Het groeiende potentieel van modulaire robots

Toepassingen, uitdagingen en toekomstperspectief

In 2022 werden volgens de internationale robotfederatie gemiddeld zo'n 141 robots per 10.000 werknemers ingezet in de maakindustrie – een verdubbeling ten opzichte van 2015. Ook het marktaandeel van collaboratieve robots neemt toe. De verwachting is dat het aandeel collaboratieve robots in de totale verkoop van industriële robots de voorbije jaren verder is gestegen. Maar wat met modulaire robots? Wat zijn modulaire robots precies? In welke situatie kunnen ze zich onderscheiden van klassieke robots en cobots? En gaan ze dezelfde trend tegemoet? 

Wat zijn modulaire robots?

Het basisconcept van een modulaire robot zit in de naam zelf. Een robot die is opgebouwd uit modules: basiscomponenten die steeds terugkomen op verschillende plaatsen in het ontwerp van de robot. Denk hierbij aan het hergebruik van eenzelfde type (of variaties op) motorgewricht voor verschillende assen van de robot. Die standaardisatie brengt vele voordelen, zoals lagere ontwikkelingskosten en productiekosten en een reductie van het aantal verschillende reserveonderdelen. Op die manier kunnen robots efficiënt ontworpen en geproduceerd worden.

Daarnaast kan de modulaire opbouw gebruikt worden om een oplossing op maat van specifieke automatiseringsnoden te bieden, door custom-configuratie. Die graad van modulariteit moet toelaten om snel specifieke ontwerpen en realisaties te bekomen. Commercieel zien we verschillende mogelijkheden verschijnen, van modulaire mobiele platformen tot modulaire gearticuleerde of lineaire robots. Dergelijke robots kunnen bij bepaalde fabrikanten via een online configurator op maat geconfigureerd worden op basis van de noden van de klant.

Een verdere stap in het flexibel ontwerpen en samenstellen van de robot zit hem in modules die toelaten om de configuratie van de robot af en toe aan te passen. Deze modules zijn dan zo ontworpen dat ze in een handomdraai kunnen worden losgekoppeld van elkaar en opnieuw aan elkaar kunnen bevestigd worden op een snelle en eenvoudige manier.

Configuraties?

Modules komen in verschillende maten en gewichten voor, en bieden oplossingen voor verschillende doeleinden. Zo zijn er modules die een actieve functie hebben (een motoras), modules voor energieopslag (denk aan modulaire mobiele robots die batterijen nodig hebben) of modules die enkel een structurele functie hebben (zoals het verbinden van twee assen met elkaar om een seriële manipulator te bouwen).

De modules zijn zo ontworpen dat ze in een handomdraai kunnen worden losgekoppeld van elkaar

Deze modulariteit, in combinatie met een aantal varianten van de aangeboden modules, laat een gebruiker toe om een grote variatie in configuraties samen te stellen, zoals scararobots, deltarobots, seriële robots (van 1 as tot 7 of meer) of multi-armrobots. Technische eisen zoals payload of reach van de robot hangen af van de selectie van de modules.

De mogelijkheden lijken eindeloos. Echter: hoe complexer de configuratie en hoe meer assen, des te complexer de kinematica en dus ook hoe krachtiger de IPC moet zijn om alles aan te sturen. Ondersteuning in de selectie en combinatie van modules wordt meestal gegeven in de vorm van een grafische userinterface.

In bedrijf stellen = veel manueel gedoe?

Wanneer men aan de slag gaat om zelf een robot op te bouwen en in bedrijf te stellen met standaardmodules, denkt men onmiddellijk aan twee grote uitdagingen. De mechanische kant of opbouw, en de software of programmatie.

Mechanisch gezien worden de modules meestal zo ontworpen dat ze op een eenvoudige manier kunnen gekoppeld worden, al dan niet met mechanische snelkoppelingen en elektrische connectoren. Ook is er meestal sprake van standaardisatie in formaat en koppeling binnen het gamma van modules (van dezelfde fabrikant, niet onderling) wat bijdraagt aan de eenvoud van de opbouw.

Langs de softwarekant wordt heel wat ondersteuning geboden. Ofwel kan via een GUI de robotconfiguratie op een eenvoudige manier opgesteld worden, ofwel gebeurt dit volledig automatisch. De modules worden bijvoorbeeld zodanig ontworpen dat, eenmaal met elkaar verbonden, de volledige ketting automatisch gescand wordt via een communicatieprotocol.

Zo wordt automatisch de kinematica bepaald en is er geen manuele configuratie in een softwareomgeving nodig. De complexe wiskunde achter de robotkinematica (door de volgorde van de assen, de afstanden ertussen en de manier waarop ze ten opzichte van elkaar georiënteerd zijn) wordt automatisch bepaald.

Voordelen van het terugkeren van dezelfde modules

Het hergebruik van een (of een variatie op een) module in de opbouw van een robot biedt heel wat extra voordelen waar op het eerste gezicht niet aan gedacht wordt.

Sommige robotasmodules (joint) worden bijvoorbeeld voorzien van eindeloze rotatie (> 360° spin) waarbij zowel perslucht als communicatie, stroom en I/O door de connector gaan. Wanneer men met zo'n module een 6-assige seriële manipulator configureert, zijn plots alle assen in staat tot eindeloze rotatie. Dit biedt heel wat voordelen ten opzichte van klassieke robots. Cyclustijden kunnen korter gemaakt worden doordat de robot het kortste/snelste pad kan volgen en niet beperkt is door de rotatielimieten op de assen (wat een beperking oplevert in bewegingsvrijheid van de manipulator).

In sommige gevallen kan dit een grote winst opleveren, bijvoorbeeld wanneer de robot van A naar B moet, maar door de beperking van de gewrichtshoeken een grote omleiding moet maken. Daarnaast is er het potentieel om slijtage te vermijden/reduceren door de volledige 360° te benutten, waar je klassiek door repetitieve rotatie veel meer kans op slijtage krijgt op een stuk van het bewegingsgebied van de assen.

Wanneer een robotasmodule (joint) zo ontworpen is dat elke as zijn eigen motor en drive heeft, wordt de stuurkast van de robot gereduceerd tot een IPC en een voeding. Wanneer dit niet het geval zou zijn moet voor elke module die een robotas voorstelt een drive in de stuurkast voorzien worden die ook bekabeld moet worden.

Gebruik van modules met geïntegreerde drive maakt de bekabeling veel eenvoudiger, wat ook naar herconfigureerbaarheid grote voordelen biedt: de stuurkast moet niet aangepast worden als je de modules herconfigueert. Een extra as erbij vraagt ook geen uitbreiding van de stuurkast met een extra servodrive.

Eenmalige configuratie of herconfiguratie doorheen de levensduur?

De modulariteit van de robots is niet enkel interessant om eenmalig een customrobot te configureren en bouwen. Herconfiguratie doorheen de levensduur van de robot kan op verschillende vlakken een interessante meerwaarde bieden.

Enerzijds biedt dit het potentieel robuuster te zijn en meer adaptief dan conventionele systemen. Deze robots zouden zich eenvoudig kunnen aanpassen aan de context, de omgeving en de taak om zo beter en breder inzetbaar te zijn. Door herconfiguratie kan heel flexibel en snel ingesprongen worden aan de toekomstige noden en kan een robot hergebruikt worden voor verschillende toepassingen.

Dit biedt ook veel waarde in de context van flexibele automatisatie. De huidige vraag in de markt drijft namelijk weg van serieproductie naar mass customization en bijgevolg een grote variëteit aan opties en mogelijkheden op eenzelfde product. Deze customisatie moet daarentegen ook tegen de kost van serieproductie kunnen gerealiseerd worden om concurrentieel te zijn.

Herconfiguratie doorheen de levensduur van de robot kan op verschillende vlakken een interessante meerwaarde bieden

In een bredere context kijken we naar 'high-mix low-volume' (HMLV)-productie, oftewel de vraag om productie te kunnen realiseren van een grote variatie van producten in kleine hoeveelheden. Niet enkel de programmatie moet dan flexibel zijn, maar ook de lay-out van de productievloer en de configuratie van de cellen. In dergelijke contexten biedt een robot die volledig modulair en 'on the fly' herconfigureerbaar is enorme voordelen.

Stel dat een bepaalde toepassing een 7-assige robot vereist, dan vraagt dit slechts het toevoegen van één module (een actieve as) aan de reeds beschikbare 6-assige robot. Of wanneer een nieuw product plots een grotere reach vereist, kan de bestaande robot eenvoudig omgebouwd worden door het plaatsen van langere tussenmodules.

Bij een robotcel ontworpen voor kleine oplages kan een toegenomen vraag plots een grotere throughput van de robot vragen. In plaats van de bestaande robot uit de cel te halen en een andere aan te schaffen, kan de bestaande robot omgevormd worden tot een dual-arm robot. De robot evolueert mee doorheen de evolutie van de fabrieksvloer en toepassing.

Tot slot biedt de modulariteit ook heel wat voordelen op vlak van onderhoud. Modules kunnen eenvoudig als reserveonderdeel in stock gehouden worden. Gezien het slechts over een paar modules gaat, blijft de stock in reserveonderdelen beperkt. Zo kan de module snel en eenvoudig vervangen worden in geval van een defect. Dit staat in contrast met het wachten op een interventie of het zelf opsturen van de robot naar de fabrikant voor herstelling, waardoor de productie stil ligt.

Doelpubliek?

Waar de modulaire robot zich zal onderscheiden van de standaard off the shelf-robots is de manier waarop het in de markt gezet wordt. Sommige modulaire robots worden niet gezien als een robot die de concurrentie zal aangaan met de klassieke robots. De bedoeling is om modules en tools aan te reiken zodat gebruikers zelf een robot kunnen configureren, aangepast aan de eigen noden.

Kost?

Door het aanbieden van enkele basismodules kan een breed gamma aan specifieke oplossingen bekomen worden tegen ongeveer de kost van massaproductie (van de modules). Modulaire robots worden echter meestal niet ontworpen om concurrentieel te zijn qua aankoopprijs. De modules kunnen duurder zijn in aankoop, maar winnen deze meerkost potentieel terug doorheen de levensduur door modulair onderhoud (vervangen van enkel de kapotte modules), of doordat hij in meer toepassingen kan ingezet worden dankzij de herconfigureerbaarheid.

Wat met de performantie?

Ten gevolge van de modulaire bouw is het waarschijnlijk dat de performantie van dergelijke modulaire robots minder is dan van heel specifiek ontworpen robots. De graad van flexibiliteit in configuratie die geboden wordt door de modulariteit zorgt echter voor een trade-off in performantie ten opzichte van mechanische en computationele complexiteit. 

Sommige modulaire robots worden niet gezien als een robot die de concurrentie zal aangaan met de klassieke robots

Manuele herconfiguratie of zelfherconfiguratie?

Nog een stap verder – weliswaar in onderzoeksfase voor verschillende toepassingen en types van modulaire robots – kijkt men ook naar zelfherconfigurerende modulaire robots die hun morfologie tijdens het gebruik zelf aanpassen. Zelfherconfiguratie kan de robuustheid en flexibiliteit van het systeem tot een hoger niveau tillen, doordat het bijvoorbeeld zelf defecte modules gaat vervangen of zichzelf gaat herconfigureren om toch de taak tot een goed einde te brengen. Dergelijke zelfautonomie vraagt uiteraard een vergevorderde vorm van autonoom beslissingen nemen.

Conclusie: alle robots modulaire robots?

Het concept van modulaire robotica lijkt bijzonder aantrekkelijk en interessant op verschillende vlakken. Afhankelijk van de gradatie van de complexiteit waarmee we naar modulaire robotica kijken, kunnen vragen gesteld worden of het zinvol is ten opzichte van een standaard productgamma. Fabrikanten onderling verschillen hier ook sterk van visie. Waar sommigen geloven in de voordelen en toekomst van een modulair (industriële gearticuleerd) robotconcept, houden anderen vast aan een breed gamma aan standaardrobots zonder plannen voor het uitwerken van modulaire robotica.

Vaak is de argumentatie hier dat er een heel groot portfolio aanwezig is van robots van klein tot groot, met meer of minder assen, meer of minder payload en reach, en voor een brede waaier aan toepassingen. Hierdoor is de nood aan een herconfigureerbare of een eenmalig configureerbare customrobot klein. Bijkomend wordt gesteld dat robots bestaande uit loskoppelbare modules moeilijk even nauwkeurig te krijgen zijn als standaardrobots die al jaren doorontwikkeld zijn.

Complexe modulaire robotica, zoals gearticuleerde manipulatoren, zitten in een ontwikkelingsfase. Ze worden gepromoot en getoond op beurzen, maar worden in de praktijk nog heel weinig teruggevonden in de industrie. Dit betekent echter niet dat ze er nooit zullen verschijnen. Het zal wachten zijn tot de markt er klaar voor is, en de toepassingen en de contexten zich ertoe lenen om dergelijke modulaire manipulatoren in te zetten. Waar de modulaire robot zich zal onderscheiden van de standaard off the shelf-robots is de manier waarop ze in de markt gezet worden en welk doelpubliek men ermee gaat aanspreken.