Robotplatform voor complexe autonome transportsystemen

De impact van automatisch geleide voertuigen (AGV’s) en autonome mobiele robots (AMR’s) in de industriële omgevind neemt toe. EduArt Robotik kwam met het robotplatform Eduard voor onderwijs en prototyping.

Markus Fenn en Stefan May hebben Eduard ontwikkeld

Onderwijs, tests en optimalisatie

Fenn over het ontstaan: “De robot zelf heet Eduard. Hij is ongeveer 40 x 40 x 15 cm groot en weegt bijna acht kilo. Hij is gemaakt nadat een bedrijf een aanvraag had gedaan bij Stefan May. Het bedrijf was op zoek naar een platform om hun medewerkers onderwijs en trainingen voor mobiele robotica te kunnen geven. Daarom biedt EduArt Robotik GmbH niet alleen het robotplatform zelf, maar ook verschillende opties voor onderwijs en diensten voor tests en optimalisatie.

“Het platform werkt met eenvoudige rubberen banden of mecanum-wielen. Hiermee kan de robot op zijn plaats roteren en opzij of diagonaal rijden. Zo is nauwkeurige positionering mogelijk en kan hij navigeren in hele krappe ruimtes. De rubberen banden worden vooral gebruikt voor tests in de open lucht of in reddingsrobots, maar alleen in simulaties. Voor beide toepassingen zijn Faulhaber motoren gebruikt.

“Het platform heeft open interfaces, een geïntegreerd sensorconcept met ingebouwde apparatuur voor afstands- en traagheidsmeting, en een ingebouwd batterijmanagementsysteem (BMS). Deze basisuitrusting kan op aanvraag worden uitgebreid, door ons of door de klant zelf. Zo kan de klant bijvoorbeeld de overbrengingsverhouding van de aandrijving selecteren – 72:1 of 89:1 – afhankelijk van de vereiste snelheid of het benodigde koppel. Zo kunnen klanten hun nieuwe concepten kosteneffectief testen. Maar we ondersteunen ook de implementatie van toepassingsoplossingen.”

Relevantie industrie

Fenn stelt dat het platform zeker relevant is voor de industrie: “AGV’s en AMR’s worden steeds belangrijker voor de automatisering, maar in veel bedrijven is men hier niet van op de hoogte. Met het robotplatform is het bijvoorbeeld mogelijk om snel en eenvoudig een nieuw sensorsysteem te testen. En omdat het platform naar behoefte kan worden uitgebreid, kan hiermee de relevante kennis in de productie vloeien.”

Samenwerking

AGV’s en AMR’s worden steeds autonomer. Ze worden een productiecomponent en ze werken met productiemodules in plaats van transportbanden. Dus AVG’s en AMR’s moeten samenwerken. “AGV’s en AMR’s werken met de standaard interface VDA5050 en kunnen dus ook met het besturingscentrum communiceren. Met een platform als Eduard kunnen klanten eenvoudig nieuwe software testen, en de resultaten kunnen dan 1:1 worden overgenomen voor grote AGV’s en AMR’s. Zo kunnen ze dus toepassingen evalueren zonder veel simulatie, omdat de software voor Eduard of een groter systeem in principe hetzelfde blijft. Een Digital Twin ondersteunt de planning en uitbreiding en is op aanvraag ook verkrijgbaar bij het platform.

“” Voor ons trainings- en Proof-of-Concept-platform hebben we gekozen voor DC-micromotoren met edelmetaalcommutatie van Faulhaber. Ondanks hun kleine formaat kunnen ze een groot koppel genereren en zijn ze bijzonder energie-efficiënt. Bovendien zijn ze makkelijk te besturen en geschikt voor extreem nauwkeurige regellussen. Voor grotere platformen gebruiken we grotere DC-motoren van dezelfde leverancier, bijvoorbeeld eenvoudige bestuurbaarheid met eigen elektronica. Indien nodig kunnen we voor specifieke toepassingen ook borstelloze DC-motoren inbouwen, omdat die onderhoudsvrij en stevig zijn.”

Complexe software

De trend binnen de productie gaat al langer naar kleinere oplages en meer varianten. Dit heeft uiteraard ook effect op de logistiek en op de functionaliteit van AGV’s en AMR’s. Fenn zegt daarover: “Je hebt robots nodig voor kleinere ladingen, dus kleinere robots met kleinere maar krachtigere aandrijvingen. Deze autonome industriële voertuigen hebben minder elektronica en kleinere batterijen, dus ze wegen minder en verbruiken minder energie. Als de belasting weer hoger wordt, is het makkelijk om op te schalen en als een eenheid te werken, omdat de robots door hun nauwkeurige aandrijvingen kunnen samenwerken zonder dat ze hierbij botsen.

“Bij AGV’s en AMR’s is eigenlijk alleen de software complex. Wat belangrijk is, is de planning om ervoor te zorgen dat AGV’s soepel kunnen samenwerken. Een AGV moet zo intelligent mogelijk zijn en niet alleen een pallet herkennen, maar ook zien of die leeg of vol is, of misschien gekanteld is. Hier is een rol weggelegd voor AI, kunstmatige intelligentie. AI verhoogt de complexiteit, en onze kleine robot is bij uitstek geschikt om dit te testen.”

Meer functionaliteit verhoogt ook de complexiteit van AGV’s en AMR’s. Wat is haalbaar – en vooral: wat is zinnig? Fenn: “Bij AGV’s en AMR’s is eigenlijk alleen de software complex. Wat belangrijk is, is de planning om ervoor te zorgen dat AGV’s soepel kunnen samenwerken. Een AGV moet zo intelligent mogelijk zijn en niet alleen een pallet herkennen, maar ook zien of die leeg of vol is, of misschien gekanteld is. Hier is een rol weggelegd voor AI, kunstmatige intelligentie. AI verhoogt de complexiteit, en onze kleine robot is bij uitstek geschikt om dit te testen.”

Vlootbeheer

Fenn vertelt over de opkomst van grotere geautomatiseerde vloten, waarvoor vlootbeheer nodig is. “In vloten moeten robots met elkaar communiceren, ze moeten zelf ‘denken’, informatie uitwisselen via standaard interfaces en indien nodig samenwerken. In grote en kleine AGV’s en AMR’s is de software in principe hetzelfde, het verschil is maar een paar regels code. De software heeft maar weinig informatie over de AMR nodig. Het programma moet bijvoorbeeld berekenen waar de robot zich bevindt in de fabriekshal. De navigatie is een van de weinige componenten die de afmetingen van de robot kent, en die zoekt het passende pad. Testen is echter altijd belangrijk, want mobiele robotica staat nog in de kinderschoenen. Daarom zijn er nog niet veel standaarden. De controller van de motor berekent hoeveel wielomwentelingen er nodig zijn om de vereiste snelheid te bereiken. Er zijn maar drie regels code nodig om dit aan te passen, of een configuratiebestand. Faulhaber levert motoren met bijzonder nauwkeurige tandwielkasten en encoder voor precieze positionering, en samen bieden ze optimale performance en veiligheid.”

Veiligheid

Voor Intralogistiek 4.0 en Industrie 4.0 moeten AGV’s en AMR’s aangesloten zijn op een netwerk. Hoe zit het met werken via de cloud, of nog beter, via de edge? En hoe is het gesteld met de beveiliging en de risico’s door hackers? Markus Fenn vertelt hierover: “Afhankelijk van de fabrikant kunnen de systemen tot op zekere hoogte ‘onhackbaar’ gemaakt worden door de hardware los te koppelen van het internet. Robots hebben veiligheidsscanners met afstandssensoren, zodat ze niet tegen een muur aanrijden. Dat betekent dat een robot geen gevaarlijke bewegingen kan uitvoeren, zelfs niet als hij wordt gehackt. En de procesgegevens zijn net zo veilig in het netwerk als het bedrijfsnetwerk zelf.

“AGV’s en AMR’s zijn heel veilig. Als een van de vier motoren uitvalt, herkent de controller dit en stopt die vervolgens de aandrijving. De laser detecteert het als er een persoon aanwezig is, en vervolgens remt het systeem. Deze twee veiligheidsmechanismen zijn voldoende”, besluit Fenn.

Verbeteringen

Robots moeten onderling nog beter in een netwerk gaan functioneren. Dan werken bijvoorbeeld vier robots samen aan een transporttaak, met als uitgangspunt: veel kleinere robots, in plaats van één grotere. Hiervoor zijn meer kleinere motoren nodig die met extreme precisie moeten werken, anders zal de zwerm haperen of niet meer synchroon werken. Om de betrouwbaarheid te verbeteren moet encoders absoluut immuun zijn voor storingen, zodat externe factoren geen ongewenste invloed hebben op de robots. “Daarom gebruikt Faulhaber soms twee encoders op iedere motor.”