Översikt

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 kKlas.Nilsson@cs.lth.se

2. Översikt PerspektivStrategi BegreppProblem Princip ForskningFramsteg Teknik Tid Robotar och realtid - från forskning till småföretag

3. 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? Robotar och realtid - från forskning till småföretag

4. 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] Resurser Robotar och realtid - från forskning till småföretag

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

6. 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] Robotar Robotar och realtid - från forskning till småföretag

7. Produktion och tillverkningssystem • 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 förtransformering av resurser till produkter som uppfyller kund- markandskrav. • Därför, välstånd kräver god produktionsteknik. • Hållbart välstånd även god återvinningsteknik! Prestanda/flexibilitet förlönsamhet/produktivitet: Robotar och realtid - från forskning till småföretag

8. 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: Robotar och realtid - från forskning till småföretag

9. AUTOmatic deFETTling; gjutgodsrensning Robotar och realtid - från forskning till småföretag

10. EURON TechTransfer Award 05: Open platformfor skilled motions in productive robotics Application …… Work MasterControl Task description ABB controller VxWorks RobotLanguage Trajectory generation Arm control Motor control Arm 250Hz 5Hz <1ms Cell controller RPL/XML Pathsync Linux F/T-sens.8kHz Windows(any OS) userspace ← kernel space ← Robotar och realtid - från forskning till småföretag

11. 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.” Robotar och realtid - från forskning till småföretag

12. 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 Robotar och realtid - från forskning till småföretag

13. Duktiga robotar för tillverkningsystem 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! Nystartat projekt; SMErobot: Robotar och realtid - från forskning till småföretag

14. 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? Robotar och realtid - från forskning till småföretag

15. Ny robotprincip [ABB] Hög prestanda som för 6-leds parallell robot Stort arbetsområde ochgod flexibilitet som förtraditionell seriell robot. Robotar och realtid - från forskning till småföretag

16. 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? Robotar och realtid - från forskning till småföretag

17. PKM av Gantry-typ PKM-princip3 av 6 möjliga DOF LTH labABB-prototype Klassisk Gantrytraversliknande Robotar och realtid - från forskning till småföretag

18. Simulering avPKM av Gantry-typ Takmonterad: Sidovy Topvy Pespektiv Robotar och realtid - från forskning till småföretag

19. 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 Intuitiv uppgiftsbeskrivning Ytscanning med roboten: CAD- Modell Uppmätta punkter på arbetsstycket Automatiskanpassning Kraft- reglering Styrsystem Automatisk Kalibrering & Generering av robotprogram Helautomatiskt! Operatören behöver inte känna Till något om CAD-modellen. Robotar och realtid - från forskning till småföretag

20. Duktig & lätt robot i litet företag • 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 # Ny mekatronik skapar nya möjligheter!! Robotar och realtid - från forskning till småföretag

21. 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................. Robotar och realtid - från forskning till småföretag

22. : SMErobot inriktning 1 “The robot capable of understandinghuman-like instructions” 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 newdevices that until now have never been thoughtof in a robotics context. One example, considering current SMEmanufacturing practices, is the use of so called digital paper and a position/orientation/force-sensing pen as a pointing device. 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 Robotar och realtid - från forskning till småföretag

23. : SMErobot inriktning 2 “The safe and productive human-awarespace-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 Robotar och realtid - från forskning till småföretag

24. : SMErobot inriktning 3 “The three-day-deployableintegrated 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? Robotar och realtid - från forskning till småföretag

25. Våra resurser försumbara, men påverkansmöjligheterna stora! Egna bidrag 2003-2005: Visionen för Datavetenskap; Resource-aware computing Produktiva robotar – föreffektivt 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: Den ljusnande robotframtiden Resurser&Robotar→Välstånd... Robotar och realtid - från forskning till småföretag

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

27. Postludium: SammanfattningResurmedveten 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. Robotar och realtid - från forskning till småföretag