Vuistregels voor energie-efficiënte robotprogrammatie Inleiding Energie-efficiëntie is zelden de primaire zorg bij het programmeren van een robot. Hoewel er in onderzoek reeds methodes werden ontwikkeld om automatisch energie-efficiënte trajecten te genereren, worden deze technieken in de industrie zelden toegepast. De noodzakelijke know-how ontbreekt typisch, zeker bij KMO's die beperkte ervaring hebben met robotica. Er zijn echter een aantal eenvoudige vuistregels die het verbruik van de robot reeds aanzienlijk kunnen beperken. Door deze in het achterhoofd te houden tijdens het programmeren kan er met weinig moeite toch een merkbare energiebesparing gerealiseerd worden.
Snelheid De snelheid van de beweging kan een grote invloed hebben op het energieverbruik. Er kan tot 75% energie bespaard worden op specifieke bewegingen enkel en alleen door de uitvoersnelheid te wijzigen. Indien de robot niet de kritische component (bottleneck) is binnen de (productie)lijn, loont het de moeite om de snelheid te optimaliseren naar energieverbruik. Grafiek 1 geeft het energieverbruik in functie van de snelheidsparameter weer. Deze snelheidsparameter geeft de gevraagde lineaire snelheid van het Tool Center Point (TCP) langsheen het uitgevoerde traject weer in mm/s. Bij hogere snelheden kan het voorkomen dat de gevraagde snelheid niet wordt gehaald. Het energieverbruik zal in dit geval niet meer stijgen waardoor de grafiek aan de rechter kant zal afvlakken. Het energieverbruik hangt immers af van de effectief behaalde snelheid, niet van de gevraagde snelheid. Indien de snelheid te laag wordt, zal het energieverbruik toenemen omdat de motoren dan langer bekrachtigd worden: zelfs bij stilstand is er energie nodig zodat de motoren de zwaartekracht kunnen compenseren. Bovendien verbruiken de remmen van elke motor stroom zolang deze niet geactiveerd zijn. Er is een gebied tussen de v50 en v2000 waar het energieverbruik slechts beperkt stijgt voor een toenemende snelheid. Buiten dit gebied zal het energieverbruik echter zeer snel toenemen.
Energieverbruik (J)
8000 6000 4000 2000 0 v20 v5
v200 v50
v600 v400
v1000 v3000 v800 v2000 v4000
Snelheid
Grafiek 1: Het energieverbruik in functie van de gevraagde snelheid van het TCP
Energieverbruik (J)
In Grafiek 2 wordt het energieverbruik weergegeven, maar nu in functie van de cyclustijd. Ook hier is te zien dat zowel een te lage als een te hoge cyclustijd voor een toename in energieverbruik zal zorgen.
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0
200
400
600
800
1000
1200
Cyclustijd (%)
Grafiek 2: Het energieverbruik in functie van de cyclustijd Matig waar mogelijk de snelheid, zonder te traag te gaan. Vuistregel 1: Bewegingstype
Bewegingstype Het type van de beweging heeft ook invloed op het energieverbruik. De twee meest gebruikte bewegingstypes zijn joint en linear. Bij een lineaire beweging, verplaatst het TCP zich langs een rechte lijn. Het mag hierbij roteren, maar de positie dient binnen de tolerantie op deze lijn te blijven. Een joint beweging daarentegen geeft de robot de vrijheid om zelf een traject te kiezen tussen twee targets in de ruimte. Het gegenereerde traject is afhankelijk van het robottype en de fabrikant. Een joint beweging kan tot 15% energie besparen ten opzichte van een lineaire beweging omdat er geen lineair traject aangehouden moet worden. Dit is vooral van belang bij hoekige trajecten: joint bewegingen laten de robot toe om bochten af te snijden en op cirkelbanen te bewegen. Opmerking: Indien er onder de maximumsnelheid van de assen gebleven wordt, zal een lineaire beweging het snelste zijn omdat het kortste pad wordt afgelegd aan de gevraagde snelheid. Wordt er
echter in een stuk van het traject de maximumsnelheid van één of meerdere assen bereikt, dan zullen de andere assen vertragen om het lineaire traject aan te houden, en zal de totale snelheid dus verlagen. In dat geval zal een joint beweging het snelste zijn. Kies waar mogelijk joint-bewegingen. Vuistregel 2: Bewegingstype
Nauwkeurigheid De nauwkeurigheid bepaalt hoe ver de robot mag afwijken van het gevraagde traject of van de gevraagde doelpunten. Er kan tot 40% energie bespaard worden indien er wordt toegestaan dat de robot het traject niet exact volgt. Uiteraard is dit effect het grootste voor grillige paden waar de robot veel hoeken kan afsnijden. Een grotere afwijking toestaan zal het verbruik doen dalen, ten koste van de nauwkeurigheid. Zoals in Grafiek 3 echter opgemerkt kan worden zal de extra winst bij het verder vergroten van de afwijking steeds kleiner worden naar gelang de afwijking zelf groter wordt. Het loont met andere woorden zelden de moeite om de nauwkeurigheidszone zeer groot te kiezen.
Energieverbruik (J)
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
50
100
150
200
250
zone (mm)
Grafiek 3: Energieverbruik in functie van de toegelaten afwijking van het traject Beperk de nauwkeurigheid van de beweging waar deze minder belangrijk is. Vuistregel 3: Nauwkeurigheid
Werkgebied Het gebied waar de robot werkt biedt vaak ruimte om aan energie-efficiëntie te winnen. Rond de home-positie1 van de robot werkt de robot het efficiëntste. In de uiterste grenzen van het werkbereik gebruikt de robot het meeste energie. Er kan tot 50% energie bespaard worden door het werkgebied verstandig te kiezen. Dit heeft het maximale effect door reeds bij de opbouw van de cel rekening te 1
De home-positie wordt hier gedefinieerd als het punt in de ruimte op een vaste hoogte boven de voet van de robot en op een vaste afstand van het middelpunt van deze voet waar alle assen – buiten as 1 – op 0° staan. Het gaar hier met andere woorden niet om een concreet punt, maar om een cirkel rond de as 1 van de robot. Elk punt op deze cirkel is een mogelijke home-positie zoals bepaald in deze tekst.
houden met het werkbereik. De home-positie van de robot staat meestal redelijk hoog in zijn werkbereik. Daarom gaat Grafiek 4 niet verder dan 200mm boven de home-positie. Onder de home-positie is er echter wel veel ruimte in het werkbereik. Er valt te zien dat het verbruik redelijk constant blijft rond de home-positie. Hoe verder onder de home-positie hoe sneller het verbruik zal stijgen.
Energieverbruik (J)
2500 2000 1500 1000 500 0 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200
0
200
Hoogte (mm)
Grafiek 4: Energieverbruik in functie van de hoogte ten opzichte van de home-positie In de radiale richting ten opzichte van as 1 van de robot zal het verbruik geleidelijk toenemen naarmate men dichter bij de robot gaat werken. Indien men verder dan de home-positie werkt zal het verbruik sterk toenemen zoals te zien is in Grafiek 5.
3000
Energieverbruik (J)
2500 2000 1500 1000 500 0 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200
0
200
400
600
Positie (mm)
Grafiek 5: Energieverbruik in functie van de horizontale positie. De afstanden zijn in radiale richting van de robot. 0 ligt op de home-positie van de robot. Een positieve afstand geven posities verder weg van de robot weer. Omdat de positie van as 1 geen invloed heeft op het verbruik, vormen de zones van gelijk verbruik een soort torus rond de robot. In Figuur 1 wordt een benadering van de doorsnede van deze torus weergegeven. De verschillende rechthoeken geven de zones weer hoeveel extra energieverbruik er is ten opzichte van een beweging in de buurt van de home-positie. Merk op dat het beter is om dichter bij de robot te werken dan verder weg, ten opzichte van de home-positie. Analoog is de zone onder deze positie efficiënter dan degene erboven.
Figuur 1: Zones van energieverbruik rond de robot Probeer de beweging in de buurt van de home-positie te plaatsen. Vermijd bewegingen die in de buurt van de grenzen van het bereik komen. Vuistregel 4: Werkgebied
Assen Uiteraard heeft een grotere rotatie van eender welke as een groter verbruik tot gevolg. De eerdere assen (1 en 2) bij een seriële robot moeten echter bijna de hele robot en de last verplaatsen. Ze zullen met andere woorden de zwaarste lasten moeten verplaatsen. Hoewel de eigenlijke positie van as 1 geen invloed heeft op het verbruik, zal de beweging van deze as wel een impact hebben. Indien mogelijk wordt het verplaatsen van deze assen dus best beperkt. Dit gaat vooral op bij bewegingen in een beperkt gebied in de ruimte. Voor langere trajecten zijn de eerdere assen essentieel. Probeer grote rotaties van eerdere assen (1 en 2) te beperken. Vuistregel 5: Werkgebied
Configuratie Sommige configuraties van de robot zullen een grote rotatie van één of meerdere assen veroorzaken om slechts een kleine beweging van het TCP te bewerkstelligen. Vaak kan er via een andere configuratie wel een beweging van het TCP bekomen met een kleinere beweging van de assen. In dit geval zal het energieverbruik voor die beweging ook een stuk lager liggen. Merk op dat wijzigingen in één specifieke configuratie bij een zekere stap in de taak, invloed zullen hebben op zowel de voorgaande als de volgende configuraties.
Vermijd inefficiënte configuraties. Vuistregel 6: Configuratie
Afgelegde weg Uiteraard is het verbruik van de robot afhankelijk van het traject dat wordt afgelegd. Lange trajecten zullen meer verbruiken dan korte trajecten. Beperk daarom waar mogelijk de afstand die de robot moet afleggen. Dit kan typisch worden gerealiseerd door overbodige tussenpunten in het programma te verwijderen en de robot meer vrijheid te geven om zelf een traject te bepalen. Beperk de afstand die de robot moet afleggen. Vuistregel 7: Afgelegde weg
