Řešení pro bezpečné, efektivní a vysoce čisté automatizační aplikace

2ndSCIN® je ochranné krytí pro roboty a další komponenty automatizace určené pro použití v čistých místnostech. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / 2ndSCIN® je ochranné krytí pro roboty a další komponenty automatizace určené pro použití v čistých místnostech. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Se svými zkušebními značkami již Fraunhofer IPA otestoval a certifikoval po celém světě více než 2 500 produktů a materiálů z hlediska jejich čistoty a vhodnosti do čistých prostor. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Demonstrátor pro softwarový rámec společnosti »retavi« (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / S novým softwarovým rámcem „retavi“ mohou společnosti automatizovat své stroje, systémy a procesy nezávisle na hardwaru. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

CARA zjednodušuje proces posuzování rizik pro kolaborativní roboty prostřednictvím inteligentní, poloautomatizované podpory uživatele. (© Fraunhofer IPA) / CARA zjednodušuje proces posuzování rizik pro kolaborativní roboty prostřednictvím inteligentní, poloautomatizované podpory uživatele. © Fraunhofer IPA

Na automatickém zkušebním zařízení pro kolize jsou coboti jednorázově měřeni a vzniká tak model kolize, který lze využít při návrhu bezpečnosti. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Coboti jsou měřeni jednou na automatickém zkušebním zařízení pro kolize, což vytváří model kolize, který lze použít pro bezpečnostní návrh. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Na letošní odborné výstavě Automatica představuje Fraunhoferův institut pro výrobu a automatizaci IPA řadu řešení, která – také díky umělé inteligenci (AI) – výrazně zjednodušují a urychlují plánování, programování a učení robotů. K vidění od 24. do 27. června 2025 v hale A4 na stánku 314.

Ať už v výrobní hale, v čisté místnosti nebo v laboratoři: všude se nyní používají roboti a další komponenty automatizace, které především podporují opakující se, fyzicky namáhavé nebo nebezpečné činnosti. Ale než jsou instalováni, naprogramováni a nastaveni, uběhne často ještě hodně času. Velkým cílem je proto „Automatizace automatizace“. To znamená, že nastavování a uvedení do provozu s vhodnými nástroji probíhá mnohem automatizovaněji než dříve, což šetří čas a náklady.

Fraunhofer IPA představí od 24. do 27. června 2025 na Automatica v Mnichově celou řadu řešení, která – také s využitím AI technologií – výrazně zjednodušují a urychlují plánování, programování a učení robotů tím, že tyto procesy (částečně) automatizují.

Softwareový rámec pro všechny stroje a zařízení

Vědci kolem Davida Breuniga z výzkumného týmu IT-architektury pro výrobu na Fraunhofer IPA vyvinuli softwareový rámec, který umožňuje firmám automatizovat celou svou výrobu. Programovatelné řídicí jednotky (PLC), které dosud řídily provoz strojů a zařízení a jsou ve velkém množství instalovány ve fabrikách, mohou být tímto systémem nahrazeny. „Kdo dnes koupí PLC od zavedeného výrobce, je závislý na jeho hardwaru, vývojovém prostředí a programovacím jazyce,“ říká Breunig, „a to chceme s naším softwareovým rámcem změnit.“

Pro ukázku, jak tento softwarově definovaný systém funguje, postavili Breunig a jeho tým demonstrační model, který ukazuje funkčnost a využití rámce. Návštěvníci mohou na Automaticě na obrazovce poznat jednotlivé moduly softwarového rámce a sami založit nebo optimalizovat automatizační projekt.

Společně s kolegyní a kolegy plánuje Breunig, že se s tímto softwareovým rámcem osamostatní. Jejich startup, retavi GmbH, oficiálně zahájí provoz na konci roku.

Flexibilní použití inteligentních mobilních manipulátorů

Humanoidní roboti v současnosti získávají velkou pozornost v médiích a na Automaticě budou hrát také velkou roli. Podle studie Fraunhofer IPA v rámci centra AI pokroku „Lernende Systeme und Kognitive Robotik“ mají však mnohé firmy jen malý zájem na tom, aby roboti uměli chodit jako člověk. Místo toho odborníci v průzkumu vidí největší potenciál v tom, že humanoidní objekty budou schopny podobně flexibilně uchopovat jako člověk. A právě zde navazuje aktuální vývoj Fraunhofer IPA. Kvůli mnoha volným stupňům robotické ruky není efektivní programovat robota pro každý úkon podrobně. Proto Fraunhofer IPA zkoumá přístupy k rychlému a intuitivnímu učení složitých pohybů uchopení a manipulace.

Úchopové pohyby lze například naučit v simulaci a pomocí hlubokého posilovaného učení (Deep Reinforcement Learning). Hlavním cílem je nejen řízení robotických rukou, ale především intuitivní instruování a učení nových aplikací pro plně flexibilní robotické systémy – včetně mobilních víceúčelových platforem s více pažemi a uchopovači. Používají se moderní metody jako imitativní učení (Imitation Learning) a takzvané základní modely (Foundation-Models). Tyto metody využívají přirozené jazykové instrukce, teleoperované provedení a lidské demonstrace k efektivnímu předávání schopností robotům.

Demonstrační model na stánku poskytne praktický pohled na vybrané aspekty technologie a ukáže, jak lze hlavní myšlenky současného výzkumu převést do praxe. Navíc je zde příležitost dozvědět se více o výzvách současných metod imitativního učení a základních modelů, stejně jako o tom, jak může hybridní přístup cíleně zaplnit mezery kombinací osvědčených, parametrizovatelných robotických schopností s metodami založenými na učení.

Flexibilní laboratořská robotika pro manipulaci a dávkování kapalin

Přetrvávající nedostatek kvalifikovaných pracovníků se nevyhýbá ani laboratořím a zdravotnickým zařízením. Přítomný personál tráví velkou část svého pracovního dne monotónními rutinními úkoly, které zpomalují vysoce hodnotné, přidanou hodnotu přinášející činnosti. Proto je v tomto prostředí velká poptávka po automatizačních řešeních. Standardní „off-the-shelf“ systém je však často nevhodný, protože úkoly a manipulované objekty jsou rozmanité. Fraunhofer IPA proto vyvíjí přizpůsobitelný softwarový kit pro autonomní laboratořské roboty, který umožní efektivní automatizaci takových rutinních prací. Například by roboti mohli shromažďovat procesně důležité spotřební materiály, samostatně dávkovat chemikálie nebo vzorky, „just in time“ získávat citlivé vzorky z chladicích nebo ohřívacích skříní nebo v budoucnu zcela samostatně provádět experimenty. K tomu musí robot zvládat úkoly jako lokalizace a uchopení různých nádob, přesné vážení různých kapalin a pevných látek, otevírání skříní a dveří a autonomní navigaci.

Na Automaticě Fraunhofer IPA představí aktuální stav vývoje na demonstračním modelu, který automaticky dávkuje kapaliny různých viskozit a rozděluje je do definovaných cílových nádob.

Bezpečná částečná kolaborace člověk-robot

Moderní automatizační řešení by měla být vzhledem k malým sériím co nejvíce flexibilní. To však také znamená, že bezpečnostní opatření je třeba průběžně upravovat. Základem jsou zde posouzení rizik a označení CE – dva procesy, které jsou v současnosti stále velmi zdlouhavé a vyžadují mnoho odborných znalostí. Fraunhofer IPA proto vyvinul nástroje jak pro plánovací, tak pro provozní fázi, které usnadňují a urychlují bezpečnostní posouzení.

Výstavní exponát „CARA“ je nástroj pro plánovací fázi, který výrazně podporuje bezpečnostní posouzení. Pomocí 3D simulace pomáhá odborníkům naplánovat a realizovat všechny potřebné bezpečnostní opatření již před uvedením zařízení do provozu ve šesti krocích. CARA zohledňuje parametry jako potenciální nebezpečí, bezpečnostní odstupy a možnou interakci mezi člověkem a strojem. Automaticky identifikuje kolizní a zachycovací nebezpečí. Následně navrhuje opatření ke snížení rizik.

V plánovací fázi pomáhají také kolizní modely, které jsou odvozeny z automatizovaného testovacího zařízení vyvinutého Fraunhofer IPA. Ty řeší problém, že maximální povolené síly a tlaky při kolizích omezují rychlosti a taktovací časy robota a tím snižují výkon zařízení. Síly, které se při provozu vyskytují, jsou však obtížně matematicky vypočitatelné. Jakmile jsou modely vytvořeny, umožňují přesně odhadnout výkon již ve fázi plánování. CARA se na tyto modely může odvolávat.

Intuitivní programování robotů pomocí nového uživatelského rozhraní

Programování robotů je stále často složitým procesem, pokud jde o efektivní nastavení nebo přeprogramování aplikace. Jak lze snížit nutné odborné znalosti a jak programovat roboty časově efektivně i při vysoké variabilitě, ukazuje nové uživatelské rozhraní na příkladu simulované aplikace demontáže na výstavě. Toto rozhraní umožňuje sestavit jednotlivé dovednosti, tedy schopnosti robotů, do kompletní úlohy. K tomu slouží stavební bloky dovedností z softwaru „pitasc“ od Fraunhofer IPA, které lze bez znalosti programování sestavit a kombinovat podle potřeby.

Automatizace v prostředí s vysokou čistotou: 2ndSCIN® a Tested Device®

2ndSCIN® je patentovaná ochranná obálka, která připravuje roboty a další pohyblivé komponenty automatizace pro ultračisté výrobní prostředí. Obálka je vyrobena z průsvitného, pohyblivého a vícevrstvého textilu, který napodobuje lidskou kůži. Textilní vrstva je vybavena senzory, které průběžně měří parametry jako koncentraci částic, chemickou kontaminaci, tlak nebo vlhkost. Algoritmy založené na AI vyhodnocují tyto data a umožňují například prediktivní údržbu. V závislosti na použití mohou být vrstvy textilu nad sebou, oddělené distančními prvky.

Mezi vrstvami lze například odsávat nebo přivádět vzduch. Tak lze odstranit částice pocházející z okolí nebo z automatizačního zařízení. Dávkování speciálních plynů do meziprostorů systému umožňuje například sterilizaci. Obálka se dá vyměnit přibližně za hodinu a po dekontaminaci je možné ji znovu použít. „2ndSCIN® je extrémně variabilní ve stavbě, takže můžeme realizovat individuální požadavky. Tak řešíme mnoho požadavků na čisté ochranné obálky pro komponenty v čistých prostorách, které dosavadní produkty nesplňují,“ vysvětluje Udo Gommel, vedoucí oddělení kritické výroby znečištění na Fraunhofer IPA. On a jeho tým představí 2ndSCIN® na Automaticě.

Fraunhofer IPA již řadu let nabízí také metody měření emisí částic, outgassing, ESD a dalších požadavků. U testovaných produktů je uděleno označení Tested Device®, o němž se mohou návštěvníci na stánku dozvědět. Firmy obdrží s produktem a zákaznicky specifickým testovacím protokolem potvrzení o čistotě a vhodnosti pro čisté prostory jejich zařízení, přístroje nebo spotřebního materiálu. Vyšetření zahrnují výrobní prostředí jako atmosférické čisté místnosti, suché čisté místnosti a podmínky vakua.