerd een veiligheidscircuit kan koppelen. Ros zorgt ervoor dat de robot zijn bewegingen uitvoert om zijn taken te vervullen, maar de veiligheidsgarantie zit een niveau lager.’

Binnen die context van de veiligheidsgarantie kan dan naar believen functionaliteit worden ontwikkeld, als extra laag. ‘Heel veel mensen verwachten dat beide samen in een systeem zitten, en dat snap ik ook wel weer, want tot nu toe leveren fabrikanten een totaaloplossing, dus een robot met een programmeeromgeving enzovoorts. In de nieuwe situatie blijf je de robot én de veiligheid kopen bij zo’n fabrikant, maar de intelligentie is een min of meer onafhankelijke laag die daarbovenop ligt en die echt héél krachtig is.’

‘De meeste systeemintegratoren vinden dat nog wel lastig; die zijn gewend te werken in de omgeving die de fabrikant verschaft en zien zichzelf niet zo als software-engineers die intelligentie toevoegen. De systeemintegratoren die dat wel doen, zijn de rest echt een stapje voor.’

Niet zo sterk

Traditioneel gaat het bij veiligheidsmaatregelen om noodstoppen en kooien die ervoor zorgen dat de robot wordt afgeschakeld zodra de deur opengaat. Maar tijdens de demo op de Robobusiness-conferentie stonden de onderzoekers gewoon naast de robot, zonder hek.

Dat heeft dan weer een andere oorzaak: de trend van de laatste jaren naar meer robotica die wel is goedgekeurd om tussen mensen te bewegen. ‘Dat is eigenlijk door Universal Robots ingezet. Zij maken inmiddels veel furore, maar toen we met het project begonnen, waren zij een start-up die dat als enige deed. Daarom zijn zij destijds bij het project gekomen.’

De reden dat dit soort ‘compliante’ robots worden toegelaten zonder veiligheidshek, is dat ze simpelweg zo ontworpen zijn dat ze niet zo veel schade kunnen aanrichten: ze zijn niet zo sterk, bewegen niet zo snel en alle scherpe randen zijn weggewerkt. ‘De arm van Universal Robots meet daarnaast de stroom die door zijn eigen motoren loopt als maat voor zijn kracht. Als die boven een bepaalde waarde komt, schakelt hij zichzelf af. Dat alles bij elkaar maakt hem veilig om zonder hek te kunnen gebruiken’, stelt Wisse.

‘Je hebt bijvoorbeeld ook de aanpak van Fanuc, dat normaal altijd gele robots maakt, maar nu een groene robot heeft uitgebracht met een bekleding van een soort schuimrubber die minder hard is en minder scherpe randjes heeft. En ook die robot heeft krachtsensoren ingebouwd, weliswaar op een andere manier dan Universal Robots, maar het komt in feite op hetzelfde neer.’ Er is wel een kanttekening te plaatsen. ‘Als de grijper die je erop zet, of de voorwerpen die je beetpakt, scherpe randjes hebben, dan geldt het niet meer’, vertelt Wisse. ‘De veiligheid is nog steeds alleen gegarandeerd door de combinatie van robot en systeemintegrator die moet certificeren dat al die die scherpe randjes er echt niet zijn.’

Maar als al die dingen samenkomen, ontstaat een heel krachtig geheel, denkt Wisse. ‘Onze visie is dat je niet alle situaties hoeft te programmeren, maar dat je alleen de vorm van een product ingeeft dat een robot moet oppakken. Als de robot dan zelf kijkt waar het begin- en eindpunt moeten zijn, meet of er obstakels zijn en zijn beweging daarop aanpast, dan maakt het niet meer uit als het doosje de ene keer wat hoger is dan de andere, of dat er een ander doosje in de weg staat, of als er af en toe iemand langs loopt.’