Virtuální svět dobývá výrobu

Z dat, která shromažďují mobilní roboti a senzory při cloudové navigaci, je možné v reálném čase simulovat tok materiálů – tak realisticky jako nikdy předtím. (Zdroj: Univerzita Stuttgart IFF/Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez) / From the data gathered by the cloud navigation from the mobile robots and sensors, material flows can be simulated in realtime – more realistically than ever before. (Photo: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Pomocí strojového učení je uchopení do krabice stále více zdokonalováno. V rámci výzkumného projektu „DeepGrasping“ vzniká virtuální vzdělávací prostředí pro roboty. (Zdroj: Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez)

Software drag&bot poskytuje hotové programové bloky, které lze rychle a intuitivně sestavit pomocí grafického uživatelského rozhraní do složitých robotických aplikací. (Zdroj: Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez) / Software drag&bot dodává kompletní programové moduly, které lze rychle a intuitivně sestavit pomocí grafického uživatelského rozhraní pro vytvoření složitých robotických aplikací. (Fotografie: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Díky znovupoužitelné softwarové infrastruktuře usnadňuje operační systém „Robot Operating System“ (ROS) tvorbu softwaru pro průmyslové roboty, kteří vykonávají složité úkoly. (Zdroj: Fraunhofer IPA) / Díky opakovaně použitelnému softwarovému rámci – operačnímu systému „Robot Operating System“ (ROS) – je nyní mnohem jednodušší sestavit software pro průmyslové roboty vykonávající složité úkoly. (Fotografie: Fraunhofer IPA)

Systémy autonomní přepravy musí podjíždět pod náklady, aby je mohly zvednout. Měly by být tedy co nejvíce ploché. Nově konstruovaný omnidirekční pohonný modul proto disponuje velmi malým prostorovým nárokem nad kolem. (Zdroj: Fraunhofer IPA) / Automatizované řízené vozíky se musí umístit pod náklady, aby je mohly zvednout. Proto musí být co nejvíce ploché. Konstrukce nového omnidirekčního pohonného modulu nad koly je proto velmi štíhlá. (Fotografie: Fraunhofer IPA)

Na loktech a ramena odborníci integrovali pohonné moduly, které podporují pohyby s vysokým točivým momentem. (Zdroj: Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez) / Odborníci integrovili pohonné moduly na loktech a ramenou, aby podpořili pohyby s vysokým točivým momentem. (Fotografie: Fraunhofer IPA)

- Zaznamenávat data v reálném čase v »Smart Factory«
- Účelně využívat rozšířenou realitu pro plánování procesů
- Využívat umělou inteligenci pro programování robotů
- Nabízet koncepty pro ergonomickou práci v výrobním prostředí

Už při poslední Automaticě před dvěma lety označil ředitel institutu IPA Prof. Thomas Bauernhansl Industrie 4.0 za vývojový proces, který probíhá neuvěřitelně rychle. Je přesvědčen: »Kdo se dnes tímto tématem nezabývá, bude to pravděpodobně zítra litovat«. Dobrou zprávou je: na této skutečnosti se nic nezměnilo. Co se však změnilo, je uvědomění firem, že je třeba se věnovat digitalizaci a – ať už formou sprintů nebo maratonů – vyvíjet strategie a definovat a realizovat opatření.

Na veletržním stánku Fraunhofer IPA v hale A4, stánku 421, budou čtyři pilíře Industrie 4.0 – výroba, produkt, IT a člověk – na různých úrovních v celkovém kontextu digitalizovaného průmyslového světa zažitelné: Návštěvníci si budou moci prostřednictvím několika exponátů, které spolu inteligentně komunikují přes cloud, ověřit, jaká řešení nabízí stuttgartský výzkumný institut pro různé části průmyslového hodnotového řetězce.

Simulace toku materiálů co nejrealističtější

Vlastní demonstrační plocha je vyhrazena navigaci robotů. Tam ukazují Kai Pfeiffer a jeho kolegové mobilní roboty, které jsou propojeny přes cloud. Spolu mapují své okolí a plánují své trasy s pomocí virtuálního obrazu výroby (Digitální stín). »Náhodně vzniklé překážky obcházejí s předem stanoveným bezpečnostním odstupem, aniž by došlo ke zácpám nebo kolizím«, vysvětluje Pfeiffer.

Jaké výhody přináší cloudová navigace moderním architekturám Industry 4.0, pozná jen ten, kdo si nasadí brýle rozšířené reality: ihned je jasné, že skutečná demonstrační plocha je mnohem větší. Virtuální roboti jezdí i v sousedních částech stánku a vyhýbají se návštěvníkům, kteří jim kříží cestu, aniž by to vůbec tušili. Smyslem této ukázky je: s daty, která cloudová navigace shromažďuje pomocí mobilních robotů a dalších senzorů v výrobní hale, lze v reálném čase simulovat tok materiálů, který je mnohem věrnější realitě než dosud. Není třeba časově a finančně náročných praktických testů s robotickými systémy.

Strojové učení: cvičení dělá mistra

Automatizovaná manipulace s objekty se stále zvyšuje v efektivitě. Felix Spenrath a jeho tým neustále zdokonaluje osvědčený software bp3™ od Fraunhofer IPA, který je základem úspěšného uchopení do krabice. »Díky vylepšeným algoritmům a novým senzorovým technologiím dokážou průmysloví roboti nyní rozpoznat a uchopit ploché, neuspořádaně uložené plechové díly«, říká Spenrath. Informace, které poskytují moderní 3D senzory, jsou tak využívány co nejefektivněji. Nové intuitivní uživatelské rozhraní výrazně usnadňuje a urychluje programování, takže se investiční náklady na manipulační buňku již po dvou letech vrátí. Na stánku je k vidění dvouramenný demonstrátor, který ukazuje nejnovější pokroky.

S využitím strojového učení se nyní neustále zdokonaluje rozpoznávání objektů a jejich oddělování od neuspořádaných dílů. Ve výzkumném projektu »DeepGrasping« vzniká virtuální prostředí pro učení. V něm roboti již před spuštěním provozu trénují různé uchopovací procesy na pracovních kusech, s nimiž budou později pracovat v provozu. Neuronové sítě se učí z těchto simulovaných úchopů a kontinuálně zlepšují své znalosti procesů – podle hesla: »Cvičení dělá mistra«. Na stánku je k dispozici prezentace o projektu DeepGrasping a představení prvních výsledků.

Software drag&bot usnadňuje programování robotů

Roboti zatím v malých a středních podnicích nejsou příliš rozšíření. Důvodem je složitost programovacích jazyků výrobců, kvůli čemuž je třeba najímat externí odborníky, aby roboty přizpůsobili novým úkolům. »V době intuitivně ovládaných smartphonů a tabletů není takové časově a finančně náročné programování robotů již pokrokové«, říká Martin Naumann.

Výzkumník z Fraunhofer IPA proto spolu s kolegy vyvinul software drag&bot, který minimalizuje programovací náklady. Hlavní výhodou je, že drag&bot poskytuje hotové programové bloky, které lze pomocí grafického rozhraní rychle a intuitivně sestavit do složitých robotických aplikací. Navíc uživatelské a vstupní pomocníky usnadňují parametrizaci bloků. Díky tomu již není potřeba odborné znalosti k přeprogramování robotů od různých výrobců. Jak snadno se s drag&bot manipuluje, předvádí Naumann na robotické buňce na Automatica 2018. Každý návštěvník stánku si tam může s několika kliknutími sám naprogramovat manipulační nebo montážní úlohy.

ROS-Industrial: open-source software v průmyslové kvalitě

Díky opakovaně použitelnému softwarovému rámci usnadňuje operační systém »Robot Operating System« (ROS) tvorbu softwaru jak pro roboty, tak pro robotické systémy, které vykonávají složité úkoly. »Ale také standardizované rozhraní představují významné zjednodušení. Protože ROS staví celou robotiku na společném základu – podobně jako Linux u počítačů nebo Android u chytrých telefonů«, vysvětluje Mirko Bordignon. Koneční uživatelé a systémoví integrátoři nemusí neustále vyvíjet složité funkce znovu, protože jim je nabízí open-source software ROS – především v oblastech mobilní navigace, plánování pohybů a uchopení, simulace a zpracování obrazu a senzorů.

A navíc: ROS šetří peníze. Rostoucí počet vysoce vyvinutých softwarových komponent je volně dostupný a již splňuje požadavky průmyslu na kvalitu. Jiní seskupují vývojáře do rozsáhlých »knihoven« (libraries), do nichž vkládají své zkušenosti z mnoha výzkumných a průmyslových projektů. ROS-Industrial je iniciativa, kterou v Evropě řídí Fraunhofer IPA a která podporuje transfer technologií ROS do průmyslového prostředí. Na stánku je k vidění demonstrační hardware od velkých výrobců, který provádí percepčně řízené úkoly – všechny naprogramované pomocí ROS.

Mobilní platformy: kompaktní a obratné s řízenými standardními koly

Mobilní roboty a autonomní přepravní vozíky, které se pohybují po povrchu, mohou navigovat ve všech směrech, spolehlivě projít úzkými místy a vyhnout se zdlouhavým manévrům. Nicméně takové roboty jsou v současnosti většinou vybaveny mechanickými nebo všesměrnými koly a mají při skluzu, odometrii a schopnosti překonávat volný povrch, schody a prahy určité nevýhody. Proto Fraunhofer IPA již dlouho spoléhá na pohonné moduly s řízenými standardními koly a na třetí, nejnovější generaci je letos na Automatica představí.

»Protože autonomní přepravní systémy mají podjíždět a zvedat náklady, musí být co nejnižší«, zdůrazňuje Theo Jacobs, který navrhl nejnovější pohonný modul. Ten má velmi malý prostor nad kolem, ale je stále vybaven plnohodnotným odpružením. S dvěma paralelními koly na modul je dosaženo vysoké hustoty výkonu: pokud je potřeba, je k dispozici plný výkon motoru pro pohon. Díky odlišnému řízení obou kol lze modul otočit – není třeba další řízení řízení. Na veletrhu představí Jacobs nejnovější verzi pohonných modulů na testovacím stanovišti, které umožňuje provádět dlouhodobé testy na různých podkladech a s různými nerovnostmi povrchu.

Automatická optimalizace složitých výrobních systémů v sériové výrobě

U kapitálově náročných výrobních systémů jsou firmy závislé na neustálém zvyšování produktivity. Jinak hrozí tlak na snižování nákladů a mezery ve financování. Mnoho výrobních systémů však zahrnuje velké množství stanic a pracují tak rychle, že příčiny chyb již nejsou na pohled rozpoznatelné. Zde přichází na řadu inovativní přístup »Chytrá systémová optimalizace« od Felixe Müllera a jeho týmu. Tento analytický nástroj dokáže automaticky identifikovat chyby v řetězových výrobních systémech a zobrazit jejich příčiny a šíření v reálném čase.

Klíčovou technologií jsou učící se algoritmy, speciálně vyvinuté pro analýzu rychle běžících sériových linek. Pro sběr dat »zevnitř« je použit vysoce výkonný konektor, který přistupuje k datům z řídicího systému stroje. Navíc inteligentní kamery »zvenčí« zaznamenávají relevantní procesní parametry. Vzniká tak kontinuální datová základna, která je časově synchronizována s analyzačním nástrojem. Ten nyní může na základě algoritmů vyvozovat závěry a upravovat informace podle potřeby. Nástroj také odhalí, jak jsou chyby vzájemně propojené a dokáže je prioritizovat. Je vhodný i pro automatizované porovnávání strojů. Díky tomu lze
všechny stroje v rámci flotily optimalizovat na nejvyšší úroveň. Reálné případy z farmaceutického, spotřebního a automobilového průmyslu již dosáhly zvýšení produktivity až o 15 procent.

„E-kolo na oblečení“ šetří zdraví

Výzkumníci z IPA přispívají k tomu, aby pracovníci ve výrobě byli fyzicky méně zatěžováni. To je patrné například na Stuttgart-Exo-Jacket, horním tělesném exoskeletu, který poskytuje nositeli dodatečnou sílu bez omezení pohybu. Na loktech a ramenech jsou integrovány pohonné moduly, které podporují pohyby s vysokým točivým momentem. Přitom zajišťuje impedance řízení pomocí tlakových senzorů v pažních skořepinách plynulou spolupráci s exoskeletem. Na ramenní části je namontován kloubový řetěz s pěti rotačními osami. Řetěz sleduje ramenní kloubovou skupinu ve všech polohách. Pohonný prvek je vždy umístěn tam, kde je právě rameno. Tím jsou umožněny složité pohyby
ve třech směrech: nahoru, dozadu a dovnitř. I nadhlavní montáže jsou možné.

Protože moduly aktivují pouze tehdy, když jsou skutečně potřeba, lze navíc šetřit energii. V střednědobém horizontu chtějí vědci vyvinout modulární box pro různé oblasti použití. K tomu je budován datově řízený vývojový a simulační pracovní postup. Pomocí podrobného modelu svalů a kostí lze vypočítat úlevy. Podle činnosti si firmy mohou sestavit individuální řešení.

„Virtual Fort Knox“ již není sám, ale je jedinečný

Fraunhofer IPA od roku 2012 spolupracuje s firmami z malého a středního podnikání na projektu Virtual Fort Knox (VFK), otevřené platformě pro IT služby pro výrobní firmy. Od poloviny roku 2017 je VFK výzkumná platforma rozšiřována jako distribuovaná hybridní platforma v šesti dalších institucích ve Fraunhoferově svazu pro výrobu. Slouží jako kolaborativní výzkumná platforma pro vývoj inovativních služeb pro výrobu a tvoří základ pro otevřený, reálným časem schopný operační systém pro výrobu. Cílem je, jak uvádí Joachim Seidelmann, vedoucí DigiTools ve Fraunhofer IPA: »Chceme realizovat koncepty Industry 4.0, které zvýší efektivitu výroby uživatelů.«

Na Automatica bude VFK propojeno s Festo CP Lab – miniaturizovaným pásovým dopravníkem, který má několik možností řízení. Vedoucí skupiny Daniel Stock k tomu říká: »Ukážeme, jak lze jednoduše a flexibilně propojit zařízení a zkoumat – například díky rozvíjející se technologii 5G – nejen v reálném čase data fusion, ale i řízení přes cloud, aby uživatelé měli v budoucnu k dispozici úplně nové možnosti.«