El mundo virtual conquista la producción

A partir de los datos recopilados por la navegación en la nube de los robots móviles y sensores, se pueden simular los flujos de materiales en tiempo real, de manera más realista que nunca. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Gracias al aprendizaje automático, la técnica de agarre en la caja se está perfeccionando cada vez más. En el proyecto de investigación «DeepGrasping», actualmente se está creando un entorno de aprendizaje virtual para robots. (Fuente: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez)

El software drag&bot proporciona módulos de programación completos, que se pueden ensamblar rápida e intuitivamente a través de una interfaz gráfica de usuario para crear aplicaciones robóticas complejas. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Gracias a una infraestructura de software reutilizable — el sistema operativo “Robot Operating System” (ROS) — ahora es mucho más fácil compilar software para robots industriales que realizan tareas complejas. (Foto: Fraunhofer IPA)

Los sistemas de transporte sin conductor deben colocarse debajo de las cargas para poder levantarlas. Por lo tanto, deben ser lo más planos posible. La estructura del nuevo módulo de accionamiento omnidireccional, situado por encima de las ruedas, es por ello muy delgada. (Fuente: Fraunhofer IPA) / Los vehículos guiados automáticos necesitan posicionarse debajo de las cargas para levantarlas. Por esta razón, deben ser lo más planos posible. La estructura del nuevo módulo de accionamiento omnidireccional por encima de las ruedas es, por tanto, muy delgada. (Foto: Fraunhofer IPA)

En los codos y hombros, los expertos han integrado módulos de accionamiento que apoyan movimientos de alto par. (Fuente: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez) / Los expertos han integrado módulos de accionamiento en los codos y hombros para apoyar movimientos de alto torque. (Foto: Fraunhofer IPA)

- Capturar datos en tiempo real en la »Smart Factory«
- Utilizar la Realidad Aumentada de manera efectiva para la planificación de procesos
- Utilizar inteligencia artificial para la programación de robots
- Ofrecer conceptos para trabajar ergonómicamente en el entorno de producción

Ya en la última Automatica hace dos años, el director del Instituto IPA, Prof. Thomas Bauernhansl, calificó la Industria 4.0 como un proceso de desarrollo que avanza a una velocidad vertiginosa. Está convencido de que: »Quien no se ocupe de ello hoy, probablemente lo lamentará amargamente mañana«. La buena noticia es que: nada ha cambiado respecto a esta afirmación. Sin embargo, lo que ha cambiado es la conciencia de las empresas de enfrentarse al tema de la digitalización y, ya sea en forma de sprints o maratones, desarrollar estrategias y definir y poner en marcha medidas.

En el stand del Fraunhofer IPA en el pabellón A4, stand 421, los cuatro pilares de la Industria 4.0 – producción, producto, TI y persona – se hacen experimentables de múltiples maneras en el contexto global de un mundo industrial digitalizado: Los visitantes podrán comprender, mediante varias exhibiciones que interactúan de manera inteligente a través de la nube, qué soluciones ofrece el instituto de investigación de Stuttgart para diferentes etapas de la cadena de valor industrial.

Simulaciones de flujo de materiales tan realistas como nunca

Un área de demostración propia está reservada para la navegación de robots. Allí, Kai Pfeiffer y sus colegas muestran robots móviles que están interconectados a través de la nube. Estos cartografían su entorno de manera cooperativa y planifican sus rutas con la ayuda de la réplica virtual de la producción (Sombra Digital). »Evitando obstáculos imprevistos manteniendo la distancia de seguridad establecida, sin congestiones ni colisiones«, explica Pfeiffer.

Las ventajas que ofrece la navegación en la nube para las arquitecturas modernas de Industria 4.0 solo son evidentes para quienes se colocan unas gafas de Realidad Aumentada: de inmediato se percibe que el área de demostración real es mucho mayor. Robots virtuales también circulan en áreas adyacentes del stand y esquivan a los visitantes que cruzan su camino sin que ellos lo noten. La finalidad de esta demo: con los datos que la navegación en la nube recopila mediante robots móviles y otros sensores en la planta de producción, se pueden simular en tiempo real flujos de materiales que se acercan mucho más a la realidad que lo que era posible hasta ahora. Ya no son necesarios costosos y largos ensayos prácticos con sistemas robóticos.

Aprendizaje automático: la práctica hace al maestro

La técnica de manejo automatizado se vuelve cada vez más eficiente. Felix Spenrath y su equipo continúan desarrollando el software bp3™ del Fraunhofer IPA, que sustenta el exitoso agarre en caja. »Gracias a algoritmos mejorados y a la nueva tecnología de sensores, los robots industriales ahora pueden reconocer y agarrar piezas metálicas planas y sin ordenar«, dice Spenrath. La información proporcionada por los sensores 3D modernos se aprovecha de manera óptima. La nueva interfaz de usuario intuitiva facilita y acelera la programación tanto que los costes de inversión en una celda de manejo se amortizan en apenas dos años. Un demostrador con dos brazos en el stand ilustra los avances más recientes.

Mediante aprendizaje automático, la detección de objetos y la separación de componentes desordenados se perfeccionan continuamente. En el proyecto de investigación »DeepGrasping«, se está creando un entorno virtual de aprendizaje. En él, los robots practican diferentes procesos de agarre en las piezas con las que trabajarán en operación, incluso antes de su puesta en marcha. Redes neuronales aprenden de estos agarres simulados y mejoran continuamente su conocimiento del proceso, siguiendo el lema: »La práctica hace al maestro«. En el stand, se presenta el proyecto DeepGrasping y se muestran los primeros resultados.

Software drag&bot simplifica la programación de robots

Los robots todavía se usan poco en las pequeñas y medianas empresas. La razón: los lenguajes de programación específicos de cada fabricante son tan complejos que se requiere contratar expertos externos para adaptar un robot a nuevas tareas. »En tiempos en los que los smartphones y tablets se manejan de forma intuitiva, una programación de robots tan costosa y que requiere tanto tiempo ya no es progresista«, opina Martin Naumann.

Por ello, el investigador del Fraunhofer IPA y sus colegas han desarrollado el software drag&bot, que minimiza al máximo el esfuerzo de programación. La clave: drag&bot proporciona bloques de programa predefinidos que se pueden ensamblar rápida e intuitivamente en aplicaciones robóticas complejas mediante una interfaz gráfica. Además, las ayudas de manejo y entrada facilitan la parametrización de los bloques. Ya no se necesita conocimiento experto para reprogramar robots de diferentes fabricantes. Naumann demostrará lo fácil que es usar drag&bot con una celda robotizada en la Automatica 2018. Cualquier visitante del stand podrá programar aplicaciones de manejo o montaje con unos pocos clics.

ROS-Industrial: Software de código abierto en calidad industrial

Gracias a una infraestructura de software reutilizable, el sistema operativo »Robot Operating System« (ROS) facilita la creación de software tanto para robots como para sistemas robóticos que realizan tareas complejas. »Pero también las interfaces estandarizadas representan una simplificación importante. Porque ROS establece una base común para toda la robótica, similar a Linux en ordenadores o Android en smartphones«, explica Mirko Bordignon. Los usuarios finales y los integradores de sistemas no necesitan desarrollar funciones complejas desde cero, ya que ROS, el software de código abierto, se las proporciona, principalmente en áreas como navegación móvil, planificación de movimientos y agarre, simulación, procesamiento de imágenes y sensores.

Y además: ROS ahorra dinero. Cada vez hay más componentes de software altamente desarrollados disponibles gratuitamente, que cumplen con los requisitos de calidad de la industria. Otros agrupan a los desarrolladores en extensas »Libraries« (bibliotecas), en las que se integran sus experiencias de numerosos proyectos de investigación e industria. ROS-Industrial es una iniciativa gestionada en Europa por el Fraunhofer IPA que promueve la transferencia tecnológica de ROS al entorno industrial. En el stand, un demostrador muestra hardware de grandes fabricantes que realiza tareas controladas por percepción, todas programadas con ROS.

Plataformas móviles: compactas y ágiles con ruedas estándar direccionables

Los robots móviles de superficie y los vehículos de transporte sin conductor pueden navegar en todas las direcciones, pasar de manera confiable por estrechamientos y evitar movimientos de maniobra que consumen mucho tiempo. Sin embargo, estos robots suelen estar equipados con ruedas mecanum o de todos lados, y presentan desventajas en deslizamiento, odometría y capacidad para superar terrenos sueltos, escalones y umbrales. Por ello, el Fraunhofer IPA apuesta desde hace tiempo por módulos de accionamiento con ruedas estándar direccionables y presenta la tercera y más reciente generación en la Automatica de este año.

»Dado que los sistemas de transporte sin conductor deben atravesar y recoger cargas, deben ser lo más planos posible«, destaca Theo Jacobs, quien diseñó el módulo de accionamiento más reciente. Este tiene un espacio muy reducido por encima de la rueda, pero aún así cuenta con una suspensión completa. Con dos ruedas paralelas por módulo, se logra una alta densidad de potencia: en caso necesario, se dispone de toda la potencia del motor para el avance. Al controlar de manera diferente las dos ruedas, se puede lograr una rotación del módulo, eliminando la necesidad de un motor de dirección adicional. En la feria, Jacobs presentará la versión más reciente de los módulos de accionamiento en una estación de prueba, que permite realizar ensayos prolongados en diferentes superficies y con distintas irregularidades del suelo.

Optimización autónoma de sistemas de fabricación complejos en la producción de piezas

En sistemas de fabricación con alta inversión, las empresas dependen de maximizar continuamente la productividad. De lo contrario, enfrentan presión de costos y brechas en la financiación. Sin embargo, muchos sistemas de producción incluyen numerosas estaciones y operan a velocidades tan altas que las causas de errores ya no son visibles a simple vista. Aquí, la optimización inteligente de sistemas, desarrollada por Felix Müller y su equipo, ofrece un enfoque innovador y ya en uso real. La herramienta de análisis detecta errores en sistemas de producción en cadena y muestra sus causas y su propagación de forma automatizada y en tiempo real.

La tecnología clave son algoritmos de aprendizaje, diseñados específicamente para analizar líneas de producción de piezas que operan a alta velocidad. Para recopilar datos »desde dentro«, se emplea un conector de alto rendimiento que accede a los datos del control de la máquina. Además, cámaras inteligentes registran las características relevantes del proceso »desde fuera«. Así, se genera una base de datos continua que se transmite en sincronía temporal a la herramienta de análisis. Esta puede extraer conclusiones con los algoritmos y presentar la información en el formato deseado. La herramienta también identifica cómo se relacionan los errores y puede priorizarlos. Además, es apta para realizar benchmarking automático de máquinas. De esta forma, se puede llevar a todas las máquinas de una flota al nivel más alto posible. Casos reales en la producción farmacéutica, de bienes de consumo y automotriz ya han logrado incrementos de productividad de hasta un 15 por ciento.

La »E-Bike para ponerse« cuida la salud

Los investigadores del IPA contribuyen a aliviar físicamente a los empleados en la producción. Esto se evidencia claramente con la Exo-Jacket de Stuttgart, un exoesqueleto de torso superior que proporciona fuerza adicional sin restringir al portador. En los codos y hombros, los expertos han integrado módulos de accionamiento que apoyan movimientos con alto par. Además, un control de impedancia mediante sensores de presión en las mangas del brazo garantiza un movimiento suave del exoesqueleto. En la zona del hombro, se ha instalado una cadena de articulaciones con cinco ejes de rotación. La cadena sigue la articulación del hombro en cada posición. El elemento de accionamiento siempre está en el lugar donde se encuentra el hombro en ese momento. De esta forma, se posibilitan movimientos complejos en
tres direcciones: hacia arriba, hacia atrás y hacia adentro. Incluso montajes por encima de la cabeza son posibles.

Como los módulos solo se activan cuando realmente se necesitan, también se puede ahorrar energía adicionalmente. A medio plazo, los científicos quieren desarrollar una caja modular para diferentes áreas de aplicación. Para ello, se establecerá un flujo de trabajo de desarrollo y simulación basado en datos de movimiento. Con un modelo musculoesquelético detallado, se podrán calcular las cargas de alivio. Dependiendo de la tarea, las empresas podrán montar soluciones individuales.

»Fort Knox virtual«, ya no solo, pero único

Desde 2012, el Fraunhofer IPA trabaja junto con empresas del sector mediano en Virtual Fort Knox (VFK), una plataforma abierta para servicios de TI para empresas manufactureras. Desde mediados de 2017, la plataforma de investigación VFK se ha desplegado como una plataforma híbrida distribuida en otros seis institutos del Grupo Fraunhofer en producción. Sirve como plataforma de investigación colaborativa para el desarrollo de servicios innovadores para la producción y establece la base para un sistema operativo abierto y en tiempo real para la fabricación. El objetivo, según Joachim Seidelmann, jefe de DigiTools en el Fraunhofer IPA, es: »Implementar conceptos de Industria 4.0 que permitan a los usuarios aumentar su eficiencia en la producción«.

En la Automatica, VFK estará conectado con el Festo CP Lab, una planta de cinta transportadora en miniatura que cuenta con varias opciones de control. El jefe de grupo Daniel Stock comenta: »Mostraremos cómo se pueden conectar de manera sencilla y flexible las instalaciones y, gracias a tecnologías emergentes como 5G, no solo la fusión de datos en tiempo real, sino también el control desde la nube, para ofrecer nuevas posibilidades a los usuarios en el futuro«.