Desarrollo de soluciones con Capacidades de Computación Autónoma en el ámbito de la Robótica Colaborativa

Abstract

[ES] Contexto y Problemática A mitad de la década del 2000 aparece una nueva familia de robots, los robots colaborativos o cobots, que pretenden dar un paso adelante en el ámbito de la automatización industrial. Se unen a los robots industriales ya existentes, y aportan algunas mejoras con el objetivo de conseguir una mayor tasa de aplicación industrial de soluciones robotizadas. Una de estas mejoras está relacionada con el aspecto de seguridad a la hora de co-existir con operarios humanos, potenciando el trabajo colaborativo con humanos.

Otro aspecto que introducían estos cobots era que, gracias a su tamaño más reducido, podían ser utilizados en un mayor abanico de tareas. Debido a que su 'huella' (espacio requerido, restricciones de seguridad, etc.) en un proceso productivo es mucho menor, lo convierten en una herramienta más interesante y versátil para un gran número de trabajos de automatización.

Pero hoy en día todavía existen restriciones técnicas, operativas y de seguridad para el uso de robots en procesos de producción industrial, sobretodo para escenarios colaborativos Humano-Robot. Desarrollar una solución de asistencia robotizada supone además otro tipo de costes relacionados con la parte del 'software' de control (programación de las tareas robotizadas, comunicación con otros sistemas, adaptación específica a los procesos productivos, etc.). Esto a su vez supone un riesgo en cuanto a la viabilidad de este tipo de soluciones, ya que la producción en una fábrica es algo cambiante en el tiempo y en los requisitos.

Hoy en día, el desarrollo de soluciones robotizadas, desde una perspectiva del software, suele requerir implementaciones muy específicas, muy fijas. Es la manera de poder testear y garantizar los requisitos operacionales, y de seguridad impuestos. Pero todo esto va en detrimento de la flexibilidad y adaptabilidad que se podría ofrecer con este tipo de entornos, de cara a soportar requisitos cambiantes en los sistemas de producción industrial.

Objetivos En este trabajo pretendemos explorar la posibilidad de cambiar el foco a la hora de construir soluciones robotizadas para poder definir procesos robotizados no tan fijos, más parametrizables y dinámicos, con mejores capacidades de adaptación, con el objetivo de no requerir una reimplementación continuada de las tareas robotizadas.

El objetivo principal es plantear cómo podría ser un entorno de ejecución robótico basado en el concepto de componentes modulares y reutilizables, con tareas que puedan diseñarse en tiempo de ingeniería y que puedan componerse en tiempo de ejecución. Para ello, nos basaremos en la idea preliminar de definir 'tareas adaptativas' (o adaptive ready), como una tarea que se diseña pensando en que se podrá 'componer y configurar' en tiempo de ejecución en coordinación con otras tareas, para dar soporte a procesos de producción.

Intentaremos evaluar con este trabajo hasta qué punto es viable técnicamente definir estos procesos robotizados de manera más modular, y habilitando su composición en última instancia, en tiempo de ejecución. Sin embargo, somos conscientes de la dificultad técnica, estratégica y los riesgos a nivel de cumplimiento de normativas existentes en la actualidad, que harían inviable este trabajo. Aún así, se pretende avanzar en este camino, con un enfoque claro en la composicionalidad dinámica (en tiempo de ejecución) que nos otorga la computación autónoma.

Estrategia de Solución y Validación

Para llevar a cabo el trabajo, primero analizaremos los lenguajes para la descripción de tareas robotizadas más habituales en el ámbito de la programación robótica. Propondremos una pequeña extensión para poder definir parametrización a las mismas, y dinamicidad en la relación entre tareas y subtareas. Definiremos un modelo de tareas que se base en este nuevo conepto de tarea adaptativa, que incluirá estas extensiones, y que será clave para desarrollar la solucion.

En este trabajo utilizaremos los bucles de control, utilizando la

[EN] Context and Problematic

In the mid-2000s, a new family of robots emerged: collaborative robots or cobots, which aimed to advance industrial automation. These cobots joined the existing in dustrial robots, bringing several improvements with the goal of achieving a higher industrial adoption rate for robotic solutions. One of these improvements relates to safety when coexisting with human operators, enhancing collaborative work with hu mans.

Another feature introduced by these cobots is their smaller size, allowing them to be used in a broader range of tasks. Since their "footprint"(required space, safety restric tions, etc.) in a production process is much smaller, they become a more interesting and versatile tool for a wide range of automation tasks.

However, there are still technical, operational, and safety restrictions today when it comes to using robots in industrial production processes, especially in collaborative human-robot scenarios. Developing a robotic assistance solution also involves addi tional costs related to the control software (programming of robotized tasks, commu nication with other systems, specific adaptation to production processes, etc.). This, in turn, presents a risk regarding the viability of such solutions, as production in a factory changes over time and with varying requirements.

Currently, developing robotic solutions from a software perspective typically requires highly specific, fixed implementations. This is the way to test and ensure operational and safety requirements. However, this comes at the expense of flexibility and adap tability that such environments could offer in supporting changing requirements in industrial production systems.

Objectives

In this work, we aim to explore the possibility of shifting the focus when building robotic solutions to define less fixed, more parameterizable and dynamic processes, with better adaptation capabilities, in order to avoid the continuous reimplementation of robotic tasks.

The main objective is to propose how a robotic execution environment could be based on the concept of modular and reusable components, with tasks that can be designed during the engineering phase and composed at runtime. To do this, we will build on the preliminary idea of defining adaptive-ready tasks, as a task designed with the possibility of being composed and configured at runtime in coordination with other tasks to support production processes.

With this work, we will attempt to evaluate how technically feasible it is to define these robotized processes in a more modular way and enable their composition, ulti mately, at runtime. However, we are aware of the technical, strategic difficulties, and risks in terms of compliance with current regulations, which could make this work unfeasible. Nonetheless, we intend to move forward along this path, with a clear focus on dynamic compositionality (at runtime) enabled by autonomous computing.

Solution Strategy and Validation

To carry out the work, we will first analyze the most commonly used languages for describing robotized tasks in robotic programming. We will propose a small extension to allow parametrization and dynamism in the relationship between tasks and sub tasks. We will define a task model based on this new concept of adaptive-ready tasks, which will include these extensions and will be key to developing the solution.

In this work, we will use control loops, employing the FADA MAPE-K proposal (Ta tami/PROS group, VRAIN Institute). This proposal offers a conceptual framework for analyzing and describing solutions with autonomous computing capabilities and pro vides an implementation framework for deploying self-adaptive solutions.

To exemplify and validate the work, we will develop a functional prototype that can be deployed in a simulated robotic environment. In this case study, we will exemplify how these collaborative tasks between robots could be carried out