Mobiele assemblagerobot gevaarlijke omgevingen

Nadat een tsunami de kerncentrale van Fukushima in grote problemen bracht, waren het de ‘Fukashima 50’ die met aanzienlijk gevaar voor eigen leven de boel stabiliseerden. Hun verhaal inspireerde studenten van de Lappeenranta University of Technology in Finland zozeer, dat zij op zoek gingen naar een betere oplossing dan het sturen van mensen. Het resultaat is een speciale mobiele robot die zijn omgeving kan voelen en monitoren, daarin kan navigeren en vervolgens reparaties en assemblage- en montagetaken kan uitvoering. Ook als deze omgeving onherbergzaam of ronduit levensgevaarlijk is.

De in 1969 opgerichte Lappeenranta University of Technology (LUT) is een van de belangrijkste technische broedplaatsen in Finland. Het instituut brengt de wetenschap en het bedrijfsleven samen en herbergt een internationale gemeenschap van ongeveer 6000 studenten en expats, die zich bezighouden met wetenschappelijk onderzoek en universitair onderwijs. De IM-groep (Intelligent Machines), een aparte afdeling binnen de LUT, verricht er onderzoek aan en op mechatronische ontwerpen. De groep houdt zich voornamelijk bezig met virtuele technologieën en simulaties en richt zich hierbij op veeleisende industriële robottoepassingen. Dit in samenwerking met belangrijke internationale onderzoeksprojecten en industriële partners. De LUT maakt daarbij gebruik van een lange traditie. Een traditie waarbij studenten optimaal worden opgeleid en begeleid en worden ingezet voor oplossingen voor geavanceerde, nog sterk in ontwikkeling zijnde en industriële sectoren. Dergelijke relatief jonge vakgebieden bieden namelijk veel mogelijkheden om met innovatieve technieken aan de slag te gaan en systemen zowel te ontdekken als uit te testen. Vooral de domeinen waar eindgebruikers ontevreden zijn met de bestaande antwoorden worden door de groep aangepakt.  Voorbeeld van gerealiseerde applicaties zijn virtuele race- en paardrijdsimulatoren waarbij gebruik wordt gemaakt van echte bewegingsterugkoppeling. Dergelijke mechatronische systemen stimuleren de ontwikkeling van innovatieve technieken die ook kunnen worden toegepast binnen de meer conventionele industriële applicaties.

Technische oplossingen voor internationale uitdagingen
Een aardbeving in de Stille Oceaan voor de kust van Japan in 2011 veroorzaakte een krachtige tsunami die een grote ramp tot gevolg had. Het leidde tot grote problemen in de kerncentrale van Fukushima. De tsunami schakelde de noodkrachtcentrale van de koelsystemen van de reactoren uit Dat resulteerde in een drietal nucleaire meltdowns, chemische explosies en het vrijkomen van radioactief materiaal.
Een vijftigtal technisch geschoolde vrijwilligers ging na deze ramp de afgesloten zone rondom de kerncentrale binnen om de reactoren te stabiliseren met als doel een verdere catastrofe te voorkomen. Deze moedige individuen die bekend kwamen te staan als de ‘Fukushima 50’, moesten een aantal eenvoudige reparatiewerkzaamheden uitvoeren, waaronder het sluiten van kleppen. En dit binnen een van de meest stralingsgevaarlijke omgevingen ter wereld. De blootstelling aan de extreem hoge straling kan immers tot zeer ernstige gevolgen hebben op hun lange termijn gezondheid. Het IM-team van de LUT werd door deze gebeurtenis enorm geïnspireerd, evenals vele andere mensen over de hele wereld. De moed van deze Fukushima 50 werd alom bewonderd. Bovendien werd de mening gedeeld dat moderne mechatronische systemen konden voorkomen dat mensen in een dergelijke risicovolle omgeving hun reparatiewerkzaamheden moesten verrichten. Deze opvatting vormde de inspiratiebron voor het ontwerpen en ontwikkelen van de mobiele assemblagerobot.

TIERA introductie
Het resultaat van inspiratie en de uiteindelijke inspanningen is de TIERA. Het betreft een veelzijdige, mobiele robot die reparatie- en montagewerkzaamheden in gevaarlijke omgevingen kan uitvoeren. Tijdens de het ontwerpen van TIERRA zijn veel milieufactoren in ogenschouw genomen, zoals straling, corrosie, giftigheid, explosiegevaar, biologische gevaren, hoogspanningen en extreme temperaturen. Een ander belangrijk ontwerpcriterium was een hoge inzetbaarheid en mobiliteit van het systeem binnen de gevaarlijke omgevingen. Dit in tegenstelling tot de meeste industriële robots die normaal gesproken op een vaste plaats staan gepositioneerd. En ook de bedienbaarheid bleek een niet te onderschatten ontwerpcriterium. Hoe kan een getrainde operator de robot zo goed mogelijk op afstand vanuit een veilige locatie besturen en bedienen? Dat vergt onder andere speciale sensoren, vision, draadloze communicatiemogelijkheden (WiFi en 4G), virtual reality en haptische feedback. Bovendien moest de embedded computer fanless zijn, moest het platform stabiel en wendbaar zijn en moesten er diverse slimme manipulatoren en gereedschappen worden bedacht voor het uitvoeren van de reparaties.

Besturingssysteem
Het besturingssysteem van de complete robot bestond in de startfase van het project uit een Linux gebaseerde distributie van ROS (Robot Operating System) dat op een Advantech industriële computer draaide. Al snel werd duidelijk dat het inzetten van alleen deze industriële computer onvoldoende was om te kunnen voldoen aan de eisen die aan het project waren gesteld. Er werd daarom binnen het team besloten om een CompactRIO van National Instruments als hoofdbesturingssysteem in te zetten, gebaseerd op het NI Linux Real-Time OS dat communiceerde met ROS. Deze nieuwe besturingsarchitectuur bood een super krachtig systeem dat de bestuurbaarheid van de robot aanzienlijk verhoogde in combinatie met een zeer hoge nauwkeurigheid en een zeer lage latency.

Waarom de IM-groep koos voor CompactRIO koos? Het platform beschikt over geïntegreerde software, meerdere hardwaretypen, uitgebreide I/O voor risicoreductie, hoge systeemprestaties en vereenvoudigd het ontwerp van een geavanceerde embedded besturings- en monitoringssysteem. De CompactRIO controllers bieden bovendien het nieuwste voor wat betreft processorkracht. Dit betekent dat geavanceerde regelalgoritmen met deterministische responstijden en een lage vertragingstijd kunnen worden uitgevoerd. Bovendien zorgen de uiteenlopende I/O-modulen voor een meetspecifieke signaalconditionering, ingebouwde isolatie en zeer krachtige A/D-converters waarmee signalen zeer nauwkeuriger gemeten kunnen worden.
Het toepassen van de CompactRIO controller had als bijkomend voordeel dat de noodzaak voor aparte subsystemen als gevolg van het aansluiten van sensoren, displays, camera’s, motoren en databases verviel. Ook kon LabVIEW worden gebruikt om de embedded en FPGA-processoren in de CompactRIO te programmeren. Het programmeren van deze componenten kon zonder problemen door de studenten en hun begeleiders worden gedaan, ondanks hun beperkte kennis van de hardware beschrijvende programmeertalen. Ook konden ze gebruik maken van standaard LabVIEW functies voor het beheer van timing en geheugen en het vereenvoudigen van signaalverwerking, -analyse, -besturing en mathematische routines. Het gebruik maken van de ingebouwde stuurprogramma’s en API’s om de informatie tussen de componenten te verplaatsen, betekende dat het team zich volledig kon richten op het ontwikkelen van de robot zelf. Dit betekende dat men veel minder tijd hoefde te spenderen aan de vraag hoe de data moest worden verzameld en er meer tijd beschikbaar kwam voor het analyseren van de gegevens voor een optimale beschikbaarheid van de kritische onderdelen. Ook waarborgt de uitbreidbare LabVIEW-architectuur dat het systeem eenvoudig kan worden ge(her)configureerd, zelfs na implementatie.

Innovatieve gecentraliseerde robotbesturing
De belangrijkste winst van het centrale besturingssysteem van TIERA is de combinatie van NI Linux Real-Time en de CompactRIO met de flexibiliteit en de eigenschappen van ROS. Hierdoor kon alle communicatie tussen de verschillende onderdelen efficiënt worden ingericht. De communicatie tussen een operator en een robot, tussen de bedieningsorganen van een robot en de randapparatuur en tussen de verschillende software componenten en de processor van de robot. Een lokaal netwerk biedt hierbij de voorziening om de besturingsboodschappen voor het bewegen van de robot middels een centrale computer om te zetten in ROS-berichten. Vervolgens ontvangt de onboard computer de berichten via WiFi en leest de toegezonden boodschappen. Overeenkomstig de instructies wordt het signaal daarna over alle apparaten verspreid via de computer die in de robot is geïnstalleerd.

De directe en de voorwaartse kinematica wordt door het centrale systeem met behulp van ROS berekend. Vervolgens worden de gegenereerde coördinaten voor de besturing worden naar de afzonderlijke controllers van de mechanische eenheden gestuurd. De verschillende robotsecties worden door ROS aangestuurd, waarbij enkele hiervan met behulp van LabVIEW zijn geprogrammeerd. De code van elk onderdeel kan dus worden samengevoegd in één overkoepelend besturingsprogramma dat elk robotonderdeel monitort en bestuurt. Alle controllers zijn op het lokale netwerk aangesloten waardoor ze allemaal onderling kunnen communiceren.

De CompactRIO controller kan in het complete robotsysteem worden geïntegreerd met behulp van de LabVIEW bibliotheek. Dit geeft de mogelijkheid om informatie in componentdelen binnen ROS op te nemen in hetzelfde lokale netwerk. Tufts University ontwikkelde deze bibliotheek die vrij toegankelijk is via het LabVIEW Tools Network. De LabVIEW applicatie draait gelijktijdig op de CompactRIO én op het centrale systeem. De gebruikersinterface vertaalt de informatie afkomstig van de sensoren en dezelfde gegevens kunnen na publicatie op hetzelfde moment door de andere delen van de robot worden ingezet. Een voorbeeld is het feit dat de wielen moeten worden gestopt als de afstand tot het obstakel een ingestelde kritische drempel nadert. De samenwerking tussen ROS en LabVIEW maakt het mogelijk dat uiteenlopende apparaten en controllers die op een netwerk zijn aangesloten deze informatie gelijktijdig kunnen gebruiken.

De toekomst van TIERA
Er worden snelle vorderingen met de TIERA robot gemaakt. Alle robotsystemen zijn individueel getest en volledig operationeel. De eerste volledige systeemtesten zijn gestart en momenteel wordt er nagedacht over aanvullende upgrades. De veelzijdigheid en de mobiliteit van de TIERA en haar CompactRIO controller betekent dat er geen beperkingen zijn voor wat betreft de montage en reparatie in gevaarlijke en risicovolle omgevingen. De robot is overal inzetbaar en kan snel worden hergebruikt voor uiteenlopende industrieën en voor andere gebieden waar menselijke activiteiten zijn gewenst. Denk hierbij aan het transport van medicijnen en voeding in ziekenhuizen, het schoonmaken van luchthavens of industrieterreinen of het lassen en snijden op scheepswerven. Maar natuurlijk ook aan onschadelijk maken van explosieven, mijnverkenning, vulkanisch onderzoek, of onderzoek op Antarctica. En het repareren van een tweede Fukushima Laten we hopen dat dat niet nodig is.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.