Taktgeber v digitální éře výroby

Autonomně se pohybující mobilní roboti jsou klíčovým prvkem pro flexibilní výrobu a logistické aplikace. (© Fraunhofer IPA/Universita Stuttgart IFF Obrázek: Rainer Bez) / Autonomně se pohybující mobilní roboti jsou klíčovým prvkem pro flexibilní výrobu a logistické aplikace. (© Fraunhofer IPA/University of Stuttgart IFF Obrázek: Rainer Bez)

S softwarem pitasc lze montážní aplikace, jako je zacvaknutí nebo zasunutí dílů, ekonomicky efektivně automatizovat. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / S softwarem pitasc lze montážní aplikace, jako je zacvaknutí nebo zasunutí dílů, ekonomicky efektivně automatizovat. (© Fraunhofer IPA/Obrázek: Rainer Bez)

Nově patentovaný ochranný kryt 2ndSCIN® činí jakékoli pohybující se automatizační součásti vhodné do čistého prostředí. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Nedávno patentovaný ochranný kryt 2ndSCIN® zajišťuje čistotní kompatibilitu jakékoli pohybující se automatizační komponenty. (© Fraunhofer IPA/Obrázek: Rainer Bez)

CAPE® je stanově podobný čistý prostorový systém, který nabízí nákladově efektivní, rychlé a flexibilní prostředí čistého prostoru. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / CAPE® je stanově podobný systém čistého prostoru, který poskytuje nákladově efektivní, rychlé a flexibilní prostředí čistého prostoru. (© Fraunhofer IPA/Obrázek: Rainer Bez)

Různé metody vyvinuté Fraunhofer IPA pomáhají vysvětlit procesy strojového učení, jako je zde zobrazená neuronová síť, a pochopit, jak fungují. (© Fraunhofer IPA) / Various methods developed by Fraunhofer IPA help to explain machine learning processes, such as the neural network shown here, and to understand how they work. (© Fraunhofer IPA)

Pomocí senzorových dat a jejich vyhodnocení lze automaticky odhalit neefektivity nebo ztráty v výrobních linkách. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / S pomocí senzorových dat a následné analýzy lze automaticky odhalit neefektivity nebo ztráty ve výrobních linkách. (© Fraunhofer IPA/Obrázek: Rainer Bez)

Stuttgart Exo-Jacket aktivně podporuje horní část těla při manuální manipulaci a zejména při zvedání a činnostech nad hlavou. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / The Stuttgart Exo-Jacket actively supports the upper body during manual handling tasks, in particular during lifting and overhead activities. (© Fraunhofer IPA/Image: Rainer Bez)

V rámci iniciativy »Kognitivní robotika« jsou například technologie strojového učení dále rozvíjeny pro aplikace sběru do krabice. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Within the framework of the »Cognitive Robotics« initiative, for example, technologies for machine learning are being further developed for bin picking applications. (© Fraunhofer IPA/Image: Rainer Bez)

Autonomní, inteligentní, čistící: od mobilních a samoučících se robotů přes nejmodernější technologie čistých prostor, postupy vysvětlitelnosti strojového učení, softwarové nástroje pro výrobu až po Stuttgart Exo-Jacket – Fraunhofer IPA představuje na veletrhu Automatica v prosinci množství aplikací a služeb pro automatizovanou výrobu. První náhled již nabízí Virtual IPA Preview 18. června 2020.

»Nové nápady pro automatizaci zítřka« slibuje veletrh Automatica, hlavní veletrh pro inteligentní automatizaci a robotiku. I Fraunhofer IPA ze Stuttgartu si toto motto vzal za své a bude – vedle mnoha dalších míst – na ploše 240 metrů čtverečních ukazovat, co je již dnes možné a kam směřuje budoucnost na shopfloorech.

Kooperativní a síťová navigační řešení

Na zvýšené výstavní ploše jezdí kompaktní mobilní »rob@work«-roboti. Navigují autonomně, jsou propojeni mezi sebou a ukazují zmenšený logistický scénář. Díky kontinuálnímu SLAM algoritmu se roboti mohou spolehlivě lokalizovat i v měnícím se prostředí, aniž by bylo nutné dodatečné infrastruktury. Navíc si vyměňují data ze svých vlastních nebo stacionárních senzorů instalovaných v prostředí. Tak má každý robot vždy aktuální mapu, podle které si může upravit svou trasu a lokalizovat se. To zabraňuje zbytečným cestám, zácpám a zastavením.

„S tímto kooperativním navigačním řešením ukazujeme, jak například bezobslužné dopravní systémy umožňují matrixovou výrobu,“ vysvětluje Kai Pfeiffer, vedoucí skupiny Servisní robotiky pro průmysl a obchod na Fraunhofer IPA. „Můžeme také rozšířit exponát o virtuální roboty a pomocí rozšířené reality vizualizovat dráhy a další informace,“ doplňuje. To zjednodušuje a urychluje uvedení do provozu, údržbu nebo rozšíření flotily. Požadovanou agilitu moderních logistických procesů již software několikrát úspěšně ukázal v průmyslových aplikacích.

Automatická montáž a autonomní uchopování

Mnoho firem se zabývá otázkou, do jaké míry je možné jejich montážní úkoly automatizovat. Již řadu let nabízí Fraunhofer IPA analýzu automatizačního potenciálu (APA) pro tuto otázku. Dosud byla APA závislá na znalostech odborníka na automatizaci. Nová aplikace však tento přístup zpřístupňuje jednodušeji. Navádí uživatele k analýze vlastních montážních procesů, vyhodnocuje jeho odpovědi a informuje o možnostech automatizace. „S naší aplikací se může každý stát expertem na hodnocení montážních procesů,“ vysvětluje Alexander Neb, vědecký pracovník na Fraunhofer IPA, který aplikaci spoluvytvořil. Lze ji získat na základě jednoduché licenční smlouvy pro testovací použití.

Dalším softwarem pro automatizaci montáže je NeuroCAD. Pomocí strojového učení analyzuje vlastnosti dílů a odhaduje, do jaké míry je díl vhodný pro automatizaci montáže. Uživatelé mohou zdarma nahrát své STEP soubory na www.neurocad.de a během několika sekund zjistit, jak snadno nebo obtížně je díl oddělit. Dále hodnotí úchopové plochy a zarovnatelnost dílu. Navíc neuronová síť uvádí pravděpodobnost, že je její výsledek správný.

Na závěr ukazuje systémový modul pitasc, jak lze manuálně prováděné procesy efektivně automatizovat pomocí programování silově řízených montážních procesů. „Dosud bylo nutné pro každou aplikaci téměř znovu naprogramovat robotický systém. S naším softwarem je možné rychle přenést jednou modelované úkoly na nové varianty produktů, produkty a dokonce i na roboty jiných výrobců,“ říká Frank Nägele, vedoucí skupiny Robotické programování a řízení na Fraunhofer IPA. Software je strukturován podobně jako stavebnice: obsahuje mnoho hotových a znovu použitelných programových bloků, které lze při nastavování robotického systému individuálně sestavit. pitasc je připraven k použití v pilotních projektech, které vědci rádi realizují společně s firmami.

Nejen montáž, ale i manipulace s objekty je někdy stále výzvou pro automatizaci. Exponát »AI Picking« ukazuje, jak strojové učení a simulace výrazně zlepšují autonomii a výkonnost manipulace.

Vědci to předvádějí na příkladu robota, který zvedá objekty z nejasné polohy v krabici. Objektová lokalizační metoda založená na umělé inteligenci (AI) poskytuje robustní a přesné odhady polohy objektů během několika milisekund. „Nové objekty se dají rychle a jednoduše naučit na základě CAD modelu,“ vysvětluje vedoucí projektu Felix Spenrath. „Software navíc dokáže detekovat a řešit zaseknutí a zvládá i manipulaci s balicím materiálem.“ Robot byl již důkladně trénován v simulaci a toto znalosti přenesl do reálné aplikace. Uchopovací pozice jsou na základě těchto znalostí automaticky generovány a hodnoceny.

Kontaminace bezkontaminovanou výrobou s ochrannou obálkou a čistícím stanem

Není jen poptávka po autonomnější, ale i po ultraclean výrobě. „Čisté výrobní prostředí umožňují high-tech budoucnosti,“ říká Udo Gommel, vedoucí oddělení Reinst- a mikroprodukce na Fraunhofer IPA. „Klíčové technologie zítřka jsou pouze s technikou čistoty. Je to rozhodující: od výroby baterií po biotechnologie.“

Ochranná obálka 2ndSCIN®: Nedávno patentovaná technologie 2ndSCIN® činí dynamické komponenty automatizace, například robota pro ultraclean výrobu, připravené k použití. Obálka je vyrobena z průsvitného, pohyblivého a vícevrstvého textilu, který napodobuje lidskou kůži. Podle aplikace mohou být vrstvy nad sebou, dvě nebo více. Vrstvy jsou odděleny distančními prvky. V každém prostoru může být například nasáváno nebo odváděno vzduch. Tak lze odstranit částice pocházející z okolí nebo z automatizační komponenty. Přívod plynů do meziprostorů umožňuje sterilizaci systému. Navíc lze obálku vyměnit za asi hodinu a po dekontaminaci ji lze znovu použít. Textilní vrstvy jsou vybaveny senzory, které nepřetržitě měří parametry jako množství částic, tlak nebo vlhkost. V budoucnu budou tyto data vyhodnocována pomocí AI algoritmů, například pro prediktivní údržbu. „2ndSCIN® je extrémně variabilní ve své konstrukci, takže můžeme realizovat individuální potřeby,“ říká Gommel. „Tím řešíme mnoho požadavků na ochranné obálky pro komponenty v čistých prostorách, které dosavadní produkty nesplňovaly.“

Mobilní čistý prostor CAPE®: Vědci z Fraunhofer IPA také vyvinuli mobilní, stanem podobný systém čistého prostoru, který lze postavit za méně než hodinu jak uvnitř, tak venku. S tímto »Čistým prostorem na vyžádání« získávají výrobci mobilní, kontaminace- free výrobní prostředí, které umožňuje čistotu vzduchu podle ISO tříd 1 až 9. To je zvlášť atraktivní pro výrobce, kteří musí vyrábět bez kontaminace, ale nepotřebují stálé sterilní a čisté prostředí. CAPE® je vhodný například pro výrobu čipů, zdravotnické technologie, potravinářský průmysl nebo montáž satelitů. Také automobilový průmysl těží z tohoto stanového systému, například při výrobě bateriových článků nebo palivových článků. „CAPE® lze použít i v krizových oblastech, například k zajištění čistého a sterilního prostředí, pokud není na místě operační sál,“ říká Gommel.

Zařízení Testované zařízení Fraunhofer®: Již mnoho let nabízí Fraunhofer IPA metody měření částicových emisí a označuje ověřené objekty certifikátem »Tested Device®«. Tento postup je demonstrován na zmíněném systému CAPE® pomocí optického počítadla částic a zkušebního objektu. Firmy obdrží na základě specifického testovacího protokolu potvrzení o čistotě a vhodnosti jejich zařízení, přístrojů nebo spotřebního materiálu pro čisté prostory.

Vysvětlování strojového učení a předávání dat

Ve výrobě i v řadě dalších oblastí výroby a služeb se stále častěji používají metody strojového učení a umělé neuronové sítě. V závislosti na aplikaci je stále důležitější vědět, jak přesně fungují a proč dosahují určitého výsledku. Musí být vysvětlitelné. To je kvůli jejich složitosti zatím často nemožné. „Čím výkonnější neuronová síť, tím je složitější ji pochopit,“ říká Prof. Marco Huber, vedoucí centra Cyber Cognitive Intelligence (CCI) a oddělení obrazové a signálové zpracování na Fraunhofer IPA.

Na veletrhu Automatica představí Fraunhofer IPA pod heslem »Explainable AI« (xAI) metody, které vizualizují rozhodnutí neuronových sítí a činí je pro uživatele transparentní a srozumitelná. „Tato vysvětlitelnost posiluje akceptaci AI, buduje důvěru, zlepšuje správnou funkčnost a zajišťuje právní jistotu,“ vysvětluje Huber.

V každé výrobě se shromažďují data, ale kvůli různým formátům a rozhraním je často nelze využít a analyzovat. Software »StationConnector« přesně zde přichází ke slovu tím, že nabízí jednotné rozhraní přes všechny zařízení. Umožňuje jednoduše a podle potřeby přenášet data mezi průmyslovými protokoly, řídicími systémy a libovolnými IT systémy. „S naším softwarem mohou uživatelé rychle generovat a realizovat datově založené obchodní modely,“ říká Marcus Defranceski, vedoucí skupiny systémů automatizace specifických pro čistotu. Exponát na stánku ukazuje, jak je software snadno použitelný a flexibilní a jak jej lze využít pro různé aplikace, například AI nebo monitoring.

Zefektivnění výroby a odlehčení pracovníkům

Jak lze automaticky odhalit ztráty ve výrobě a určit jejich příčiny, ukazuje demonstrační model pro autonomní optimalizaci výroby. Tento model představuje automatizovaný model výrobní linky. Je sledována jak řízením, tak externími senzory, například světelnými závorami nebo kamerami. Všechny zdroje dat jsou využívány k vytvoření chování linky. To umožňuje její kontinuální online analýzu, zaznamenání normálního chování a na jeho základě identifikaci výrobních ztrát. „Chceme zvýšit efektivitu celé linky a zpřehlednit klíčové procesní parametry,“ říká Julian Maier, vědec na Fraunhofer IPA a spoluvytvářecí demonstrátoru.

Flexibilní lidská práce ve výrobě je i přes mnoho možností automatizace stále nenahraditelná, a je třeba ji co nejvíce chránit. Exoskelety, tedy robotické systémy přímo nositelné na těle, poskytují sílu při namáhavých činnostech a odlehčují člověka. Na Fraunhofer IPA je k dispozici Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), exoskelet pro výzkum a vývoj. SEJ aktivně podporuje horní končetiny při zvedání a práci nad hlavou. Současný systém na stánku, Stuttgart Exo-Jacket 2, je zaměřen především na použití v logistice, kde pracovníci ručně manipulují s předměty jako pneumatiky, krabice nebo kufry ve výšce mezi koleny a rameny před tělem.

„Hlavní myšlenkou systému je, že uživatelé mohou stále dobře pohybovat svými rukama a plně využívat své manipulační schopnosti,“ popisuje Christophe Maufroy, vedoucí skupiny Fyzických asistenčních systémů a chytrých senzorů na Fraunhofer IPA, zvláštnost SEJ. Dále se exponát zaměřuje na měřitelné ergonomické analýzy a optimalizace pracovních míst.

Seznámení a využití iniciativy AI

Poslední, ale neméně důležité, informuje stánek Fraunhofer IPA také o iniciativě v oblasti umělé inteligence. Exponáty »pitasc« a »AI Picking« jsou součástí iniciativy »Kognitivní robotika«, kterou podporuje spolková země Bádensko-Württembersko. Cílem je dále rozvíjet inovativní robotické technologie a uvádět do praxe schopnosti jako vnímání, učení, předvídání a přizpůsobování. Kognitivní robotika tak nabízí řešení, která umožňují překonat výzvy budoucí výroby – vyvolané společenskými megatrendy. Díky zapojení průmyslových partnerů je vytvářená síť a zajištěn přenos technologií.