Ritmo en la era de la producción digital

Los robots móviles autónomos son un elemento clave para aplicaciones de producción y logística flexibles. (© Fraunhofer IPA/Universidad de Stuttgart IFF Foto: Rainer Bez) / Los robots móviles que navegan de forma autónoma son un elemento clave para aplicaciones flexibles de producción y logística. (© Fraunhofer IPA/Universidad de Stuttgart IFF Imagen: Rainer Bez)

Con el software pitasc, aplicaciones de montaje como el encaje o el deslizamiento de componentes pueden ser automatizadas de manera económicamente viable. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Con el software pitasc, aplicaciones de ensamblaje como el montaje con encaje o inserción pueden ser automatizadas de manera económicamente viable. (© Fraunhofer IPA/Imagen: Rainer Bez)

La funda protectora recién patentada 2ndSCIN® hace que cualquier componente de automatización en movimiento sea apto para salas limpias. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / La funda protectora recientemente patentada 2ndSCIN® garantiza la compatibilidad con salas limpias de cualquier componente de automatización en movimiento. (© Fraunhofer IPA/Imagen: Rainer Bez)

CAPE® es un sistema de sala limpia similar a una tienda de campaña que ofrece un entorno de sala limpia rentable, rápido y flexible. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / CAPE® es un sistema de sala limpia similar a una tienda de campaña que proporciona un entorno de sala limpia rentable, rápido y flexible. (© Fraunhofer IPA/Imagen: Rainer Bez)

Verschiedene Verfahren des Fraunhofer IPA helfen, maschinelle Lernverfahren wie hier ein neuronales Netz erklärbar zu machen und seine Funktionsweise zu verstehen. (© Fraunhofer IPA) / Diversos métodos desarrollados por Fraunhofer IPA ayudan a explicar los procesos de aprendizaje automático, como la red neuronal que se muestra aquí, y a entender cómo funcionan. (© Fraunhofer IPA)

Con la ayuda de datos de sensores y su análisis posterior, se pueden detectar automáticamente ineficiencias o pérdidas en las líneas de producción. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

La Stuttgart Exo-Jacket apoya activamente la parte superior del cuerpo durante las tareas de manipulación manual, en particular durante levantamientos y actividades por encima de la cabeza. (© 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)

Dentro del marco de la iniciativa »Robótica Cognitiva«, por ejemplo, se están desarrollando más tecnologías de aprendizaje automático para aplicaciones de recogida de cajas. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Autónomo, inteligente, rein: desde robots móviles y autoaprendientes hasta tecnologías de salas limpias de vanguardia, procedimientos para la explicabilidad del aprendizaje automático, herramientas de software para la producción y hasta la Stuttgart Exo-Jacket – el Fraunhofer IPA presenta en la Automatica en diciembre una gran variedad de aplicaciones y servicios para la producción automatizada. Ya se pueden obtener primeras ideas en la Virtual IPA Preview del 18 de junio de 2020.

«Nuevas ideas para la automatización del mañana» promete la Automatica, la feria líder en automatización inteligente y robótica. El Fraunhofer IPA de Stuttgart también ha adoptado este credo y, junto a muchos otros puntos de contacto en el lugar, mostrará en 240 metros cuadrados lo que ya es posible hoy y hacia dónde irá la dirección en el shopfloor del futuro.

Soluciones de navegación cooperativa y en red

En una zona de exposición elevada, circulan compactos robots móviles «rob@work». Navegan de forma autónoma, están interconectados y muestran un escenario logístico en miniatura. Gracias a un algoritmo SLAM continuo, los robots pueden localizarse de forma fiable incluso en entornos cambiantes, sin necesidad de infraestructura adicional. Además, intercambian datos de sensores propios o instalados de forma fija en el entorno de uso. De este modo, cada robot siempre dispone de un mapa actualizado, que le permite ajustar su ruta y localizarse. Esto evita caminos innecesarios, cuellos de botella y paradas.

«Con esta solución de navegación cooperativa mostramos cómo los sistemas de transporte sin conductor, por ejemplo, permiten una producción en matriz», explica Kai Pfeiffer, jefe de grupo de Robótica de Servicio para Industria y Comercio en el Fraunhofer IPA. «También podemos ampliar la exposición con robots virtuales y visualizar rutas y otra información mediante Realidad Aumentada», añade. Esto simplifica y acelera la puesta en marcha, el mantenimiento o las ampliaciones de la flota. La software ya ha demostrado varias veces su capacidad para mejorar la agilidad en procesos logísticos modernos en aplicaciones industriales.

Montaje automatizado y agarre autónomo

Muchas empresas se preguntan en qué medida pueden automatizar sus tareas de montaje. Desde hace muchos años, el Fraunhofer IPA ofrece el análisis de potencial de automatización (APA) para responder a esta pregunta. Hasta ahora, la APA dependía del conocimiento de un experto en automatización. Una nueva aplicación hace que este conocimiento sea más accesible. Guía al usuario para analizar sus propios procesos de montaje, evalúa sus respuestas y le informa sobre potenciales de automatización. «Con nuestra app, cualquiera puede convertirse en experto en la evaluación de procesos de montaje», explica Alexander Neb, investigador en el Fraunhofer IPA y co-desarrollador de la app. Se puede adquirir mediante un contrato de licencia sencillo para pruebas.

Otra herramienta de software para la automatización del montaje es NeuroCAD. Analiza las propiedades de componentes mediante aprendizaje automático y estima en qué medida un componente es apto para la automatización del montaje. Los usuarios pueden subir sus archivos STEP en www.neurocad.de de forma gratuita y en pocos segundos conocer qué tan fácil o difícil es separar un componente. Además, la herramienta evalúa las superficies de agarre y la alineación del componente. El red neuronal también indica la probabilidad de que su resultado sea correcto.

Finalmente, el sistema pitasc para programación de procesos de montaje controlados por fuerza muestra cómo los procesos realizados manualmente pueden automatizarse de manera rentable. «Hasta ahora, era necesario programar casi desde cero un sistema robotizado para cada aplicación. Con nuestro software, tareas modeladas una vez se pueden transferir rápidamente a nuevas variantes de productos, productos diferentes e incluso a robots de otros fabricantes», dice Frank Nägele, jefe del grupo de Programación y Control de Robots en el Fraunhofer IPA. El software tiene una estructura similar a un sistema modular: contiene muchos bloques de programación listos para usar y reutilizables, que pueden combinarse de forma individual para configurar un sistema robotizado. pitasc está listo para su uso en aplicaciones piloto, que los científicos desean desarrollar junto con empresas.

No solo el montaje, sino también la aplicación de agarrar objetos de una caja puede ser un desafío para la automatización. Con la exposición «AI Picking», el Fraunhofer IPA muestra cómo los procedimientos de aprendizaje automático y las simulaciones mejoran significativamente la autonomía y el rendimiento en esta tarea.

Los científicos demuestran esto con un robot que recoge objetos de una caja en posiciones indefinidas. Una estimación de posición de objetos basada en inteligencia artificial (IA) proporciona posiciones robustas y precisas en pocos milisegundos. «Los objetos nuevos se pueden aprender rápida y fácilmente a partir de un modelo CAD», explica el líder del proyecto Felix Spenrath. «El software también puede detectar y resolver atascos y manejar de forma robusta materiales de embalaje». El robot fue entrenado exhaustivamente en simulación y luego se transfirió ese conocimiento a la aplicación real. Las posiciones de agarre se generan y evalúan automáticamente en base a ese conocimiento.

Producción libre de contaminación con cubierta protectora y carpa de sala limpia

No solo una producción más autónoma, sino también una ultralimpia, es cada vez más demandada. «Los entornos de producción limpios permiten la tecnología de alta precisión del futuro», explica Udo Gommel, jefe del departamento de Microproducción y Producción en Sala Limpia en el Fraunhofer IPA. «Las tecnologías clave del mañana solo avanzan con técnicas de pureza. Es decisivo: desde la producción de baterías hasta la biotecnología».

Envoltura protectora 2ndSCIN®: recién patentada, 2ndSCIN® hace que componentes de automatización dinámica, como un robot para producción ultralimpia, estén listos para su uso. La cubierta está hecha de un textil permeable, móvil y multicapa, que imita la piel humana en su funcionamiento. Según la aplicación, pueden colocarse dos o más capas una sobre otra. Las capas se separan con espaciadores. En cada espacio puede aspirarse o expulsarse aire, permitiendo eliminar partículas provenientes del entorno o de la propia automatización. La introducción de gases en los espacios intermedios permite su esterilización. Además, la cubierta puede cambiarse en aproximadamente una hora y reutilizarse tras una descontaminación. Las capas textiles también están equipadas con sensores que miden continuamente parámetros como cantidad de partículas, presión o humedad. En el futuro, estos datos se analizarán mediante algoritmos de IA para facilitar tareas como el mantenimiento predictivo. «2ndSCIN® es extremadamente flexible en su estructura, por lo que podemos adaptar soluciones a necesidades específicas», explica Gommel. «De este modo, abordamos muchas exigencias para cubiertas protectoras en componentes de salas limpias, que productos existentes no cumplen aún».

Salas limpias móviles CAPE®: científicos del Fraunhofer IPA también desarrollaron un sistema móvil de sala limpia, similar a una tienda de campaña, que puede montarse en menos de una hora tanto en interiores como en exteriores protegidos. Con esta «Sala Limpia bajo Demanda», los fabricantes disponen de un entorno de producción móvil y libre de contaminación, que permite una pureza del aire de las clases ISO 1 a 9. Es especialmente atractiva para fabricantes que necesitan producir sin contaminación, pero no requieren un entorno estéril y limpio de forma permanente. CAPE® es adecuada, por ejemplo, para la fabricación de chips, tecnología médica, industria alimentaria o montaje de satélites. La industria automotriz también se beneficia del carpa de sala limpia, por ejemplo, en la fabricación de celdas de batería o pilas de combustible. «CAPE® puede usarse incluso en zonas de crisis, por ejemplo, para proporcionar un entorno limpio y estéril cuando no hay un quirófano disponible en el lugar», afirma Gommel.

Dispositivo probado por Fraunhofer®: desde hace muchos años, el Fraunhofer IPA también ofrece procedimientos para la medición de emisiones de partículas y certifica objetos con el certificado «Tested Device®». En el sistema CAPE® mencionado, este procedimiento se demuestra mediante un contador óptico de partículas y un objeto de prueba. Las empresas reciben un informe de prueba personalizado que confirma la pureza y aptitud para salas limpias de sus instalaciones, dispositivos o consumibles.

Explicar el aprendizaje automático y transmitir datos

En robótica y en muchas otras áreas de producción y servicios, cada vez se emplean más procedimientos de aprendizaje automático y redes neuronales artificiales. Dependiendo de la aplicación, es cada vez más importante entender cómo funcionan exactamente y por qué llegan a ciertos resultados. Deben hacerse explicables. Hasta ahora, esto no siempre ha sido posible debido a su complejidad. «Cuanto más potente es una red neuronal, más difícil es entenderla», explica el Prof. Marco Huber, director del Centro de Ciberinteligencia Cognitiva (CCI) y del departamento de Procesamiento de Imagen y Señales en el Fraunhofer IPA.

Por ello, en la Automatica, el Fraunhofer IPA presenta bajo el lema «Explainable AI» (xAI) procedimientos que visualizan las decisiones de las redes neuronales y las hacen transparentes y comprensibles para el usuario. «Esta trazabilidad fortalece la aceptación de la IA, genera confianza, mejora su funcionamiento correcto y aporta seguridad jurídica», explica Huber.

En toda producción se generan datos, pero debido a diferentes formatos y interfaces, a menudo no es posible utilizarlos y analizarlos. La app «StationConnector» aborda precisamente esto, ofreciendo una interfaz unificada que conecta todos los sistemas. Así, puede transmitir datos de forma sencilla y específica entre protocolos industriales, controles y sistemas informáticos diversos. «Con nuestra app, los usuarios pueden generar y aplicar rápidamente modelos de negocio basados en datos», afirma Marcus Defranceski, jefe de grupo de Sistemas de Automatización para la Pureza. La exposición en el stand muestra lo fácil y flexible que es usar la app y cómo puede aplicarse en diferentes ámbitos, como procedimientos de IA o monitoreo.

Hacer las producciones más eficientes y aliviar a los trabajadores

Un demostrador de optimización de producción autónoma muestra cómo detectar automáticamente pérdidas en la producción y determinar sus causas. Modela una línea de fabricación automatizada, que se observa tanto mediante control como con sensores externos como barreras ópticas o cámaras. Todas las fuentes de observación se utilizan para crear un modelo de comportamiento de la línea. Esto permite analizarla continuamente en línea, detectar comportamientos normales y, en base a ello, identificar pérdidas de producción. «Con esto, queremos aumentar la eficiencia de toda la planta y hacer transparentes los parámetros clave del proceso», explica Julian Maier, científico en el Fraunhofer IPA y co-desarrollador del demostrador.

La fuerza laboral humana en la producción, aunque puede automatizarse en muchas áreas, sigue siendo insustituible en muchas tareas, y es importante preservarla en la mejor medida posible. Los exoesqueletos, sistemas robotizados que se llevan directamente en el cuerpo, ofrecen apoyo en tareas exigentes y alivian a las personas. En el Fraunhofer IPA, existe el Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), un exoesqueleto para investigación y desarrollo. El SEJ apoya activamente las extremidades superiores en tareas de levantamiento y trabajo por encima de la cabeza. La versión actual en el stand, el Stuttgart Exo-Jacket 2, está diseñada principalmente para aplicaciones en logística, donde los trabajadores manipulan objetos como neumáticos, cajas o maletas con ambas manos en un rango entre las rodillas y los hombros, frente al cuerpo.

«La idea central del sistema es que los usuarios puedan seguir moviendo sus manos con total libertad y aprovechar al máximo sus habilidades de manipulación», describe Christophe Maufroy, jefe de grupo de Sistemas de Asistencia Física y Sensores Inteligentes en el Fraunhofer IPA, sobre la particularidad del SEJ. Además, el expositor también aborda análisis ergonómicos medibles y optimizaciones en los puestos de trabajo.

Conocer y aprovechar la iniciativa de IA

Por último, el stand del Fraunhofer IPA también informa sobre una iniciativa en el ámbito de la inteligencia artificial. Los expositores «pitasc» y «AI Picking» forman parte de la iniciativa «Robótica Cognitiva» financiada por el estado de Baden-Württemberg. Su objetivo es impulsar tecnologías robóticas innovadoras y aplicar capacidades como percepción, aprendizaje, previsión y adaptación en diferentes aplicaciones. La robótica cognitiva ofrece soluciones para afrontar los desafíos de la producción del futuro, impulsados por grandes tendencias sociales. La participación de socios industriales crea una red y asegura la transferencia tecnológica.