Het enorme 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 hoe zit het met modulaire robots? Hoe werken modulaire robots? In welke situaties kun je je onderscheiden van klassieke robots en cobots? En gaan ze dezelfde trend tegemoet?

Wat zijn modulaire robots?

Het concept van een modulaire robot is gebaseerd op hetzelfde principe. Een robot die is opgebouwd uit modules: basiscomponenten die steeds op een andere plaats in het ontwerp van de robot worden geplaatst. 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.

Het modulaire systeem kan worden gebruikt om de reeks specifieke automatiseringsmethoden uit te breiden door middel van aangepaste configuratie. De mate van modulariteit kan worden gebruikt om een breed scala aan specifieke toepassingen en realisaties te creëren. Commercieel gezien kunnen we een breed scala aan opties aanbieden, van modulaire mobiele platforms 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 belangrijke stap in het flexibel samenstellen en testen van de robot is het gebruik van modules waarmee de robot op verschillende manieren kan worden geconfigureerd. Deze modules zijn ook zo ontworpen dat ze in een handbediend systeem kunnen worden gescheiden van de assemblage en bovendien gemakkelijk en flexibel kunnen worden geconfigureerd om te passen bij de assemblage.

Configuraties?

Modules kunnen worden gemaakt in verschillende materialen en maten, en kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt. Dit zijn bijvoorbeeld modules met een actieve functie (bijv. een motoraandrijving), modules voor energiebesparing (bijv. modulaire mobiele robots met een laag batterijverbruik) of modules met een structurele functie (bijv. de verbinding van twee platen met een kabel om een seriële manipulator te maken).

De modules zijn zo ontworpen dat ze kunnen worden gebruikt in een gehandicaptenruimte zonder dat ze uit het frame hoeven te worden gehaald.

Dankzij deze modulariteit, in combinatie met een groot aantal variaties van de modules, kan de gebruiker kiezen uit een breed scala aan configuraties, zoals scararobots, deltarobots, seriële robots (van 1 tot 7 of meer) of multi-armrobots. Technische eisen zoals payload of reach van de robot hangen af van de selectie van de modules.

Mogelijkheden lijken eindeloos. Ook: hoe maak je de configuratie complexer, hoe maak je de kinematica complexer en ook hoe maak je de IPC robuuster om alles onder controle te houden. De keuze en combinatie van modules wordt het best beheerd in de vorm van een grafische gebruikersinterface.

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 zijn de modules de beste manier om ervoor te zorgen dat ze gemakkelijk kunnen worden beheerd, maar niet met mechanische verbindingen of 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.

De softwarecomponent wordt gebruikt om alle benodigde functies te leveren. Ofwel kan via een GUI de robotconfiguratie op eenvoudige manier opgesteld worden, ofwel gebeurt dit volledig automatisch. De modules zijn ook zo ontworpen dat, zelfs wanneer de modules zijn aangesloten, de geautomatiseerde configuratie wordt beheerd via een communicatieprotocol.

De kinematica wordt automatisch ingesteld en er is geen handmatige configuratie in een softwarepakket 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.

Gebruiksvoorwaarden voor afzonderlijke 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 robotmodules(joint) worden geleverd met onbeperkte rotatie (> 360° rotatie), waardoor zowel perslucht als communicatie, stroom en I/O via de connector mogelijk is. Wanneer je een 6-toewijsbare seriële manipulator configureert met deze module, blijven alle pinnen in positie voor onbeperkte rotatie. Dit biedt veel flexibiliteit bij complexe 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 resulteren in een grote winst, vooral wanneer de robot van A naar B beweegt, maar het kan ook resulteren in een grote opening door de controle van de gewrichtshoeken. 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 robotmodule(gewricht) ontworpen is om een eigen motor en aandrijving te hebben, wordt de robotstructuur opgezet met een IPC en een voedingssysteem. Als dit niet het geval is, moet de module die een robotaandrijving heeft ook een aandrijving in de besturingseenheid hebben, die ook moet worden ingesteld.

Het gebruik van modules met een geo-geïntegreerde aandrijving maakt de configuratie veel complexer, maar levert ook grote problemen op door de configuratievereisten: de besturingseenheid mag niet worden gewijzigd terwijl de modules worden geconfigureerd. Bovendien is er een extra servodrive nodig om het systeem te bedienen.

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.

Bovendien biedt het potentieel voor meer flexibiliteit en aanpasbaarheid dan conventionele systemen. Deze robots kunnen gemakkelijk worden aangepast aan de context, de omgeving en de taak, zodat ze zowel nuttig als bruikbaar zijn. De configuratie van het systeem kan zeer flexibel zijn en gemakkelijk worden aangepast aan de individuele componenten, en een robot kan worden gebruikt voor een breed scala aan taken.

Het biedt ook veel flexibiliteit in de context van flexibele automatisering. De huidige markttrend verschuift van serieproductie naar maatwerk op grote schaal. 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 eenvoudigere context evolueren we naar'high-mix low-volume' (HMLV) productie, wat betekent dat we een grote verscheidenheid aan producten in kleine batches kunnen produceren. Niet alleen de programmering kan flexibel zijn, maar ook de lay-out van de productieoperator en de configuratie van de cellen. In andere contexten is 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 groter bereik vereist, kan de bestaande robot eenvoudig omgebouwd worden door het plaatsen van langere tussenmodules.

Wanneer een robot wordt gebruikt voor kleine oppervlakken, kan een grote doorvoercapaciteit worden bereikt met een enkele robot. 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 met de evolutie van de fabrikant en de toepassing.

Modulariteit betekent ook veel flexibiliteit bij de assemblage. Modules kunnen ook in voorraad gehouden worden als reserve. Als een paar modules gedekt zijn, wordt de voorraad in de reserve verminderd. Dit betekent dat de module gemakkelijk en snel kan worden vervangen in geval van een defect. Dit in tegenstelling tot de noodzaak om in te grijpen of de robot terug te sturen naar de fabrikant voor een servicebeurt, wat een vlotte productie garandeert.

Doelpubliek?

De manier waarop de modulaire robot kan worden onderscheiden van de standaard kant-en-klare robots is de manier waarop hij op de markt wordt gebracht. Veel modulaire robots zijn niet zomaar een robot die kan concurreren met basisrobots. Er moeten modules en gereedschappen worden geleverd zodat gebruikers hun eigen robot kunnen configureren volgens hun eigen specificaties.

Kost?

Door het aanbieden van enkele basismodules kan een breed gamma aan specifieke oplossingen 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 gebruikt worden als stand-alone eenheid, maar ze kunnen ook gebruikt worden om maximaal potentieel te halen door het gebruik van de levensduur door modulair onderhoud (als gevolg van de kapotte modules), of omdat ze in meer toepassingen gebruikt kunnen worden dankzij de herconfigureerbaarheid.

Hoe zit het met de prestaties?

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 mate van flexibiliteit in configuratie die modulariteit met zich meebrengt, betekent ook dat er een afweging is in prestaties tussen mechanische en computationele complexiteit.

Sommige modulaire robots zijn minder goed dan een robot die moet concurreren met klassieke robots.

Manuele herconfiguratie of zelfherconfiguratie?

Zelfs in een later stadium - en vooral in een uitbreidingsfase voor veel verschillende soorten modulaire robots - kunnen we ook zien dat modulaire robots die zelfconfigureren verder kunnen gaan dan hun gedrag tijdens het gebruik. 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 is bijzonder aantrekkelijk en interessant op verschillende vlakken. Vanwege de gradatie in complexiteit die we zijn gaan verwachten van modulaire robotica, kan er veel gedaan worden om ervoor te zorgen dat het concept gebaseerd is op een standaard productassortiment. Fabrikanten onderling verschillen hier ook sterk van visie. Waar sommigen geloven in de voordelen en toekomst van een modulair (industrieel gearticuleerd) robotconcept, houden anderen vast aan een breed gamma aan standaardrobots zonder plannen voor het uitwerken van modulaire robotica.

Er is een sterk argument dat een grote portfolio van kleine tot grote robots, met meer of minder gewicht, meer of minder payload en bereik, kan worden gebruikt voor een breed scala aan taken. Hierdoor is de nood aan een herconfigureerbare of een eenmalig configureerbare customrobot klein. Bijkomend wordt gesteld dat robots bestaande uit loskoppelbare modules moeilijk zelfs nauwkeurig te krijgen zijn als standaardrobots die al jaren doorontwikkeld zijn.

Complexe modulaire robotica, zoals gearticuleerde manipulatoren, zitten in een ontwikkelingsfase. Ze zijn ontworpen en gebouwd om te werken, maar in de praktijk worden ze nauwelijks gebruikt in de industrie. Dat betekent echter niet dat ze niet gedwongen moeten worden om te veranderen. Je moet je realiseren dat de markt krimpt en dat nieuwe ontwikkelingen en contexten de deur openen naar nieuwe modulaire manipulatoren. De manier waarop de modulaire robot zich moet onderscheiden van de standaard kant-en-klare robots is de manier waarop hij op de markt wordt gebracht en de manier waarop hij aan het publiek wordt gepresenteerd.

Met medewerking van Beckhoff Automation, Igus en KELO Robotics