Horloge maîtresse à l'ère de la production numérique

Les robots mobiles autonomes sont un élément clé pour les applications de production et de logistique flexibles. (© Fraunhofer IPA/Université de Stuttgart IFF Photo : Rainer Bez) / Les robots mobiles naviguant de manière autonome sont un élément essentiel pour des applications de production et de logistique flexibles. (© Fraunhofer IPA/Université de Stuttgart IFF Image : Rainer Bez)

Avec le logiciel pitasc, des applications d'assemblage telles que le montage par encliquetage ou l'insertion peuvent être automatisées de manière économiquement viable. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez) / Avec le logiciel pitasc, les applications d'assemblage telles que le montage par encliquetage ou l'insertion peuvent être automatisées de manière économiquement viable. (© Fraunhofer IPA/Image : Rainer Bez)

La coque de protection récemment brevetée 2ndSCIN® rend compatibles avec les salles blanches tous composants d'automatisation mobiles. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez) / La coque de protection récemment brevetée 2ndSCIN® garantit la compatibilité avec les salles blanches de tout composant d'automatisation en mouvement. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez)

CAPE® est un système de salle blanche semblable à une tente, qui offre un environnement de salle blanche économique, rapide et flexible. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez) / CAPE® est un système de salle blanche semblable à une tente qui fournit un environnement de salle blanche rentable, rapide et flexible. (© Fraunhofer IPA/Image : Rainer Bez)

Différentes méthodes développées par le Fraunhofer IPA aident à rendre explicables des processus d'apprentissage automatique, comme le réseau neuronal présenté ici, et à comprendre leur fonctionnement. (© 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)

Grâce aux données des capteurs et à leur analyse, il est possible de détecter automatiquement les inefficacités ou pertes dans les lignes de production. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez) / Avec l'aide des données des capteurs et de leur analyse, les inefficacités ou pertes dans les lignes de production peuvent être détectées automatiquement. (© Fraunhofer IPA/Image : Rainer Bez)

La Stuttgart Exo-Jacket soutient activement le haut du corps lors de la manipulation manuelle, en particulier lors de levages et d'activités au-dessus de la tête. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez) / La Stuttgart Exo-Jacket supporte activement le haut du corps lors des tâches de manutention manuelle, notamment lors de levages et d'activités en overhead. (© Fraunhofer IPA/Image : Rainer Bez)

Dans le cadre de l'initiative « Robotique Cognitive », par exemple, des technologies d'apprentissage automatique sont en cours de développement pour les applications de prélèvement dans une caisse. (© Fraunhofer IPA/Photo : Rainer Bez) / Dans le cadre de l’initiative « Robotique Cognitive », par exemple, des technologies d'apprentissage automatique sont en cours de développement pour les applications de prélèvement dans une caisse. (© Fraunhofer IPA/Image : Rainer Bez)

Autonome, intelligentes, reines: des mobilen et auto-apprenant robots aux technologies de salle blanche de pointe, en passant par des procédés d’explicabilité de l’apprentissage automatique, des outils logiciels pour la production jusqu’au Stuttgart Exo-Jacket – le Fraunhofer IPA présente à l’Automatica en décembre une multitude d’applications et de services pour la production automatisée. Un premier aperçu est déjà fourni par la Virtual IPA Preview le 18 juin 2020.

»Nouvelles idées pour l’automatisation de demain« promet l’Automatica, le salon de référence pour l’automatisation intelligente et la robotique. Le Fraunhofer IPA de Stuttgart a également adopté cette devise et, – aux côtés de nombreux autres points de contact sur place – montrera sur 240 mètres carrés ce qui est déjà possible aujourd’hui et vers où la route se dirigera dans le futur atelier.

Solutions de navigation coopératives et connectées

Sur une surface d’exposition surélevée, des robots mobiles compacts »rob@work« circulent. Ils naviguent de manière autonome, sont connectés entre eux et illustrent un scénario logistique miniaturisé. Grâce à un algorithme SLAM continu, les robots peuvent également se localiser de manière fiable dans des environnements changeants, sans infrastructure supplémentaire. De plus, ils échangent des données provenant de capteurs intégrés ou stationnaires dans l’environnement d’utilisation. Ainsi, chaque robot dispose toujours d’une carte à jour, lui permettant d’ajuster son itinéraire et de se localiser. Cela évite les chemins inutiles, les embouteillages et les arrêts.

« Avec cette solution de navigation coopérative, nous montrons comment des systèmes de transport sans conducteur permettent, par exemple, une production matricielle », explique Kai Pfeiffer, chef de groupe Robotique de service pour l’industrie et le commerce au Fraunhofer IPA. « Nous pouvons également étendre l’exposition avec des robots virtuels et visualiser les chemins de déplacement et autres informations via la réalité augmentée », ajoute-t-il. Cela simplifie et accélère la mise en service, la maintenance ou l’expansion de la flotte. La flexibilité des processus logistiques modernes a déjà été démontrée avec succès à plusieurs reprises dans des applications industrielles par le logiciel.

Montage automatisé et préhension autonome

De nombreuses entreprises se demandent dans quelle mesure elles peuvent automatiser leurs tâches de montage. Depuis de nombreuses années, le Fraunhofer IPA propose pour cette question l’analyse du potentiel d’automatisation (APA). Jusqu’à présent, l’APA dépendait du savoir d’un expert en automatisation. Une nouvelle application facilite désormais cet accès. Elle guide l’utilisateur dans l’analyse de ses propres processus de montage, évalue ses réponses et informe sur le potentiel d’automatisation. « Avec notre application, chacun peut devenir un expert dans l’évaluation des processus de montage », explique Alexander Neb, chercheur au Fraunhofer IPA qui a co-développé l’application. Elle peut être obtenue via un contrat de licence simple pour un usage de test.

Une autre solution logicielle pour l’automatisation du montage est NeuroCAD. Elle analyse, à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique, les caractéristiques des pièces et en déduit une estimation de leur aptitude à l’automatisation du montage. Les utilisateurs peuvent télécharger gratuitement leurs fichiers STEP sur www.neurocad.de et découvrir en quelques secondes à quel point une pièce est facile ou difficile à manipuler. De plus, l’outil évalue les surfaces de préhension et la possibilité d’alignement de la pièce. En outre, le réseau neuronal indique une probabilité que son résultat soit correct.

Enfin, le système de programmation pitasc, basé sur un kit de construction, montre comment automatiser de manière rentable des processus de montage contrôlés par force, réalisés manuellement. « Jusqu’à présent, il était nécessaire de reprogrammer largement un système robotique pour chaque application. Avec notre logiciel, des tâches modélisées une fois peuvent être rapidement transférées à de nouvelles variantes de produits, à d’autres produits et même à des robots d’autres fabricants », explique Frank Nägele, chef du groupe Programmation et régulation de robots au Fraunhofer IPA. Le logiciel est structuré comme un système modulaire : il contient de nombreux blocs de programmes prêts à l’emploi et réutilisables, qui peuvent être assemblés de manière individuelle lors de la configuration d’un système robotique. pitasc est prêt pour une utilisation dans des applications pilotes, que les chercheurs souhaitent réaliser en collaboration avec des entreprises.

Ce n’est pas seulement le montage, mais aussi la manipulation de boîtes qui reste parfois un défi pour l’automatisation. Avec l’exposition »AI Picking«, le Fraunhofer IPA montre comment les méthodes d’apprentissage automatique et les simulations peuvent améliorer significativement l’autonomie et la performance de cette tâche.

Les chercheurs illustrent cela avec un robot qui saisit des objets dans une boîte à partir d’une position indéfinie. Une estimation de la position de l’objet basée sur l’intelligence artificielle (IA) fournit des positions robustes et précises en quelques millisecondes. « Les nouveaux objets peuvent être rapidement et simplement appris à partir d’un modèle CAD », explique le chef de projet Felix Spenrath. « Le logiciel peut également détecter et résoudre les enchevêtrements, et gérer de manière robuste le matériel d’emballage. » Le robot a été entraîné de manière approfondie dans la simulation, puis ce savoir a été transféré à l’application réelle. Les positions de préhension sont générées et évaluées automatiquement à partir de ces connaissances.

Production sans contamination avec une housse de protection et une tente de salle blanche

Une production non seulement plus autonome, mais aussi ultra-propre, est de plus en plus demandée. « Des environnements de production purs permettent la haute technologie de demain », explique Udo Gommel, chef du département Reproduction et Microproduction au Fraunhofer IPA. « Les technologies clés de demain ne progressent qu’avec des techniques de pureté. C’est crucial : de la fabrication de batteries à la biotechnologie. »

Housse de protection 2ndSCIN® : récemment brevetée, la 2ndSCIN® rend les composants d’automatisation dynamique, comme un robot destiné à la production ultra-propre, prêts à l’emploi. La housse est composée d’un textile perméable, mobile et multicouche, imitant la peau humaine dans son fonctionnement. Selon l’application, deux couches ou plus peuvent être superposées. Les couches sont séparées par des entretoises. Dans chaque espace intermédiaire, il est possible d’aspirer ou d’évacuer de l’air. Cela permet d’éliminer les particules provenant de l’environnement ou du composant automatisé. L’introduction de gaz dans les espaces intermédiaires permet leur stérilisation. De plus, la housse peut être changée en environ une heure et réutilisée après décontamination. Les couches textiles sont également équipées de capteurs qui mesurent en continu des paramètres tels que la quantité de particules, la pression ou l’humidité. À l’avenir, ces données seront analysées par des algorithmes d’IA pour permettre, par exemple, une maintenance prédictive. « La 2ndSCIN® est extrêmement modulable, ce qui nous permet de répondre à des besoins individuels », explique Gommel. « Ainsi, nous répondons à de nombreuses exigences en matière de housses de protection pour composants de salle blanche, que les produits existants ne satisfaisaient pas. »

Chambre blanche mobile CAPE® : des chercheurs du Fraunhofer IPA ont également développé un système de salle blanche mobile, semblable à une tente, qui peut être monté en moins d’une heure aussi bien en intérieur qu’en extérieur protégé contre les intempéries. Avec cette »Salle blanche à la demande«, les fabricants disposent d’un environnement de fabrication mobile, sans contamination, permettant une pureté de l’air conforme aux classes ISO 1 à 9. Cela est particulièrement attrayant pour les fabricants devant produire sans contamination, mais sans nécessiter en permanence un environnement stérile et propre. Le CAPE® convient par exemple pour la fabrication de puces, la technologie médicale, l’industrie alimentaire ou l’assemblage de satellites. L’industrie automobile profite également de cette tente de salle blanche, notamment dans la fabrication de batteries ou de piles à combustible. « Le CAPE® peut même être utilisé dans des zones de crise, par exemple pour fournir un environnement propre et stérile lorsqu’aucune salle d’opération n’est disponible sur place », indique Gommel.

Fraunhofer Tested Device® : depuis de nombreuses années, le Fraunhofer IPA propose également des méthodes de mesure des émissions de particules et distingue les objets testés par le certificat »Tested Device®«. Dans le cas du système CAPE® mentionné, cette méthode est illustrée à l’aide d’un compteur optique de particules et d’un objet de test. Les entreprises reçoivent un rapport de test spécifique au produit et au client, attestant de la pureté et de la conformité à la salle blanche de leurs équipements, appareils ou consommables.

Expliquer l’apprentissage automatique et transmettre des données

Dans la robotique comme dans de nombreux autres domaines de la production et des services, les méthodes d’apprentissage automatique et les réseaux neuronaux artificiels sont de plus en plus utilisés. Selon l’application, il devient essentiel de comprendre comment ils fonctionnent précisément et pourquoi ils aboutissent à un résultat donné. Ils doivent devenir explicables. En raison de leur complexité, cela n’est souvent pas encore possible. « Plus un réseau neuronal est performant, plus il est difficile à comprendre », explique le Prof. Marco Huber, qui dirige au Fraunhofer IPA le Centre pour l’intelligence cyber-cognitive (CCI) et le département Traitement d’image et de signal.

À l’Automatica, le Fraunhofer IPA présente donc sous le slogan »Explainable AI« (xAI) des méthodes qui visualisent les décisions des réseaux neuronaux et les rendent transparentes et compréhensibles pour l’utilisateur. « Cette traçabilité renforce l’acceptation de l’IA, crée de la confiance, améliore le fonctionnement correct et assure la sécurité juridique », explique Huber.

Dans chaque production, des données sont générées, mais en raison de la diversité des formats et des interfaces, il est souvent difficile de les exploiter et de les analyser. Le logiciel »StationConnector« s’attaque précisément à ce problème, en offrant une interface unifiée pour toutes les installations. Il peut ainsi transmettre facilement et de manière spécifique aux applications des données entre protocoles industriels, commandes et systèmes informatiques variés. « Avec notre logiciel, les utilisateurs peuvent rapidement générer et mettre en œuvre des modèles commerciaux basés sur les données », explique Marcus Defranceski, chef de groupe Automatisation spécifique à la pureté. L’exposition sur le stand montre à quel point le logiciel est simple et flexible à utiliser, et comment il peut être exploité pour diverses applications, comme l’IA ou la surveillance.

Rendre les productions plus efficaces et soulager les travailleurs

Un démonstrateur d’optimisation de la production autonome montre comment détecter automatiquement les pertes dans la production et en déterminer les causes. Il modélise une ligne de fabrication automatisée. Celle-ci est observée à la fois via la commande et par des capteurs externes tels que des barrières lumineuses ou des caméras. Toutes les sources d’observation sont utilisées pour créer un modèle comportemental de la ligne. Cela permet d’analyser en continu la ligne en ligne, de détecter le comportement normal et, sur cette base, d’identifier les pertes de production. « Nous souhaitons augmenter l’efficacité de l’ensemble de l’installation et rendre transparents les paramètres clés du processus », explique Julian Maier, chercheur au Fraunhofer IPA et co-développeur du démonstrateur.

La flexibilité de la main-d’œuvre humaine dans la production reste, malgré de nombreuses possibilités d’automatisation, irremplaçable à de nombreux endroits, et il est essentiel de préserver cette capacité au mieux. Les exosquelettes, c’est-à-dire des systèmes robotiques portés directement sur le corps, offrent un soutien en force lors d’activités exigeantes et soulagent l’humain. Au Fraunhofer IPA, il existe le Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), un exosquelette destiné à la recherche et au développement. Le SEJ soutient activement les membres supérieurs lors de tâches de levage ou au-dessus de la tête. La version actuelle sur le stand, le Stuttgart Exo-Jacket 2, vise principalement des applications dans la logistique, où des travailleurs manipulent manuellement des objets tels que pneus, caisses ou valises à deux mains, entre le genou et l’épaule.

« Le concept central du système est que les utilisateurs peuvent continuer à bien bouger leurs mains et ainsi exploiter au maximum leurs capacités de manipulation », décrit Christophe Maufroy, chef du groupe Systèmes d’assistance physique et capteurs intelligents au Fraunhofer IPA, la particularité du SEJ. De plus, l’exposition concerne des analyses ergonomiques mesurables et leur optimisation au poste de travail.

Découvrir et utiliser l’initiative IA

Enfin, le stand du Fraunhofer IPA informe également sur une initiative dans le contexte de l’intelligence artificielle. Les expositions »pitasc« et »AI Picking« font partie de l’initiative »Robotique cognitive« soutenue par le Land de Bade-Wurtemberg. Son objectif est de faire progresser les technologies robotiques innovantes et de mettre en œuvre des capacités telles que la perception, l’apprentissage, la prévision et l’adaptation dans des applications. La robotique cognitive offre ainsi des solutions permettant de relever les défis de la production de demain – suscités par de grands enjeux sociétaux. En intégrant des partenaires industriels, un réseau est créé et le transfert de technologie est assuré.