Manipulator op maat met slimme aansturing
AWL in Harderwijk is groot geworden door het automatiseren van lasprocessen voor de automobielindustrie. De laatste jaren groeit het bedrijf ook in de logistieke industrie, met automatisering van onder meer het sorteren van pakketten. De grote uitdaging ligt hier in de optimalisatie van het sorteerproces, want elke procent verbetering telt. In een SPRONG-project ontwikkelt AWL daarom samen met Windesheim een manipulator op maat die met een slimme aansturing maximale prestaties weet te behalen.
SPRONG heeft tot doel de onderzoekssamenwerking tussen hogescholen te bevorderen. Het subsidieprogramma van het landelijke Regieorgaan SIA investeert in de infrastructuur voor praktijkgericht onderzoek, met één miljoen euro over een periode van vier jaar voor elke SPRONG-onderzoeksgroep. De Researchgroup for Digital Driven Manufacturing is zo’n groep. Hierin werken de hogescholen Saxion en Windesheim, ondersteund door TechForFuture, samen met een zestal bedrijven als kernpartners. Hun gezamenlijke doel is ondernemingen te helpen bij het aangaan van de digitaliseringsuitdaging; de daarvoor benodigde kennis wordt ontwikkeld binnen lectoraten. Dit zijn Ambient Intelligence en Smart Mechatronics and Robotics van Saxion in Enschede en Digital Business & Society van Windesheim. In Zwolle richten ze op digitalisering in brede zin, van digitaal databeheer tot de inzet van robots voor het optimaliseren van productieprocessen. Dat laatste gebeurt in de programmalijn Industriële Automatisering & Robotica, onder leiding van associate lector Aart Schoonderbeek.
Heel snel, maar niet duur
Een aansprekend SPRONG-project op Windesheim is CIMAC (Custom Industrial Manipulator with an Advanced Controller), vertelt Schoonderbeek. “Wij doen samen met bedrijven uit de maakindustrie veel projecten voor het automatiseren van de assemblage van hun producten en systemen. Daar zetten we vaak cobots voor in, robots die veilig kunnen samenwerken met mensen. Dat lukt goed, maar moet een cobot onderdelen pakken uit verschillende bakjes, dan zit daar een uitdaging. De bewegingen die daarvoor nodig zijn duren lang, veel langer dan dat de mens erover doet. We kunnen er dan een zogeheten binpick-applicatie van maken, met een 3D-camera erboven. Daardoor wordt het nauwkeurig, maar tegelijk nog langzamer. Of we zetten er een tweede cobot bij; dan heb je er één voor het oppakken en één voor het assembleren. Maar dat maakt het weer veel duurder. De vraag in CIMAC is nu of we een manipulator (een soort uitgeklede robot, red.) kunnen ontwikkelen die op maat voor een specifieke toepassing wordt opgebouwd uit standaardcomponenten en dus kostenefficiënt is. Met die manipulator zou je heel snel en effectief onderdelen moeten kunnen binpicken. Vervolgens kun je die dan toevoeren aan een cobot of een traditionele robot.”
Verder kijken
Het begon met een vraag van AWL in Harderwijk, een van de partners van Windesheim in Perron038, het open innovatiecentrum voor de maakindustrie in de regio Zwolle. Bij AWL is innovatieleider Wilbert van de Ridder al jaren betrokken bij het Windesheim-lectoraat, eerst als part-time onderzoeker en nu in een adviserende rol. De aanleiding voor CIMAC komt uit een iets andere tak van sport dan de maakindustrie, licht hij toe. “Wij ontwikkelen van oudsher lasautomatisering voor de automotive. Sinds enkele jaren zijn we ook actief met automatisering voor de logistieke industrie. Daar komen op een lopende band pakketten binnen die door robots moeten worden gesorteerd. We gebruiken daarvoor onze kennis van 6-assige robots voor de lasautomatisering. We waren echter benieuwd of we er nog meer uit konden halen qua prestaties, want in de logistieke industrie is het belangrijk om de processen maximaal te optimaliseren. Daarom wilden we verder kijken dan het beestje dat we al kenden. We doen dat nu samen met Windesheim door in het CIMAC-project een manipulator op maat te ontwikkelen, op basis van een systeem dat gewoon in de markt verkrijgbaar is. Voorwaarde was dat het een open systeem is, met een open interface en een open besturing. Veel systemen zijn zeer gesloten en dan kun je niks zonder de leverancier erbij te betrekken. Wij willen echter zelf toegang hebben tot alle functionaliteit van de manipulator, ook die waar je standaard niet bij kunt. Bij de optimalisatie gaat het namelijk om de laatste paar procent verbetering en daarvoor willen we zelf dingen in de besturing kunnen aanpassen.”
Adaptief regelen voor betere prestaties
Mark Naves is als onderzoeker bij het lectoraat de kartrekker voor het CIMAC-project. Hij diept de uitdaging nog wat verder uit. “De manipulator, of robot, pakt allerlei objecten op die heel erg kunnen verschillen in massa en afmetingen. Maar wat een robot maximaal aan gewicht kan oppakken, hangt heel erg af van de specifieke pose die de robot aanneemt. Als een bepaalde as ver is uitgeschoven, mag de massa minder groot zijn of de robot minder hard versnellen, omdat anders de krachten te groot worden. Dan geldt er bijvoorbeeld een maximaal toegestaan koppel om de belasting op de constructie van de robot binnen de vastgestelde toleranties te houden. Robots kennen daarom meestal standaardinstellingen die van een worst-case scenario uitgaan. Maar dat is suboptimaal, want in andere, gunstigere gevallen kan de robot wel die grotere versnelling of massa aan. Je wilt de robot dus adaptief, afhankelijk van de situatie, kunnen regelen om het onderste uit de kan te halen.” Schoonderbeek: “Bij gesloten systemen is dat niet mogelijk. Daar kun je bij wijze van spreken alleen aangeven dat de robot van A naar B moet bewegen en heb je er geen invloed op hoe die beweging daartussen precies verloopt.” Naves: “Wij werken daarom met open standaard-hardware en gaan de software zelf aanpassen, tweaken, om op de prestaties nog winst te behalen.” Van de Ridder is blij met deze aanpak. “Onze klanten accepteren echt geen houtje-touwtje mechanica, ze zijn bijvoorbeeld heel streng in welke aandrijvingen we bij hen mogen plaatsen. Maar voor eigen ontwikkelingen in de software staan ze wel open.”
Kansrijke algoritmes zoeken
Het onderzoek wordt uitgevoerd door Martin Snijder. Hij is onderzoeker bij het lectoraat en docent aan Windesheim. Voor zijn docentschap volgt hij nu een master Engineering Systems aan hogeschool HAN. Zijn masteropdracht betreft de regeltechniek voor de CIMAC-manipulator. “Die opdracht is mij op het lijf geschreven. Twee dagen in de week werk ik eraan onder de vleugels van Aart en Mark.” Voor de hardware zocht hij een leverancier waarvan de componenten zo open mogelijk waren voor de besturing. Hij kwam uit bij Festo voor de tandriemaangedreven geleidingen, om daarmee een manipulator te bouwen die bestaat uit drie loodrecht op elkaar bewegende assen. Voor de actuatoren en aansturing via een industriële pc viel de keuze op Beckhoff, vanwege het grote dynamische bereik. “We hebben de juiste motor en aansturing gekozen om de specificaties te halen.” Die specificaties luiden 5-5-5: een versnelling van maximaal 5 g en een snelheid tot 5 meter per seconde voor een last van maximaal 5 kilo. “Bij deze combinatie van hardware en besturing kunnen we eenvoudig werken met stroomsturing (de motorstromen van de verschillende assen aansturen om de beweging van de robot te regelen, red.). Dat geeft ons de mogelijkheid om algoritmes voor specifieke regelstrategieën te ontwikkelen.” Naves: “Die fundamentele kennis over welk soort algoritmes je kunt toepassen en hoe je die moet implementeren, is in deze fase van het onderzoek de grootste waarde. We gebruiken industrial-grade hardware, want de kernvraag is welke algoritmes kansrijk zijn en hoeveel we daarmee überhaupt kunnen winnen. De hardware hebben we alleen nodig om te kunnen testen en daarmee een case te bouwen.”
Simuleren en valideren
Om goed te kunnen voorspellen hoe de manipulator zich zal gedragen, welke algoritmes kansrijk zijn en hoeveel winst ze überhaupt opleveren, heeft Snijder een model gemaakt. Daarmee gaat hij de komende tijd simulaties uitvoeren. “Mijn streven is om met het model betere prestaties te halen dan wat met componenten van de plank mogelijk is en die prestaties met de hardware-opstelling te valideren.” Een belangrijke vraag daarbij is hoe de relevante data worden verzameld. Een voorbeeld is de massa van een object dat wordt opgepakt. Snijder: “We hebben in ons systeem geen aparte sensor om die massa te bepalen. Ik onderzoek nu of we daarvoor de motorstroom van de drie assen kunnen gebruiken (immers hoe groter de massa, hoe groter de benodigde motorstromen, red.). Anders moeten we er misschien een sensor bijplaatsen.” Schoonderbeek: “Dat lijkt eenvoudig, maar is toch best complex. Want wat geeft zo’n sensor aan: alleen het gewicht of ook de versnelling omdat je dynamische krachten gaat meten. Daar moeten we dan naar kijken.”
Van elkaar leren
Rond de zomervakantie moet de opstelling helemaal draaien, in Perron038, waarna in een vervolgstap de regeling nog adaptiever zal worden gemaakt om het maximale eruit te halen. Naves: “We hebben dan een platform om mee te testen en experimenteren. De praktijk leert dat er dan weer nieuwe vragen, uitdagingen en kansen naar voren komen.” Uiteindelijk krijgt AWL zo een nieuwe 
manipulator beschikbaar. Van de Ridder: “We hebben al verschillende manipulatoren die anders zijn dan de gebruikelijke. Deze nieuwe kan weer een antwoord bieden op bepaalde vragen. Als er zo’n vraag komt, kunnen we snel tot toepassing overgaan.” De opbrengst van het project is voor AWL echter nog groter. “Wij ontwikkelen op dit moment zelf ook een lineaire manipulator, voor de kwaliteitsinspectie. Dat is een heel andere toepassing, maar er zit wel overlap in de uitdagingen. Daarom wisselen wij onze ervaringen uit met de onderzoekers van Windesheim en kunnen we van elkaar leren.”
Drempels verlagen
De samenwerking in het CIMAC-project bevalt beide partijen prima, maar ze zien die vooral als onderdeel van de langdurige relatie waar ze waarde aan hechten. Van de Ridder: “Wij proberen bij onderwijs en lectoraat van Windesheim altijd meer betrokken te zijn dan alleen in de rol van bedrijf dat onderzoek wil doen. Collega’s van mij zijn bijvoorbeeld part-time bij het lectoraat betrokken in de rol van onderzoeker of student-ondersteuner. Als op die manier onderwijs en bedrijfsleven zijn verweven, verlaagt dat een hoop drempels. We merken in de praktijk dat dit veel prettiger samenwerkt dan alleen in losse onderzoeksprojecten.” Ook technisch-inhoudelijk verlaagt de samenwerking drempels. “Als systeemintegrator werken wij normaal op niveau TRL 7-9 (technology readiness level, red.). Dit soort samenwerking biedt ons de mogelijkheid om in TRL 4-6 te grasduinen. Daar kunnen we mogelijk nieuwe ontwikkelrichtingen uithalen waar we anders gewoon niet op kunnen inzetten, ook al hebben we 20 tot 30 mensen in R&D. In die lagere TRL’s voer je tien projecten uit en dan mag je blij zijn dat er één commercieel slaagt; voor ons als bedrijf alleen is dat niet duurzaam. Maar voor de concurrentiepositie van de Nederlandse maakindustrie in bredere zin is het toch zinvol, omdat je in lectoraten zoals van Windesheim gezamenlijk domeinkennis opbouwt. Die kennis blijft beschikbaar voor ons en voor de andere partners. Daar zit voor ons de grote waarde van dit soort onderzoek vergeleken met spullen gewoon bij een leverancier bestellen en dan hopen dat je er ook wat kennis bij krijgt geleverd.”
Continuïteit en kritische massa
Het onderzoek helpt bedrijven om hun horizon te verleggen, beaamt Schoonderbeek. “Een bedrijf weet misschien wel waar het naartoe wil, maar heeft er vaak de tijd niet voor om daar onderzoek naar te doen. Of het wordt te ingewikkeld, of kent te veel risico als het op het randje zit van dat het wel of niet iets kan worden. Op dat punt ligt de kracht van SPRONG en van het lectoraat in het algemeen. Maar het moet wel praktijkgericht onderzoek blijven, er moet iets komen te staan dat werkt. Met z’n looptijd van vier jaar (mogelijk te verlengen tot acht jaar, red.) geeft SPRONG continuïteit en kritische massa aan het onderzoek in het lectoraat. Daardoor hoeven wij niet van subsidie naar subsidie te rennen. Onze groep telt nu al zeven onderzoekers. De komende jaren is digital-drive manufacturing voor ons een soort richtingwijzer.”
Het succes van SPRONG is volgens Schoonderbeek mede te danken aan TechForFuture (TFF) en z’n directeur Alexander Jansen. “In de initiatieffase speelde hij een belangrijke rol in het bijeenbrengen van de partners en het opstellen van een aanvraag. Mede dankzij dit project met z’n lange looptijd kunnen we aanhaken bij andere platformen. Denk aan de NXT GEN Capacity Booster (van het grote Nationaal Groeifonds programma NXTGEN HIGHTECH, red.). Maar ook aan RAAK-MKB projecten rondom Integraal Robotiseren en de landelijke lectorenplatformen voor Applied Robotics & AI en Sustainable Smart Industry. TFF heeft ons geholpen om dit allemaal van de grond te krijgen.”
