Föreläsning EDA021: Robotar och realtid – från forskning till småföretag Baserat på docentföreläsning dec 2005: R e s u r s m e d v e t e n R o b o t i.

En presentation över ämnet: "Föreläsning EDA021: Robotar och realtid – från forskning till småföretag Baserat på docentföreläsning dec 2005: R e s u r s m e d v e t e n R o b o t i."— Presentationens avskrift:

1 Föreläsning EDA021: Robotar och realtid – från forskning till småföretag Baserat på docentföreläsning dec 2005: R e s u r s m e d v e t e n R o b o t i k Klas.Nilsson@cs.lth.se

2 2 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag2 Översikt Begrepp Problem Forskning Framsteg Perspektiv Strategi Tid Princip Teknik

3 3 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag3 Effektivt resursutnyttjande  Vi har alla en känsla för att effektiv användning av resurser är viktigt.  Hantering av resursbegränsningar helt avgörande inom produktutveckling (mobiltelefoner etc.) och tillämpad forskning (inbyggda system etc.) Ytterligare frågeställningar:  Resurspekter för omgivande system, från styrsystem och maskin till global nivå,  Hållbarhet (teknik, tillväxt, välstånd)?  Har robottekniken någon speciell/strategisk roll?

4 4 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag4 Resurser Resurstyper • Naturresurser • Mänskliga resurser • Tekniska resurser Semiresurser • Ekonomiska • Personal • Försvars • Etc. Globalt kritiska resurser • Energi • Vatten • Råvaror Resursdefinitioner:  Tillgänglig källa för stöd eller välstånd, som kan förbrukas vid behov [Princeton]  Allting som har identitet [wikipedia-cs].  Allt som är naturligt förekommande och till nytta för människan [geografhic.org].  Personer, utrustning eller material som behövs för att utföra en uppgift [Georgetown].  Allt som används eller konsumeras vid utförandet av en function [Linux].  Entitet som en organism använder eller konsumerar under dess livstid [estuaries.gov].  Substans eller plats som en organism behöver för sin tillväxt, underhåll eller reproduktion [EU]

5 5 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag5 Tekniska resurser: inbyggda system Resurser inbyggda system • Processortid • Minne • Kommunikation • Enhetsfysiska (energi,..) • Utvecklingsstid Tekniska resurser för hantering av råvaruresurser: Robotar... Begränsade och kopplade, nyttja optimalt för bästa möjliga produktegenskaper och vinst Cost: • Production • Market opportunity Interface: • Interoperability • Openness • Usability • Client satisfaction Adaptation: • Portability • Modifiability • Evolvability • Expandability • Flexibility • Configurability • Reusability • Scalability Performance: • Performance (Speed) • Timeliness (Deadlines) • Determinism • Security • Robustness • Reliability • Availability • Safety Design: • Feasibility • Maintainability • Understandability • Correctness • Simplicity • Integrability • Testability&Debugging

6 6 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag6 Robotar Robotdefinitioner  Programmerbar mekanisk manipulator med minst fyra frihetsgrader. [ASEA klassisk]  Uppgiftsoberoende mekanisk enhet med minst tre frihetsgrader som utför en uppgift enligt givna i enheten ej inbyggda instruktioner vilka kan vara kommandon, program eller beskrivning av önskat resultat. Alternativt kan en robot utföra direkt motorik om operatörens snabbhet/styka/precition/närvaro förbättras på ett för tillämpningen avgörande sätt. [Klas 2005]

7 7 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag7 • Överlevnad kräver naturresurser: – Mat/odling, Vatten, hälsa, skydd/säkerhet, samhörighet • Välstånd/arbete dessutom – Materialtillgång – Produktion/tillverkning (Annat arbete grundas på dessa.) • Tillverkningssystem (eng: manufacturing) innebär teknik för transformering av resurser till produkter som uppfyller kund- markandskrav. • Därför, välstånd kräver god produktionsteknik. • Hållbart välstånd även god återvinningsteknik! Produktion och tillverkningssystem Prestanda/flexibilitet för lönsamhet/produktivitet:

8 8 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag8 Prestanda och händighet: snabba och korrekta rörelser Återkoppling från arbetsresultat till rörelser:  Prestanda kräver lågnivåreglering (direkt gensvar)  Tillämpbarhet kräver högnivååterkoppling (via användar-abstraktioner) Traditionella ansatser:  Akademiskt: Fult öppet generellt styrsystem; Komplicerat för enkla tillämpningar och svårt att säkerställa grundfuntionalitet för industriellt bruk.  Industriellt: Inkapslade tekniskt optimerade styrfunktionerer; för kända tillämpningskrav. Modularitet utformad för positionsreglering, endast specifikt stöd för återkoppling från yttre sensorer. Framtida sensorbaserad styrning har krävt förändringar vertikalt (på alla nivåer i styrsystemet, i många funktioner, bland multi-MLOC).  Teknikgap (10-20 år) mellan akademi och industri; stor kompetens men olika verkligheter. LTH-ansatsen:  Kaskadkopplade realtidsprogramvaror: snabba reflex + medveten korrigering!  Nära samverkan mellen forskning LTH och systemutveckling ABB: Integrerad lösning!  Långsiktigt arbete med riktig implementering: Prototyp med produktiseringsmöjligheter! Implementering i tidigare projekt:

9 9 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag9 AUTOmatic deFETTling; gjutgodsrensning

10 10 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag10 EURON TechTransfer Award 05: Open platform for skilled motions in productive robotics Work Robot Language Master Control Motor control Trajectory generation Arm control Arm Application …… Task description ABB controller Cell controller RPL/XML Path sync 250Hz <1ms5Hz F/T-sens. 8kHz ← kernel space ← VxWorks Linux Windows (any OS) user space

11 11 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag11 Role of Academia Torgny Brogårdh, Company Senior Specialist, ABB Robotics: ”Of course, robot manufacturer can develop advanced force control functionality using state of the art concepts by themselves. However, it is very difficult for a market driven industrial organization to mix short term product development with long term R&D targeting the research frontier. Thus, ABB points out that they had never been able to develop the innovative and high performance force control concepts for a wide range of applications without the long term R&D collaboration with the University of Lund. Moreover, even when the functionality is a product in the IRC5 controller, the open platform will be very important for ABB for the future development of new algorithms and new applications. Examples of such algorithms and applications are force controlled robot teaching, residual-based robot safety concept, force controlled metal sheet deformation and bending, robot elasticity compensation and automatic process model identification.”

12 12 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag12 Prototyper och produkter • Stubslipning och avgradning – Unik prototyp hos slutkund – Fortsatt forskning och produktutveckling pågår • Montering: produkt – Montering av koppling/moment- omvandlare i produktion [@Ford] – Implementerad i ABB:s nylanserade robotstyrsystem IRC5 • Gemensam platform för forskning och applikationsutveckling, hos – ABB Robotics (internt) – Lund University (och senare @ikp.liu.se, @isa.upv.es) – Avancerade systemintegratorer

13 13 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag13 Idag (för stora företag): Bra men komplicerade robotsystem. Prestanda/ produktivitet baserat på system- modeller och sensor-motor återkoppling. Imorgon: Enklare och billigare teknik för dagens små företag (i Europa, annars Kina): Behöver Duktig robot för små och medelstora företag! Vår produktion nära vår marknad, av resursskäl! Duktiga robotar för tillverkningsystem Nystartat projekt; SMErobot:

14 14 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag14 Duktig robot En duktig robot skall: • Förstå uppgiften – Enkelt – Flexibelt • Utföra uppgiften – Noggrant – Snabbt • Vara resurseffektiv – Elektromekaniskt – Tillverkningskostnad – Energi – Driftsättning/installation Hur skall robottekniken anpassas till småföretagen?

15 15 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag15 Hög prestanda som för 6-leds parallell robot Stort arbetsområde och god flexibilitet som för traditionell seriell robot. Ny robotprincip [ABB]

16 16 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag16 Parallell-Kinematisk Manipulator (PKM) Begränsningar: Traditionellt, för varje frihetsgrad/led adderas: • Ledvekhet • Ledonoggrannhet • Masströghet och kostnad för driv-system (⅓ av total kostnad) Ny PKM-struktur • Verktygsorientering?

17 17 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag17 PKM av Gantry-typ Klassisk Gantry traversliknande PKM-princip 3 av 6 möjliga DOF LTH lab ABB-prototype

18 18 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag18 Pespektiv Simulering av PKM av Gantry-typ Sidovy Topvy Takmonterad:

19 19 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag19 CAD- Modell Uppmätta punkter på arbetsstycket Ytscanning med roboten: Automatisk anpassning Surface curvature classification Surface boundary classification CAD data driven feature extraction Least squares fitting to CAD model Work object coordinate system calculation Local robot kinematic error calculation Helautomatiskt! Operatören behöver inte känna Till något om CAD-modellen. Automatisk Kalibrering & Generering av robotprogram Kraft- reglering Intuitiv uppgiftsbeskrivning Styrsystem

20 20 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag20 Installation:  Lätt att flytta  Intuitiv kalibrering Instruktion:  Enkel ”lead through”  Intuitivt med CAD data  Intuitiv redigering  Intuitiv uppgiftsdefinition Produktion:  Enkel finjustering  Intuitiv felhantering  Kan användas som assistent Duktig & lätt robot i litet företag # Ny mekatronik skapar nya möjligheter!!

21 21 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag21 SMErobot Fyraårikt EU-projekt, med LTH som huvudsaklig akademisk partner, tillsammans med Europas robotföretag. Video.......... DVD: Coffee Break Se www.smerobot.org för online-version samt vidare info. Ytterligare bilder kring vision och koppling till resurshantering.................

22 22 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag22 “The robot capable of understanding human-like instructions ” Here the plan is to collaborate among others with Anoto, a highly innovative SME that has been 65 patent applications filed in Europe, and 110 worldwide. In the USA, where the patent process in faster, the following patents have so far been granted: US6502756, US6570104, US6666376, US6663008, US6674427, US6689966, US6586688, US6548768, US6719470, US6667695, US6732927, and US6698660. SMErobot 1: Billig mekatronik via konsumentelektronik By novel adaptation of computer/consumer electronics for low-cost robot interaction, we claim it is possible to create a robot capable of understanding human-like instructions. Devices of interest include ordinary computer peripherals to be made robust and integrated in new ways, but also the use of completely new devices that until now have never been thought of in a robotics context. One example, considering current SME manufacturing practices, is the use of so called digital paper and a position/orientation/force- sensing pen as a pointing device. : SMErobot inriktning 1

23 23 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag23 “The safe and productive human-aware space-sharing robot” By the use of non-symmetric parallel structures enabling intrinsically safe robots that are stiff (accurate) and have low-weight (fast, safe), in combination with (traditional and new light-weight) serial manipulators, it will for the first time be possible to realize the safe and productive human- aware space-sharing robot. Safe but slow and/or inaccurate robots exist, as well as robots that are productive for large and medium enterprises, but the development of safe and productive (i.e., fast and accurate) robots is a central radically innovative concept based on the use of parallel kinematics. As for any parallel kinematics robot the drive systems are all centrally located (not in the links as now is the case), enabling lower cost and higher accuracy/stiffness. Additionally, in combination with low-weight serial links depending on application needs, the novel kinematical structure enables a large work space, inherent safety, and new ways to calibrate and interact within the SME workplace. The list of granted and exploitable patents includes: WO9830366, WO9914018, WO0206017, WO0234480, WO9830367, WO9958301, WO0222320, WO02058895 SMErobot 2: Ny mekatronisk robotprincip : SMErobot inriktning 2

24 24 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag24 “The three-day-deployable integrated robot system” By developing novel mechanisms for predictable real-time interconnections of devices, and European-wide integration with the ability to establish new world-wide standards for modular components, the three-day-deployable integrated robot system comes within reach. The novelty here is the combination and integration of principles, followed by standardization for maximum impact. Cell-control systems with easily pluggable components are needed for rapid verification and configuration of work-cell setup, with support for simulation and program generation..... Proper cell configuration will be a matter of a few minutes instead of several hours. SMErobot 3: Pluggbar mekatronik; Inbyggd programvara? : SMErobot inriktning 3

25 25 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag25 Den ljusnande robotframtiden  Våra resurser försumbara, men påverkansmöjligheterna stora! Egna bidrag 2003-2005: • Visionen för Datavetenskap; Resource-aware computing • Produktiva robotar – för effektivt resursutnyttjande. • Huvudaktör i EUs nu största robotsatsning SMErobot, produktion nära marknad. • Referensgrupp inför EU:s FP7 • IEEE Robotics&Automation Society (RAS) next vision: • IEEE RAS IAB initiative on Sustainable Manufacturing... ☼ The vision of the IEEE Robotics and Automation Society is to be the leading organizer of technical and scientific activities that lead to human-assisting robots and automation that provide services for global prosperity and quality of life. Reglerteknisk tolkning av VINNOVA-resurser: Resurser&Robotar→Välstånd...

26 26 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag26 Slut, tack, frågor? • Tack för uppmärksamheten • Tack till alla medarbetare inom LTH och ABB • Min fråga: Hur relaterar resursmedveten robotik till ditt teknikområde? • Era frågor? www.robot.lth.se www.lucas.lth.se Vidare information kommer på:

27 27 Resursmedveten Robotik 2006-10-25Robotar och realtid - från forskning till småföretag27 Postludium: Sammanfattning Resurmedveten Robotik Hantering av resursbegränsningar är av avgörande betydelse inom såväl produktutveckling som tillämpad forskning. I ett produktnära perspektiv har vi exempelvis de tekniska resurserna för s.k. inbyggda system, som kan sägas bestå av processortid, minne, kommunikation, enhetsfysiska resurser (såsom utrymme och energi) samt ingenjörstid. Resursernas åtgång och begränsning är ofta kopplade till varandra, och med mera resurser kan enhetens egenskaper såsom prestanda förbättras. För elektromekaniska system blir oftast de fysiska begränsningaran avgörande för vad som går att uppnå. Inom mekatronik integreras inbyggda system och elektromekanik, och med en optimerad konstruktion kan exempelvis en resurseffektiv (snabb men billig) robot skapas. Om en sådan robot göres lättanvänd och produktiv för varierande typer av företag och tillämpningar så skapas nya möjligheter för tillverkningssystem, som i sin tur utför transformering av just resurser till produkter. Kopplat till globalt begränsade materiella resurser och behovet av en hållbar tillväxt som kräver fysiskt arbete för såväl produktion som återvinning, så visar detta på behovet av robotik med flexibla anpassningar mot "hållbara" tillverkningssystem. En sådan ansats skulle kunna kallas resursmedveten robotik, som då grundar sig på användarvänlighet och unika mekatroniska lösningar. Ett förverkligande kräver god strategi i kombination med tillämpningsbara framsteg inom reglerteknik och programvaruteknik.