Ütemadó a digitális gyártási korszakban

Az autonóm módon navigáló mobil robotok kulcsfontosságú elemei a rugalmas gyártásnak és logisztikai alkalmazásoknak. (© Fraunhofer IPA/Stuttgarti Egyetem IFF Kép: Rainer Bez) / Autonóm módon navigáló mobil robotok a rugalmas gyártás és logisztikai alkalmazások kulcsfontosságú elemei. (© Fraunhofer IPA/Stuttgarti Egyetem IFF Kép: Rainer Bez)

A pitasc szoftverrel olyan összeszerelési alkalmazásokat lehet gazdaságosan hatékonyan automatizálni, mint például a részegységek rögzítése vagy egymásba illesztése. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez) / A pitasc szoftverrel az összeszerelési alkalmazások, például a csattintással történő rögzítés vagy behelyezés gazdaságosan automatizálhatóak. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez)

Az újonnan szabadalmaztatott 2ndSCIN® védőburkolat bármilyen mozgó automatizálási alkatrész tisztatéri kompatibilitását biztosítja. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez)

CAPE® egy sátorszerű tisztatér rendszer, amely költséghatékony, gyors és rugalmas tisztatér környezetet biztosít. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez) / CAPE® egy sátorszerű tisztatér rendszer, amely költséghatékony, gyors és rugalmas tisztatér környezetet biztosít. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez)

Különböző módszerek, amelyeket a Fraunhofer IPA fejlesztett ki, segítenek a gépi tanulási folyamatok, például az itt bemutatott neurális hálózat magyarázatában és működésének megértésében. (© 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)

A szenzoradatok és azok elemzése segítségével automatikusan felismerhetők a termelési vonalakban lévő hatékonysághiányok vagy veszteségek. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez) / A szenzoradatok és azok elemzése segítségével automatikusan felismerhetők a termelési vonalakban lévő hatékonysághiányok vagy veszteségek. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez)

A Stuttgart Exo-Jacket aktívan támogatja a felsőtestet a kézi kezelési feladatok során, különösen emelés és feletti tevékenységek közben. (© Fraunhofer IPA/Kép: 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)

A „Kognitív Robotika” kezdeményezés keretében például a gépi tanulási technológiákat a dobozba való fogás alkalmazására fejlesztik tovább. (© Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez)

Autonóm, intelligens, rein: a mobil és önállóan tanuló robotoktól a modern legújabb tisztasági technológiákon át a gépi tanulás magyarázhatóságára szolgáló módszerekig, szoftvereszközöktől a gyártásig egészen a Stuttgart Exo-Jacket-ig – a Fraunhofer IPA decemberben az Automatica kiállításon számos alkalmazást és szolgáltatást mutat be az automatizált gyártáshoz. Első betekintést már a Virtual IPA Preview nyújt június 18-án, 2020.

„Új ötletek a holnapi automatizációhoz” ígéri az Automatica, az intelligens automatizáció és robotika vezető vására. A Fraunhofer IPA Stuttgartból is ezt az elvet vallja, és – számos más helyszín mellett – 240 négyzetméteren mutatja be, hogy ma már mit lehet megvalósítani, és merre tart a jövő shopfloorja.

Kooperatív és hálózatba kötött navigációs megoldások

Egy magasított kiállítási területen kompakt mobil „rob@work” robotok közlekednek. Autonóm módon navigálnak, egymással hálózatba kötve működnek, és egy mini logisztikai szcenáriót mutatnak be. A folyamatos SLAM algoritmusnak köszönhetően a robotok megbízhatóan helyezkednek el változó környezetben is, anélkül, hogy extra infrastruktúrára lenne szükség. Emellett adatokat cserélnek saját vagy állandóan beépített szenzorok által gyűjtött adatokkal. Így minden robot mindig rendelkezik egy aktuális térképpel, amely alapján útvonalát módosíthatja és helyzetét meghatározhatja. Ez elkerüli a felesleges utakat, a torlódásokat és a leállásokat.

„Ezzel a kooperatív navigációs megoldással bemutatjuk, hogyan teszik lehetővé például a vezető nélküli szállítórendszerek a mátrixgyártást” – magyarázza Kai Pfeiffer, az ipari és kereskedelmi szolgáltató robotok csoportvezetője a Fraunhofer IPA-nál. „Az exponátumot virtuális robotokkal is bővíthetjük, és kiterjesztett valósággal vizualizálhatjuk az útvonalakat és más információkat” – egészíti ki. Ez megkönnyíti és felgyorsítja az üzembe helyezést, karbantartást vagy a flották bővítését. A modern logisztikai folyamatok szükséges agilitását a szoftver már többször sikeresen bizonyította ipari alkalmazásokban.

Automatizált összeszerelés és autonóm fogás

Sok vállalat foglalkozik azzal a kérdéssel, hogy mennyiben lehet automatizálni az összeszerelési feladatokat. Már évek óta kínálja a Fraunhofer IPA az automatizálási potenciál-elemzést (APA) erre a célra. Eddig az APA a szakértői tudásra volt kötve. Most egy új alkalmazás könnyebben hozzáférhetővé teszi ezt a tudást. A felhasználót végigvezeti saját összeszerelési folyamata elemzésében, értékeli a válaszokat, és tájékoztat az automatizálási lehetőségekről. „Az alkalmazásunkkal bárki szakértővé válhat az összeszerelési folyamatok értékelésében” – mondja Alexander Neb, a Fraunhofer IPA tudományos munkatársa, aki az alkalmazás fejlesztésében is részt vett. Egyszerű licenc szerződéssel próbára is szerezhető.

Egy másik szoftver az összeszerelés automatizálására a NeuroCAD. Ez gépi tanulási módszerek segítségével elemzi az alkatrészek tulajdonságait, és ebből becslést ad arra, mennyire alkalmas egy alkatrész az összeszerelés automatizálására. A felhasználók ingyenesen tölthetik fel STEP-fájljaikat a www.neurocad.de oldalon, és néhány másodperc alatt megtudhatják, mennyire könnyű vagy nehéz az alkatrész egyedi kezelése. Emellett a tool értékeli a fogási felületeket és az alkatrész igazíthatóságát. A neuronális hálózat továbbá megadja annak valószínűségét, hogy eredménye helyes.

Végül a pitasc rendszerépítő készlet bemutatja, hogyan lehet manuálisan végrehajtott folyamatokat gazdaságosan automatizálni. „Eddig minden alkalmazáshoz külön kellett programozni a robotrendszert. Az általunk fejlesztett szoftverrel egyszer modellált feladatok gyorsan átültethetők új termékváltozatokra, termékekre és akár más gyártók robotjaira” – mondja Frank Nägele, a robotprogramozás és -szabályozás csoportvezetője a Fraunhofer IPA-nál. A szoftver hasonló egy építőkocka rendszerhez: sok kész, újrahasználható programrészletet tartalmaz, amelyek egyedileg összeállíthatók egy robotrendszer beállításához. A pitasc készen áll pilot alkalmazásokra, amelyeket a kutatók szívesen valósítanak meg együtt a vállalatokkal.

Nemcsak az összeszerelés, hanem a „kézbe fogás” alkalmazása is néha kihívást jelent az automatizálás számára. Az „AI Picking” kiállítási példával a Fraunhofer IPA bemutatja, hogyan javítják a gépi tanulási módszerek és szimulációk az autonómiát és a teljesítőképességet.

A kutatók egy robot példáján keresztül mutatják be, hogyan fog meg egy tárgyat egy dobozból, amelynek helyzete nem meghatározott. Egy mesterséges intelligencián (MI) alapuló objektumhelyzet-becslés biztosítja a robusztus és pontos helyzetmeghatározást néhány milliszekundum alatt. „Az új tárgyakat gyorsan és egyszerűen megtanulhatjuk CAD-modell alapján” – magyarázza Felix Spenrath projektvezető. „A szoftver képes felismerni és megoldani a fennakadásokat, és robusztusan bánik a csomagolóanyagokkal is.” A robotot már szimulációban alaposan kiképezték, és ezt a tudást átültették a valós alkalmazásba. A fogási pozíciókat automatikusan generálják és értékelik ezen ismeretek alapján.

Szennyezésmentes gyártás védőburkolattal és tisztatéri sátorral

Nemcsak egy autonómabb, hanem egy ultratiszta gyártás is egyre keresettebb. „A tiszta gyártási környezetek lehetővé teszik a jövő high-tech-jének megvalósítását” – mondja Udo Gommel, a tiszta- és mikrogyártás osztályvezetője a Fraunhofer IPA-nál. „A holnap kulcstechnológiái csak tisztaságtechnika alkalmazásával haladnak előre. Ez döntő fontosságú: az akkumulátorgyártástól a biotechnológiáig.”

Védőburkolat 2ndSCIN®: A frissen szabadalmaztatott 2ndSCIN® dinamikus automatizálási komponenseket tesz alkalmassá, például robotokat az ultratiszta gyártáshoz. A burkolat áteresztő, mozgékony, több rétegből álló textil, amely az emberi bőrt mintázza. Az alkalmazástól függően két vagy több réteg helyezkedhet egymásra. A rétegeket távtartók választják el egymástól. Minden köztes térben például levegő szívható be vagy vezérelhető ki. Így eltávolíthatók a környezetből vagy az automatizálási komponensekről származó részecskék. A gázok bevezetése a rendszer köztes tereibe lehetővé teszi a sterilizálást. Emellett a burkolat kb. egy óra alatt cserélhető, és dekontamináció után újra felhasználható. A textilrétegeket szenzorok is ellátják, amelyek folyamatosan mérik a részecskemennyiséget, nyomást vagy nedvességet. A jövőben ezeket az adatokat MI algoritmusok értékelik, például előrejelző karbantartást lehetővé téve. „A 2ndSCIN® rendkívül változatos felépítésű, így egyedi igények szerint is megvalósítható” – magyarázza Gommel. „Így sok olyan követelményt elégítünk ki, amelyek eddig nem voltak kielégítve a tisztatéri védőburkolatok terén.”

Mobil tisztatér CAPE®: A Fraunhofer IPA tudósai egy mobil, sátorszerű tisztatér rendszert fejlesztettek ki, amely kevesebb mint egy óra alatt felállítható beltéri és kültéri, időjárásálló helyeken egyaránt. Ezzel a „Tisztatér igény szerint” rendszerrel a gyártók mobil, szennyeződésmentes gyártási környezetet kapnak, amely ISO 1-től 9-es osztályig biztosít levegőtisztaságot. Ez különösen vonzó azoknak a gyártóknak, akik szennyeződésmentes gyártást igényelnek, de nem tartanak fenn folyamatos steril és tiszta környezetet. A CAPE® például a chipgyártásban, az orvostechnológiában, az élelmiszeriparban vagy a műhold-összeszerelésben lehet hasznos. Az autóipar is profitál a tisztatéri sátorból, például akkumulátorgyártásban vagy üzemanyagcellák gyártásában. „A CAPE® még válságövezetekben is alkalmazható, például egy tiszta és steril környezet biztosítására, ha helyben nincs műtő” – mondja Gommel.

Fraunhofer Tested Device®: Már évek óta kínál a Fraunhofer IPA részecskemérésre szolgáló eljárásokat, és tanúsítványt ad ki „Tested Device®” néven ellenőrzött tárgyaknak. A fent említett CAPE® rendszerben ezt az eljárást optikai részecskeszámlálóval és vizsgált tárggyal demonstrálják. A vállalatok a termék- és ügyfélspecifikus vizsgálati jelentéssel megerősítést kapnak berendezéseik, eszközeik vagy fogyóanyaguk tisztaságáról és tisztatéri alkalmasságáról.

Gépi tanulás magyarázása és adatok közvetítése

A robotikában, valamint számos más gyártási és szolgáltatási alkalmazásban egyre inkább alkalmaznak gépi tanulási módszereket és mesterséges ideghálókat. Az alkalmazástól függően egyre fontosabbá válik, hogy megértsük, hogyan működnek pontosan, és miért hoznak egy adott eredményt. Ezeket magyarázhatónak kell tenni. Ez eddig sokszor nem volt lehetséges a bonyolultságuk miatt. „Minél erősebb egy idegháló, annál nehezebb megérteni” – mondja Prof. Marco Huber, a Fraunhofer IPA Cyber Cognitive Intelligence (CCI) központját és a Kép- és jelfeldolgozó osztályt vezető szakértő.

A Automatica kiállításon a Fraunhofer IPA ezért az „Explainable AI” (xAI) mottóval olyan eljárásokat mutat be, amelyek vizualizálják a neurális hálók döntéseit, és átláthatóvá, érthetővé teszik azokat a felhasználó számára. „Ez a következetesség növeli a MI elfogadottságát, bizalmat teremt, javítja a helyes működést, és jogbiztonságot ad” – magyarázza Huber.

Minden gyártás során keletkeznek adatok, de a különböző formátumok és interfészek miatt gyakran nem lehet ezeket kihasználni és értékelni. A „StationConnector” szoftver pontosan ebben nyújt megoldást, egységes interfészt kínálva minden berendezés között. Így az adatok egyszerűen és alkalmazás-specifikusan közvetíthetők ipari protokollok, vezérlőegységek és bármilyen IT-rendszer között. „Szoftverünkkel a felhasználók gyorsan generálhatnak és valósíthatnak meg adat-alapú üzleti modelleket” – mondja Marcus Defranceski, a tisztaság-specifikus automatizálási rendszerek csoportvezetője. A kiállítási példán bemutatjuk, milyen könnyen és rugalmasan használható a szoftver, és különböző alkalmazásokhoz, például MI-eljárásokhoz vagy monitorozáshoz is alkalmas.

Hatékonyabb gyártás és a dolgozók tehermentesítése

Hogyan lehet automatikusan felismerni a gyártási veszteségeket és azok okait, azt egy autonóm gyártásoptimalizáló demonstrátor mutatja be. Ez egy gyártósor automatizált modelljét ábrázolja. A gyártósort a vezérlés és külső szenzorok, például fénykapuk vagy kamerák figyelik. Minden megfigyelési forrást felhasználva egy viselkedési modellt hoz létre, amely lehetővé teszi a folyamat folyamatos online elemzését, a normál viselkedés rögzítését és ennek alapján a gyártási veszteségek azonosítását. „Célunk, hogy növeljük az egész berendezés hatékonyságát, és átláthatóvá tegyük a főbb folyamatparamétereket” – mondja Julian Maier, a Fraunhofer IPA kutatója és a demonstrátor társtervezője.

A humán munkaerő a gyártásban még mindig pótolhatatlan, és fontos, hogy ezt a lehető legjobban megőrizzük. Az exoszkelett rendszerek, vagyis a közvetlenül a testre viselt robotok, erőtámogatást nyújtanak nehéz feladatoknál, és tehermentesítik az embert. A Fraunhofer IPA-nál a Stuttgart Exo-Jacket (SEJ) exoszkelettet fejlesztették ki kutatási és fejlesztési célokra. Az SEJ aktívan támogatja a felső végtagokat emelésnél és fej fölötti munkáknál. A kiállítási rendszer, a Stuttgart Exo-Jacket 2, elsősorban logisztikai alkalmazásokra készült, ahol a dolgozók két kézzel kézi munkát végeznek, például gumiabroncsokat, dobozokat vagy bőröndöket kezelve térd- és vállmagasság között.

„A rendszer alapötlete, hogy a felhasználók továbbra is kiválóan mozgatják a kezüket, így optimálisan kihasználhatják kezelési képességeiket” – írja Christophe Maufroy, a fizikai segítő rendszerek és okos szenzorok csoportvezetője a Fraunhofer IPA-nál, aki a SEJ különlegességét ismerteti. Emellett a kiállítási anyag ergonomikus munkahely-elemzéseket és -optimalizálásokat is tartalmaz.

AI kezdeményezés megismerése és alkalmazása

A kiállítási stand nemcsak az MI-vel kapcsolatos kezdeményezésekről tájékoztat, hanem a „kognitív robotika” program részeként bemutatja az „pitasc” és az „AI Picking” kiállítási tárgyakat, amelyeket Baden-Württemberg tartomány támogat. Céljuk, hogy tovább fejlesszék az innovatív robottechnológiákat, és olyan képességeket, mint a percepció, tanulás, előrejelzés és alkalmazkodás, alkalmazásokat hozzanak létre. A kognitív robotika olyan megoldásokat kínál, amelyek segítségével a jövő gyártási kihívásait – a társadalmi nagy trendek által kiváltva – meg lehet oldani. Az ipari partnerek bevonásával hálózat jön létre, és biztosított a technológia transzfer.