Roboti za industrijo in preprečevanje poškodb hrbta

Trem raziskovalno-aplikativnim projektom, ki so jih raziskovalci Odseka za avtomatiko, biokibernetiko in robotiko na IJS prijavili na razpis evropskega programa Obzorje 2020, so nedavno prižgali zeleno luč. Skupna vrednost projektov je dobrih 15 milijonov evrov, IJS pa bo za svoje delo v prihodnjih petih letih prejel 2,1 milijona evrov.

Projekt ReconCell je namenjen vpeljavi robotskih tehnologij v industrijsko proizvodnjo v malih in srednje velikih podjetjih. S projektom Spexor razvijajo inovativnega obtelesnega robota za preprečevanje poškodb hrbta. Tretji projekt z naslovom HeatShield je s področja ergonomije, raziskuje pa vpliv podnebnih sprememb na delavce v proizvodnih procesih in morebitne negativne učinke na njihovo zdravje.

»Pri vseh treh projektih sodelujejo tudi podjetja, in sicer slovensko podjetje Elvez pri robotskem projektu ReconCell, S2P pri projektu Spexor in Odelo pri biokibernetskem projektu,« razloži dr. Aleš Ude, vodja Odseka za avtomatiko, biokibernetiko in robotiko na Institutu Jožef Stefan (IJS). Ponosen je na sodelavce, ki so z odličnimi prijavami prepričali stroge evropske ocenjevalce programa Obzorje 2020, da so jim odobrili projekte in jim zaupali koordinacijo. Vrednost doslej razpisanih projektov v okviru tega evropskega programa presega milijardo evrov, od tega bo evropska komisija prispevala nekaj več kot 535 milijonov za odobrene projekte. Institut Jožef Stefan skupaj s tremi pravkar odobrenimi sodeluje že v 28 projektih programa Obzorje 2020.

Robotska celica v industriji

»V preteklosti smo razvili nove metode, s katerimi znamo naučiti robota neke razmeroma zapletene montažne operacije, kot je sestavljanje delov, ki se tesno prilegajo drug drugemu. Učimo ga tako, da mu pokažemo, kako naj nekaj naredi, kar je podobno učenje kot pri otroku. Razvijamo tehnologije, ki so potrebne za programiranje robotov in za celotno robotsko celico. Ta razen robota zajema še druge elemente, ki omogočajo hitro rekonfiguracijo celice. V okviru projekta ReconCell si želimo razviti metode učenja robotov do te stopnje, da bodo uporabne v industriji, pojasnjuje namen projekta ReconCell njegov koordinator dr. Aleš Ude.

V laboratoriju, kjer raziskujejo metode učenja, je s pomočjo sodelavca Aljaža Krambergerja pokazal, kako dvoročni robot z obema »rokama« vstavlja čep v luknjo. Robotu pri opravilu pomaga kamera, ki mu pošlje informacijo o tem, kje je čep, da ga pobere in uspešno prestavi ali vstavi tja, kamor je določeno.

Dr. Ude: »Na našem odseku implementiramo nove tehnologije, ki se bodo uporabljale za hitro programiranje robotske celice. Pomembno pri naših eksperimentih je, da nam ni treba vsakič, ko se spremeni lokacija predmetov v prostoru, znova kalibrirati robotske celice. Predmete lahko postavimo kamorkoli, njihovo lokacijo pa zazna robot samodejno in ustrezno prilagodi izvedbo naloge. Robot ima namreč dva senzorja, enega za vid, ki ugotovi, kje so predmeti, in drugega za zaznavanje sil, ki nastanejo pri sestavljanju predmetov. Če ugotovi, da ni pravilno sestavil dveh predmetov, sam popravi svoje gibe, da uspešno izvede nalogo.«

S projektom ReconCell želijo pokazati, kako hitro lahko naučijo robota določenih operacij, in pri tem rešiti problem prilagajanja robotov na spremembe v proizvodnji. Proizvodni procesi se pri izdelavi malih serij izdelkov, kar je značilno za proizvodnjo v manjših in srednje velikih podjetjih, lahko hitro spremenijo, na spremembe pa se današnji industrijski roboti ne znajo dovolj hitro prilagoditi, saj njihovo reprogramiranje zahteva določen čas. Prav to je problem manjše industrije, ki pri raziskovalcih s področja robotike išče rešitve. Navsezadnje je nakup industrijskega robota za manjše podjetje velik naložbeni zalogaj, saj stane tak robot približno 25.000 evrov, in če je usposobljen samo za eno operacijo, potem ni dovolj zanimiv za podjetnike.

Kdaj se nakup robota izplača

Kako uporabniško je naravnan projekt, potrjuje tudi analiza, ki je pokazala, da se po dveh do treh letih delovanja industrijskega robota v proizvodnji njegov nakup izplača. Ker se ga bo dalo hitro reprogramirati za nove delovne operacije in s tem za proizvodnjo novih izdelkov, bo robotiziran proizvodni proces postal bolj zanimiv tudi za manjše podjetnike. Kot pravi dr. Ude, je sestavni del analize ekonomski izračun, kdaj se investicija v nakup robota izplača, pri čemer so upoštevali ocene, koliko časa robot porabi za sestavo nekega izdelka in koliko dobička naj bi prinesel posamezen izdelek.

»V avtomobilski industriji so serije velike in se zato splača robotizirati proizvodnjo že z današnjimi industrijskimi roboti, v manjših podjetjih pa je manj robotike, ker učenje robotskih operacij traja predolgo,« pojasnjuje dr. Ude motiv, zakaj so se na IJS lotili opisanega aplikativnega projekta, ki naj bi pomagal manjšim podjetjem pri avtomatizaciji proizvodnje z roboti.

V projektu vpeljave robotskih tehnologij v proizvodnjo sodeluje devet partnerjev, vključno z IJS kot pobudnikom in koordinatorjem. Med njimi so danska univerza iz Odenseja, nemški univerzi iz Aachna in Göttingena ter finski inštitut za prenos tehnologij Hermia iz Tampereja. Ker je končni cilj ustanovitev podjetja za trženje robotske celice, pri projektu sodeluje tudi danska družba Blue Ocean Robotics, ki bo pripravila poslovni načrt za novo podjetje.

Kot partnerji sodelujejo še slovensko podjetje Elvez, avstrijsko Logic-Data in litovsko Precizika Metal. Vsa tri industrijska podjetja so opozorila na probleme avtomatizirane proizvodnje, zato bodo pri njih testirali industrijsko uporabnost robotske tehnologije, ki jo razvijajo laboratorijsko.

Projekt bo trajal tri leta, vreden pa je šest milijonov evrov, od tega je za koordinatorja, torej za IJS, namenjenih milijon evrov.

»Jopič« za preprečevanje poškodb hrbta

Z drugim projektom iz programa Obzorje 2020, vrednim štiri milijone evrov, naj bi Institut Jožef Stefan v štirih letih zaslužil približno 600.000 evrov. Nosilec in pobudnik raziskovalnega projekta Spexor dr. Jan Babič z Odseka za avtomatiko, biokibernetiko in robotiko predvideva, da bodo ta evropska sredstva »pokrila« stroške dela treh raziskovalcev v štirih letih.

Dr. Babič: »Namen projekta je razvoj naprave za preprečevanje poškodb hrbta pri delavcih, ki opravljajo zahtevna fizična dela, in za pomoč pri rehabilitaciji ljudi, ki trpijo za bolečinami v hrbtu. Cilj pa je izdelava prototipov eksoskeletov za preprečevanje in odpravljanje bolečin v hrbtu, ki so za prehladom drugi najpogostejši razlog za bolniško odsotnost z dela.«

Opiše tudi, kako bo potekalo raziskovalno delo: »Najprej bomo izdelali pametno napravo, ki bo tako majhna kot telefon, da jo bo lahko nosil delavec v žepu. V napravi bodo različni senzorji sil, pospeškov in gibanja, zaznavala bo napor človeka in mu svetovala, kako naj svoje delo prilagodi, da se bo izognil tveganju za poškodbo. Nadgradili jo bomo s pasivnim eksoskeletom, podobnim jopiču ali telovniku, ki ga bo delavec lahko nosil pri delu. Pomagal mu bo denimo med prenašanjem in prestavljanjem bremen ter pri nenaravnih držah med delom. Pri prenašanju težkih bremen so namreč rotacijske obremenitve najbolj tvegane za poškodbe hrbta. Eksoskelet, opremljen z motorji, bo vrhunec razvoja projekta in bo aktivno pomagal delavcu pri delu.«

Razvoj obtelesnega robota oziroma eksoskeleta bo zajemal raziskave na področju merjenja mišično-skeletnega stresa, modeliranja in optimizacije človekovega senzorično-motoričnega sistema, izdelave mehanske strukture in vodenja eksoskeleta ter njegovo testiranje in ovrednotenje v delovnem okolju in pri rehabilitaciji. Za opisane naloge je dr. Babič, ki bo vodil projekt, pridobil še šest partnerjev, štiri raziskovalne institucije vključno z Institutom Jožef Stefan, rehabilitacijski inštitut in dve podjetji. To sta nemško podjetje za izdelavo medicinskih pripomočkov Otto Bock ter slovensko podjetje S2P, ki se ukvarja s prenosom raziskav v prakso.

»Strokovnjaki z univerze v Amsterdamu, specializirani za preučevanje poškodb hrbta, bodo raziskovali fiziološke vidike, ki jih bo moral eksoskelet upoštevati pri svojem delovanju. Raziskovalci univerze v Heidelbergu bodo na podlagi teh fizioloških vidikov zgradili matematične modele interakcije eksoskeleta s človeškim telesom, ki bodo podlaga za gradnjo in učinkovito vodenje eksoskeleta. Na univerzi v Bruslju bodo skrbeli za mehanski razvoj, na IJS pa bomo celoten sistem integrirali prek razvoja robotskega vodenja, ki bo zagotavljalo učinkovito in za uporabnika prijazno delovanje. Napravo bomo testirali na nizozemskem rehabilitacijskem inštitutu Heliomare in s pomočjo slovenskega podjetja S2P,« pojasnjuje dr. Jan Babič.