A virtuális világ meghódítja a gyártást

Az adatokból, amelyeket a felhőalapú navigáció során a mobil robotok és szenzorok gyűjtenek össze, valós idejű anyagáramlások szimulálhatók – soha nem volt ilyen valósághű. (Forrás: Stuttgarti Egyetem IFF/Fraunhofer IPA, Fotó: 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)

A gépi tanulás segítségével a dobozba fogás egyre tovább finomodik. A „DeepGrasping” kutatási projektben jelenleg egy virtuális tanulási környezet jön létre robotok számára. (Forrás: Fraunhofer IPA, Fotó: Rainer Bez)

A drag&bot szoftver kész programmodulokat biztosít, amelyeket egy grafikus felhasználói felületen keresztül gyorsan és intuitívan össze lehet állítani összetett robotalkalmazások létrehozásához. (Fotó: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

A újrahasznosítható szoftver-infrastruktúrának köszönhetően a „Robot Operating System” (ROS) operációs rendszer megkönnyíti az ipari robotok szoftverfejlesztését, amelyek összetett feladatokat hajtanak végre. (Forrás: Fraunhofer IPA) / Thanks to a reusable software infrastructure – the operating system “Robot Operating System” (ROS) – it is now much easier to compile software for industrial robots performing complex tasks. (Photo: Fraunhofer IPA)

A vezető nélküli szállítórendszereknek alá kell helyezkedniük a rakományoknak, hogy felvehessék azokat. Ezért lehetőség szerint a lehető leglaposabbaknak kell lenniük. Az újonnan tervezett omnidirekcionális hajtómű modul ezért nagyon keskeny a kerék felett. (Forrás: Fraunhofer IPA) / Az automatizált irányított járműveknek alá kell helyezkedniük a rakományoknak, hogy felvehessék azokat. Ezért a lehető leglaposabbnak kell lenniük. Az új omnidirekcionális hajtómű modul szerkezete a kerék felett ezért nagyon vékony. (Fotó: Fraunhofer IPA)

Az orcákban és a vállakban a szakértők meghajtómódulokat integráltak, amelyek nagy nyomatékú mozgásokat támogatnak. (Forrás: Fraunhofer IPA, Fotó: Rainer Bez) / A szakértők meghajtómódulokat integráltak az könyökökben és a vállakban, hogy támogassák a nagy nyomatékú mozgásokat. (Fotó: Fraunhofer IPA)

- Valós idejű adatok rögzítése a »Smart Factory«-ben
- Augmented Reality hatékony alkalmazása a folyamattervezésben
- Mesterséges intelligencia használata a robotprogramozásban
- Koncepciók ergonomikus munkavégzéshez a gyártási környezetben

Az ipar 4.0-t már két évvel ezelőtti Automatica kiállításon is Prof. Thomas Bauernhansl, az IPA-intézet vezetője az egyik leggyorsabban fejlődő folyamatként említette. Meggyőződése: »Aki ma nem foglalkozik vele, holnap valószínűleg bánni fogja.« A jó hír: ezen állítás nem változott. Az azonban változott, hogy a vállalatok egyre tudatosabban foglalkoznak a digitalizáció kérdésével, és – akár sprint, akár maraton formájában – stratégiákat dolgoznak ki, és intézkedéseket határoznak meg, majd valósítanak meg.

A Fraunhofer IPA kiállítási standján, a Halle A4, 421-es standján, a négy pillért – gyártás, termék, IT és ember – sokféle módon élhetik meg a digitalizált ipari világ összképében: A látogatók több, a felhővel intelligensen összekapcsolt kiállítási tárgy segítségével megérthetik, hogy a stuttgarti kutatóintézet milyen megoldásokat kínál különböző szakaszokra az ipari értékláncban.

Anyagáramlás szimulációk valósághűen, mint még soha

Egy saját bemutatóterület a robot navigációjának van fenntartva. Ott Kai Pfeiffer és kollégái mobil robotokat mutatnak be, amelyek a felhőn keresztül hálózatba vannak kötve. Kooperatív módon térképezik fel környezetüket, és a gyártás virtuális másolata (Digitális Árnyék) segítségével tervezik útvonalaikat. »A spontán akadályokat a megadott biztonsági távolság betartásával kerülgetik, anélkül, hogy torlódás vagy ütközés alakulna ki«, magyarázza Pfeiffer.

Az, hogy a felhőalapú navigáció milyen további előnyöket kínál a modern ipar 4.0-architektúrák számára, csak azok látják meg, akik augmented reality szemüveget viselnek: Azonnal világossá válik, hogy a bemutatóterület jóval nagyobb. Virtuális robotok is közlekednek a kiállítási stand szomszédos területein, és elkerülik a standlátogatókat, akik keresztezik útjukat anélkül, hogy észrevennék. Ennek a demo célja: A felhő navigációval összegyűjtött adatok segítségével valós idejű anyagáramlás szimulálható, ami sokkal közelebb áll a valósághoz, mint eddig valaha. Idő- és költségigényes gyakorlati tesztek robotrendszerekkel már nem szükségesek.

Gépi tanulás: A gyakorlás teszi a mestert

A gépi kezelési technológia egyre hatékonyabbá válik. Felix Spenrath és csapata folyamatosan fejleszti az IPA által ismert bp3™ szoftvert, amely a sikeres kézbe fogás alapja. »Fejlettebb algoritmusoknak és új érzékelőtechnológiának köszönhetően az ipari robotok most már felismerik és megfogják az egyszerű, rendezetlenül tárolt fémlemezeket«, mondja Spenrath. A modern 3D érzékelők által szolgáltatott információk így optimálisan kihasználhatók. Az új, intuitív felhasználói felület annyira megkönnyíti és felgyorsítja a programozást, hogy a kezelőegység beruházási költségei már két év alatt megtérülnek. A standon egy kétkaros demonstrátor szemlélteti a legújabb fejlesztéseket.

A gépi tanulás segítségével folyamatosan finomítják az el nem rendezett alkatrészek felismerését és szétválasztását. A »DeepGrasping« kutatási projektben jelenleg egy virtuális tanulási környezet jön létre. Ebben a robotok már működésbe lépésük előtt gyakorolják a különböző fogási folyamatokat az alkatrészeken, amelyekkel később a működés során dolgozni fognak. A neurális hálózatok ezekből a szimulált fogásokból tanulnak, és folyamatosan fejlesztik folyamatismeretüket – a mottó szerint: »Gyakorlat teszi a mestert«. A standon bemutatót tartanak a DeepGrasping projektről, és ismertetik az első eredményeket.

Szoftver drag&bot: Egyszerűbbé teszi a robotprogramozást

A kis- és középvállalkozásokban eddig ritkán alkalmazott robotok programozása. Ennek oka: a gyártók saját programozási nyelvei olyan összetettek, hogy külső szakemberekre van szükség a robotok új feladatokra való betanításához. »Az intuitív okostelefonok és tabletek korában az ilyen idő- és költségigényes robotprogramozás már nem haladja meg a fejlődést«, véli Martin Naumann.

A Fraunhofer IPA kutatója ezért kollégáival kifejlesztette a drag&bot szoftvert, amely minimálisra csökkenti a programozási erőfeszítést. A lényege: a drag&bot kész programozási egységeket kínál, amelyeket egy grafikus kezelőfelületen gyorsan és intuitívan összefűzhetünk összetett robotalkalmazásokká. Emellett a kezelési és beviteli segédletek megkönnyítik és felgyorsítják a paraméterezést. Így már nem szükséges szakértői tudás a különböző gyártók robotjainak újraprogramozásához. Naumann bemutatja, milyen könnyen kezelhető a drag&bot egy robotcellában az Automatica 2018-on. Minden érdeklődő standlátogató néhány kattintással saját kezelési vagy összeszerelési alkalmazásokat programozhat.

ROS-Industrial: Nyílt forráskódú szoftver ipari minőségben

A újrahasznosítható szoftver-infrastruktúrának köszönhetően a »Robot Operating System« (ROS) operációs rendszer megkönnyíti a szoftverfejlesztést mind robotok, mind összetett feladatokat végző robotrendszerek számára. »De a szabványosított interfészek is jelentősen egyszerűsítik a dolgokat. A ROS ugyanis közös alapot teremt a robotikának – akárcsak a Linux a számítógépeknél vagy az Android az okostelefonoknál«, magyarázza Mirko Bordignon. A végfelhasználók és rendszerintegrátorok nem kell újra és újra fejlesszék a komplex funkciókat, mert ezeket az open-source szoftver, a ROS biztosítja – különösen a mobil navigáció, a fogási és mozgástervezés, a szimuláció, valamint a kép- és érzékelőfeldolgozás területein.

És: a ROS pénzt takarít meg. Egyre több fejlett szoftverkomponens érhető el ingyenesen, amelyek már megfelelnek az ipar minőségi követelményeinek. Mások a fejlesztőket nagyobb »könyvtárakba« (libraries) szervezik, amelyekbe sok különböző kutatási és ipari projekt tapasztalatait gyűjtötték össze. A ROS-Industrial egy olyan kezdeményezés, amelyet Európában a Fraunhofer IPA irányít, és a ROS technológia átültetését az ipari környezetbe támogatja. A standon egy demonstrátor mutatja be a hardvert, amely érzékelés-alapú feladatokat végez – mindet ROS programozással.

Mobil platformok: Kompakt és mozgékony, kormányzott szabványkerekekkel

A padlómenti mobil robotok és önjáró szállítójárművek omnidirekcionálisan navigálnak, megbízhatóan kerülnek el szűk helyeket, és elkerülik az időigényes manőverezést. Azonban az ilyen robotok általában mechanikus vagy mindenoldali kerekekkel vannak felszerelve, és a csúszás, az odometria és a laza talaj, lépcsők, küszöbök áthidalásának képessége tekintetében jelentős hátrányokat mutatnak. Az IPA ezért régóta alkalmaz kormányzott szabványkerekes meghajtómoduleket, és a legújabb, harmadik generációt mutatja be a mostani Automatica kiállításon.

»Mivel a vezető nélküli szállítórendszereknek terheléseket kell alávetniük és felvenniük, ezeknek lehetőleg laposnak kell lenniük«, hangsúlyozza Theo Jacobs, aki az új meghajtómodult tervezte. Ez nagyon kis helyet foglal el a kerék felett, ugyanakkor teljes rugózással van ellátva. Két párhuzamos kerék segítségével magas a teljesítmény sűrűség: szükség esetén a teljes motorerő rendelkezésre áll a haladáshoz. A két kerék különböző irányításával a modul elfordulását lehet elérni – egy további kormánymű nem szükséges. A kiállításon Jacobs bemutatja az új meghajtómodulek legújabb verzióját egy tesztállomáson, amely lehetővé teszi tartóssági tesztek végrehajtását különböző talajokon és egyenetlenségeken.

Autonóm optimalizálás összetett gyártási rendszerekben, darabgyártásban

Költséges gyártási rendszerek esetén a vállalatoknak folyamatosan a maximális termelékenységet kell elérniük. Ellenkező esetben árnyomás és finanszírozási problémák léphetnek fel. Sok gyártási rendszer azonban számos állomást foglal magában, és olyan gyors, hogy a hibák okai szabad szemmel már nem láthatók. Itt nyújt innovatív és már működőképes megoldást Felix Müller és csapata »Smart System Optimization« nevű elemzőeszköze. Ez az elemzőeszköz felismeri a hibákat összekapcsolt gyártási rendszerekben, és automatikusan, valós idejű módon mutatja azok okait és terjedését.

A kulcstechnológia a tanuló algoritmusok, amelyeket kifejezetten gyors ciklusú darabgyártási vonalak elemzésére fejlesztettek ki. Az adatok „belső” gyűjtéséhez egy magas teljesítményű csatlakozó kerül alkalmazásra, amely hozzáfér a gépvezérlő adataihoz. Emellett intelligens kamerák „külső” módon rögzítik a releváns folyamatjellemzőket. Így folyamatos adatbázis jön létre, amely időben szinkronban kerül az elemzőeszközhöz. Ez az eszköz a beépített algoritmusok segítségével következtetéseket von le, és az információkat a kívánt formában dolgozza fel. A szoftver megmutatja, hogyan kapcsolódnak egymáshoz a hibák, és képes priorizálni azokat. Továbbá alkalmas automatizált gépértékelésre is. Így lehetőség nyílik
az összes gép maximális szintre fejlesztésére a gépparkban. Valós példák a gyógyszer-, fogyasztási cikk- és autóipari gyártásban már akár 15%-os termelékenységnövekedést eredményeztek.

Az „E-Bike a felöltöztetéshez”: az egészség megőrzése

Az IPA kutatói hozzájárulnak a munkavállalók fizikai terhelésének csökkentéséhez a gyártásban. Ezt jól mutatja a Stuttgart-Exo-Jacket, egy felsőtest exoszkelt, amely a viselőjét extra erővel látja el anélkül, hogy korlátozná. Az ujjakon és vállakon integráltak hajtóműveket, amelyek magas nyomatékkal támogatják a mozgásokat. A nyomásérzékelők által vezérelt impedancia szabályozás biztosítja az exoszkelet egyenletes mozgását. A vállrészen öt forgáspontú kötést találunk, amely követi a vállízületet minden helyzetben. Ez a kötés mindig ott van, ahol a váll éppen van. Így lehetővé válik összetett mozgások végrehajtása három irányban: felfelé, hátra és befelé. Még a felettéti szereléseket is el lehet végezni.

Mivel a modulok csak akkor aktiválódnak, amikor valóban szükség van rájuk, további energia takarítható meg. A tudósok középtávon olyan modulkészletet kívánnak kifejleszteni, amely különböző alkalmazási területeken használható. Ehhez egy mozgásadatokra alapozott fejlesztési és szimulációs munkafolyamatot alakítanak ki. Egy részletes izom- és vázmodell segítségével kiszámíthatók a tehermentesítések. A vállalkozások a tevékenységük szerint személyre szabott megoldásokat állíthatnak össze.

„Virtual Fort Knox”: nem egyedül, de egyedülálló

A Fraunhofer IPA 2012 óta dolgozik együtt kis- és középvállalatokkal a Virtual Fort Knox (VFK) nyílt platformon, amely IT-szolgáltatások nyújtására készült gyártó cégek számára. 2017 közepe óta a VFK kutatási platformot hat további Fraunhofer intézetben is bevezették, mint elosztott hibrid platformot. Ez a platform a gyártás innovatív szolgáltatásainak fejlesztését segíti, és az ipar számára nyitott, valós idejű operációs rendszer alapját képezi. Joachim Seidelmann, a Fraunhofer IPA DigiTools vezetője így fogalmaz: »Célunk az ipar 4.0 koncepciók megvalósítása, amelyekkel a felhasználók növelhetik hatékonyságukat a gyártásban.«

A kiállításon a VFK összekapcsolódik a Festo CP Labbal – egy mini szalagrendszerrel, amely többféle vezérlési lehetőséggel rendelkezik. Daniel Stock csoportvezető így nyilatkozik: »Megmutatjuk, hogyan lehet egyszerűen és rugalmasan hálózatba kötni az üzemeket, és – például a jövőben a 5G technológia megjelenésével – nemcsak a valós idejű adat-fúziót, hanem a felhőből történő irányítást is, hogy a felhasználók számára teljesen új lehetőségeket kínáljunk.«