Il mondo virtuale conquista la produzione

Dai dati raccolti dalla navigazione cloud dei robot mobili e dei sensori, è possibile simulare i flussi di materiale in tempo reale – in modo più realistico che mai. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Grazie all'apprendimento automatico, la presa nella scatola viene continuamente perfezionata. Nel progetto di ricerca «DeepGrasping», viene attualmente creata un ambiente di apprendimento virtuale per robot. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Il software drag&bot fornisce moduli di programmazione completi, che possono essere assemblati rapidamente e in modo intuitivo tramite un'interfaccia utente grafica per creare applicazioni robotiche complesse. (Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Grazie a un'infrastruttura software riutilizzabile – il sistema operativo “Robot Operating System” (ROS) – ora è molto più facile compilare software per robot industriali che eseguono compiti complessi. (Foto: Fraunhofer IPA)

I sistemi di trasporto senza conducente devono passare sotto i carichi per poterli sollevare. Per questo motivo, dovrebbero essere il più possibile piatti. Il nuovo modulo di alimentazione omnidirezionale, quindi, si limita a uno spazio molto ridotto sopra la ruota. (Fonte: Fraunhofer IPA) / I veicoli a guida automatizzata devono posizionarsi sotto i carichi per poterli prelevare. Per questo motivo, devono essere il più possibile piatti. La struttura del nuovo modulo di alimentazione omnidirezionale sopra le ruote è quindi molto sottile. (Foto: Fraunhofer IPA)

Gli esperti hanno integrato moduli di azionamento ai gomiti e alle spalle per supportare movimenti ad alta coppia. (Fonte: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez) / Gli esperti hanno integrato moduli di azionamento ai gomiti e alle spalle per supportare movimenti ad alta coppia. (Foto: Fraunhofer IPA)

- Rilevare i dati in tempo reale nella »Smart Factory«
- Utilizzare in modo efficace la Realtà Aumentata per la pianificazione dei processi
- Sfruttare l'intelligenza artificiale per la programmazione dei robot
- Offrire concetti per un lavoro ergonomico nell'ambiente di produzione

Già alla recente Automatica di due anni fa, il direttore dell'istituto IPA, Prof. Thomas Bauernhansl, ha definito l'Industria 4.0 come un processo di sviluppo che avviene in modo rapidissimo. È convinto: «Chi non si occupa di questo oggi, probabilmente si pentirà amaramente domani». La buona notizia è: nulla è cambiato in questa affermazione. Ciò che invece è cambiato, è la consapevolezza delle aziende di affrontare il tema della digitalizzazione e – sotto forma di sprint o maratone – di sviluppare strategie e definire e attuare misure.

Allo stand del Fraunhofer IPA nella Hall A4, Stand 421, i quattro pilastri dell'Industria 4.0 – produzione, prodotto, IT e uomo – saranno resi vividamente percepibili nel contesto complessivo di un mondo industriale digitalizzato: i visitatori potranno, grazie a diversi espositori che interagiscono intelligentemente tramite il cloud, comprendere quali soluzioni offre il centro di ricerca di Stoccarda per varie fasi della catena del valore industriale.

Simulazioni di flusso di materiali così realistiche come mai prima d'ora

Un'area dimostrativa dedicata alla navigazione dei robot. Qui, Kai Pfeiffer e i suoi colleghi mostrano robot mobili collegati tra loro tramite il cloud. Essi mappano cooperativamente l'ambiente e pianificano i percorsi con l'aiuto dell'immagine virtuale della produzione (Ombra Digitale). «Superano ostacoli improvvisi mantenendo la distanza di sicurezza prevista, senza creare ingorghi o collisioni», spiega Pfeiffer.

Quali vantaggi offre in più la navigazione cloud alle architetture moderne dell'Industria 4.0? Solo chi indossa un visore di Realtà Aumentata può rendersene conto immediatamente: diventa chiaro che l'area dimostrativa reale è molto più grande. Robot virtuali si muovono anche nelle aree adiacenti dello stand, evitando i visitatori che attraversano il percorso senza nemmeno rendersene conto. Lo scopo di questa demo: con i dati raccolti dalla navigazione cloud tramite robot mobili e altri sensori nella hall di produzione, è possibile simulare in tempo reale i flussi di materiali, molto più vicini alla realtà rispetto a quanto fosse possibile finora. Non sono più necessari test pratici che richiedono tempo e costi elevati con sistemi robotici.

Apprendimento automatico: la pratica rende il maestro

La tecnologia di manipolazione automatizzata diventa sempre più efficiente. Felix Spenrath e il suo team continuano a sviluppare il software collaudato bp3™ del Fraunhofer IPA, alla base della presa efficace di oggetti. «Grazie a algoritmi migliorati e a nuove tecnologie sensoriali, i robot industriali ora possono riconoscere e afferrare anche pezzi di lamiera piatti e disordinati», afferma Spenrath. Le informazioni fornite dai sensori 3D moderni vengono così sfruttate al massimo. La nuova interfaccia utente intuitiva rende la programmazione molto più semplice e veloce, tanto che i costi di investimento per una cella di manipolazione si ammortizzano già dopo due anni. Un dimostratore a due bracci sullo stand illustra i progressi più recenti.

Con l'apprendimento automatico, il riconoscimento degli oggetti e la separazione di pezzi disordinati vengono continuamente perfezionati. Nel progetto di ricerca »DeepGrasping« si sta creando un ambiente di apprendimento virtuale. In esso, i robot esercitano diversi processi di presa sui pezzi di lavoro prima ancora di essere messi in funzione, per prepararsi all'uso operativo. Le reti neurali apprendono da queste prese simulate, migliorando continuamente la loro conoscenza dei processi – secondo il motto: «la pratica rende il maestro». Una presentazione sullo stand illustra il progetto DeepGrasping e mostra i primi risultati.

Il software drag&bot semplifica la programmazione dei robot

I robot sono ancora raramente impiegati nelle piccole e medie imprese. Il motivo: i linguaggi di programmazione specifici del produttore sono così complessi che è necessario ingaggiare esperti esterni per adattare i robot a nuovi compiti. «In un'epoca in cui smartphone e tablet sono intuitivi da usare, una programmazione robotica così lunga e costosa non è più all'avanguardia», sostiene Martin Naumann.

Il ricercatore del Fraunhofer IPA, insieme ai suoi colleghi, ha sviluppato il software drag&bot, che riduce al minimo lo sforzo di programmazione. La grande novità: drag&bot fornisce blocchi di programmazione già pronti, che possono essere assemblati rapidamente e intuitivamente tramite un'interfaccia grafica per creare applicazioni robotiche complesse. Inoltre, le funzioni di assistenza semplificano e accelerano la parametrizzazione dei blocchi. In questo modo, non è più necessario un know-how esperto per riprogrammare robot di diversi produttori. La facilità d'uso di drag&bot viene dimostrata da Naumann con una cella robotica allo stand, dove ogni visitatore può programmare autonomamente applicazioni di manipolazione o montaggio con pochi clic.

ROS-Industrial: software open-source di qualità industriale

Grazie a un'infrastruttura software riutilizzabile, il sistema operativo »Robot Operating System« (ROS) semplifica lo sviluppo di software sia per robot che per sistemi robotici che eseguono compiti complessi. «Ma anche le interfacce standardizzate rappresentano una semplificazione fondamentale. Perché ROS mette tutta la robotica su una base comune – come Linux per i computer o Android per gli smartphone», spiega Mirko Bordignon. Gli utenti finali e gli integratori di sistema non devono sempre sviluppare funzioni complesse da zero, perché ROS fornisce loro software open-source, principalmente nei settori della navigazione mobile, pianificazione dei movimenti, simulazione, elaborazione di immagini e sensori.

Inoltre: ROS permette di risparmiare denaro. Un numero crescente di componenti software altamente sviluppati è disponibile gratuitamente e soddisfa già gli standard di qualità dell'industria. Altri raggruppano gli sviluppatori in ampie »Librerie«, che raccolgono le esperienze di numerosi progetti di ricerca e industriali. ROS-Industrial è un'iniziativa gestita in Europa dal Fraunhofer IPA, che promuove il trasferimento tecnologico di ROS nel contesto industriale. Un dimostratore allo stand mostra hardware di grandi produttori, che eseguono compiti di percezione e controllo – tutti programmati con ROS.

Piattaforme mobili: compatte e agili con ruote sterzanti standard

Robot mobili e veicoli di trasporto senza conducente, mobili su superfici, possono navigare omnidirezionalmente, superare con affidabilità passaggi stretti e evitare manovre di manovra lunghe. Tuttavia, tali robot sono attualmente spesso dotati di ruote mecanum o di ruote di tutte le direzioni, e presentano svantaggi in termini di slittamento, odometria e capacità di superare terreni sconnessi, scale e soglie. Per questo, il Fraunhofer IPA punta da tempo su moduli di trazione con ruote sterzanti standard, presentando la terza e più recente generazione alla Automatica di quest'anno.

«Poiché i sistemi di trasporto senza conducente devono sollevare e trasportare carichi, devono essere il più possibile bassi», sottolinea Theo Jacobs, che ha progettato il nuovo modulo di trazione. Esso occupa uno spazio molto ridotto sopra la ruota, ma è comunque dotato di una sospensione completa. Con due ruote parallele per modulo, si raggiunge una elevata densità di potenza: quando necessario, la piena potenza del motore è disponibile per la propulsione. La differente gestione delle due ruote permette di ottenere una rotazione del modulo – eliminando l'uso di un motore di sterzo aggiuntivo. Alla fiera, Jacobs presenterà la versione più recente dei moduli di trazione su un banco di prova, che consente di eseguire test a lungo termine su diversi terreni e con diverse irregolarità del suolo.

Ottimizzazione autonoma di sistemi di produzione complessi nella produzione di pezzi

Nei sistemi di produzione ad alta intensità di capitale, le aziende devono sempre massimizzare la produttività. Altrimenti, si rischiano pressioni sui costi e lacune di finanziamento. Tuttavia, molti sistemi di produzione comprendono numerose stazioni e operano a velocità tali che le cause di errore non sono più riconoscibili ad occhio nudo. Qui, l'ottimizzazione intelligente dei sistemi di Felix Müller e del suo team offre un approccio innovativo già applicabile sul campo. Lo strumento di analisi individua gli errori nei sistemi di produzione collegati e ne mostra le cause e la propagazione in modo automatizzato e in tempo reale.

La tecnologia chiave sono algoritmi di apprendimento sviluppati appositamente per analizzare linee di produzione di pezzi che operano a velocità elevate. Per la raccolta dei dati «da dentro», si utilizza un connettore ad alte prestazioni che accede ai dati del controllo macchina. Inoltre, telecamere intelligenti registrano «da fuori» le caratteristiche di processo rilevanti. In questo modo si crea una base dati continua, trasmessa in modo sincronizzato nel tempo allo strumento di analisi. Quest'ultimo può trarre conclusioni dai dati e rielaborarli secondo le esigenze. Lo strumento permette anche di capire come i difetti sono collegati tra loro e di priorizzarli. È inoltre adatto per un benchmarking automatico delle macchine. In questo modo, si può portare ogni macchina di una flotta al massimo livello. Casi reali nel settore farmaceutico, dei beni di consumo e automotive hanno già ottenuto aumenti di produttività fino al 15%.

La «E-Bike da indossare» tutela la salute

I ricercatori dell'IPA contribuiscono a ridurre lo sforzo fisico dei lavoratori in produzione. È evidente con la Stuttgart-Exo-Jacket, un esoscheletro toracico che fornisce potenza supplementare senza limitare i movimenti del portatore. Sono integrati moduli di azione a livello di gomiti e spalle, che supportano i movimenti con alta coppia. Un controllo di impedenza tramite sensori di pressione nelle maniche dell'esoscheletro garantisce un movimento fluido. Alla spalla, è montata una catena articolata con cinque assi di rotazione. La catena segue il gruppo di articolazioni della spalla in ogni posizione. Il componente di azione si trova sempre dove si trova la spalla in quel momento. In questo modo, si permettono movimenti complessi in
tre direzioni: verso l'alto, indietro e verso l'interno. Sono possibili anche montaggi sopra la testa.

Poiché i moduli si attivano solo quando sono realmente necessari, si può risparmiare energia. A medio termine, gli scienziati vogliono sviluppare un modulo modulare per diversi campi di applicazione. Per questo, si sta creando un flusso di lavoro di sviluppo e simulazione basato sui dati di movimento. Utilizzando un modello dettagliato di muscolo-scheletro, si possono calcolare le sollecitazioni. A seconda dell'attività, le aziende potranno poi scegliere soluzioni personalizzate.

«Virtual Fort Knox» non più solo, ma ancora unico

Dal 2012, il Fraunhofer IPA collabora con aziende del Mittelstand a Virtual Fort Knox (VFK), una piattaforma aperta di servizi IT per le aziende manifatturiere. Dal 2017, la piattaforma di ricerca VFK viene distribuita come piattaforma ibrida distribuita anche in altri sei istituti del Fraunhofer-Verbund Produktion. Serve come piattaforma collaborativa di ricerca per lo sviluppo di servizi innovativi per la produzione e costituisce la base di un sistema operativo aperto e in tempo reale per la produzione. Joachim Seidelmann, responsabile DigiTools del Fraunhofer IPA, spiega: «Vogliamo implementare concetti di Industria 4.0 che permettano agli utenti di aumentare l'efficienza della produzione».

Alla Automatica, VFK sarà collegato al Festo CP Lab – un impianto di trasporto su nastro in miniatura dotato di diverse modalità di controllo. Il responsabile di gruppo Daniel Stock commenta: «Mostriamo come le linee di produzione possano essere facilmente e in modo flessibile connesse e – ad esempio, grazie alla tecnologia 5G emergente – non solo per la fusione dei dati in tempo reale, ma anche per il controllo tramite cloud, offrendo così nuove possibilità agli utenti».