Segnatempo nell'era della produzione digitale

I robot mobili autonomi sono un elemento chiave per applicazioni di produzione e logistica flessibili. (© Fraunhofer IPA/Università di Stoccarda IFF Immagine: Rainer Bez)

Con il software pitasc, applicazioni di montaggio come il montaggio a scatto o l'inserimento possono essere automatizzate in modo economicamente vantaggioso. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

La copertura protettiva recentemente brevettata 2ndSCIN® rende compatibili con l'ambiente sterile qualsiasi componente di automazione in movimento. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

CAPE® è un sistema di camere bianche simile a una tenda, che offre un ambiente di camera bianca economico, rapido e flessibile. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / CAPE® è un sistema di camere bianche simile a una tenda che fornisce un ambiente di camera bianca economico, veloce e flessibile. (© Fraunhofer IPA/Immagine: Rainer Bez)

Vari metodi sviluppati dall'Istituto Fraunhofer IPA aiutano a spiegare i processi di apprendimento automatico, come la rete neurale mostrata qui, e a comprendere come funzionano. (© Fraunhofer IPA)

Con l'aiuto dei dati dei sensori e della loro analisi, inefficienze o perdite nelle linee di produzione possono essere rilevate automaticamente. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Lo Stuttgart Exo-Jacket supporta attivamente la parte superiore del corpo durante le operazioni di movimentazione manuale, in particolare durante sollevamenti e attività sopra la testa. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Nel quadro dell'iniziativa »Robotica Cognitiva«, ad esempio, vengono ulteriormente sviluppate tecnologie per l'apprendimento automatico per applicazioni di presa in scatola. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Autonomo, intelligente, pulitore: da robot mobili e autoapprendenti alle tecnologie più avanzate per ambienti sterili, procedure di spiegabilità dell'apprendimento automatico, strumenti software per la produzione fino allo Stuttgart Exo-Jacket – il Fraunhofer IPA presenta a automatica a dicembre una moltitudine di applicazioni e servizi per la produzione automatizzata. Già una prima panoramica è offerta dalla Virtual IPA Preview il 18 giugno 2020.

«Nuove idee per l'automazione di domani» promette automatica, la principale fiera per l'automazione intelligente e la robotica. Anche il Fraunhofer IPA di Stoccarda ha fatto di questo credo il proprio motto e, – oltre a molte altre presenze sul posto – mostrerà su 240 metri quadrati cosa è già possibile oggi e verso dove si dirigerà il viaggio sullo shopfloor del futuro.

Soluzioni di navigazione cooperative e connesse

Su un'area espositiva rialzata, si muovono robot mobili compatti «rob@work». Navigano autonomamente, sono connessi tra loro e mostrano uno scenario logistico in miniatura. Grazie a un algoritmo SLAM continuo, i robot possono anche localizzarsi in ambienti variabili in modo affidabile, senza bisogno di infrastrutture aggiuntive. Inoltre scambiano dati dai propri sensori o da sensori fissi installati nell'ambiente di impiego. In questo modo, ogni robot dispone sempre di una mappa aggiornata, sulla quale può pianificare il percorso e localizzarsi. Ciò evita percorsi inutili, strozzature e fermi.

«Con questa soluzione di navigazione cooperativa mostriamo come i sistemi di trasporto senza conducente possano, ad esempio, consentire una produzione a matrice», spiega Kai Pfeiffer, responsabile del gruppo Servicerobotica per industria e commercio al Fraunhofer IPA. «Possiamo anche ampliare l'esposizione con robot virtuali e visualizzare percorsi e altre informazioni tramite realtà aumentata», aggiunge. Ciò semplifica e accelera l'avviamento, la manutenzione o le estensioni della flotta. La software ha già dimostrato più volte di poter soddisfare con successo le esigenze di agilità dei processi logistici moderni in applicazioni industriali.

Montaggio automatizzato e presa autonoma

Molte aziende si interrogano su quanto possano automatizzare i propri compiti di montaggio. Da molti anni, il Fraunhofer IPA offre l'analisi del potenziale di automazione (APA) per questa domanda. Finora, l'APA era legata alla conoscenza di un esperto di automazione. Ora, una nuova app rende questa conoscenza più facilmente accessibile. Guida l'utente nell'analisi dei propri processi di montaggio, valuta le sue risposte e informa sui potenziali di automazione. «Con la nostra app, chiunque può diventare esperto nella valutazione dei processi di montaggio», spiega Alexander Neb, ricercatore presso il Fraunhofer IPA che ha co-sviluppato l'app. È disponibile tramite un semplice contratto di licenza per testare il software.

Un'altra software per l'automazione del montaggio è NeuroCAD. Analizza le caratteristiche dei componenti tramite tecniche di apprendimento automatico e stima quanto un componente sia adatto all'automazione del montaggio. Gli utenti possono caricare gratuitamente i propri file STEP su www.neurocad.de e scoprire in pochi secondi quanto sia facile o difficile separare un componente. Inoltre, valuta le superfici di presa e l'allineabilità del componente. L'intelligenza neurale indica anche la probabilità che il risultato sia corretto.

Infine, il sistema pitasc, un kit di strumenti per la programmazione di processi di montaggio con forza regolata, mostra come i processi manuali possano essere automatizzati in modo economicamente sensato. «Finora, era necessario riprogrammare quasi da zero un sistema robotico per ogni applicazione. Con il nostro software, compiti modellati una volta possono essere rapidamente trasferiti a nuove varianti di prodotto, prodotti e anche a robot di altri produttori», afferma Frank Nägele, responsabile del gruppo di programmazione e controllo robotico al Fraunhofer IPA. Il software è strutturato come un sistema modulare: contiene molti blocchi di programmazione pronti all'uso e riutilizzabili, che possono essere combinati individualmente per configurare un sistema robotico. pitasc è pronto per essere utilizzato in applicazioni pilota che i ricercatori desiderano sviluppare insieme alle aziende.

Non solo il montaggio, ma anche l'applicazione «presa dalla scatola» rappresenta una sfida per l'automazione. Con l'esposizione «AI Picking», il Fraunhofer IPA mostra come le tecniche di apprendimento automatico e le simulazioni possano migliorare significativamente l'autonomia e le prestazioni di questa applicazione.

I ricercatori dimostrano questo con l'esempio di un robot che prende oggetti da una scatola in posizione sconosciuta. Una stima della posizione dell'oggetto basata su intelligenza artificiale (IA) fornisce posizioni robuste e precise in pochi millisecondi. «Nuovi oggetti possono essere imparati rapidamente e facilmente sulla base di un modello CAD», spiega il responsabile del progetto Felix Spenrath. «Il software può anche rilevare e risolvere inceppamenti e gestire materiali di imballaggio in modo robusto». Il robot è stato già addestrato in simulazione e questa conoscenza è stata trasferita all'applicazione reale. Le posizioni di presa vengono generate e valutate automaticamente sulla base di questa conoscenza.

Produzione senza contaminazioni con involucro protettivo e tenda sterile

Non solo una produzione più autonoma, ma anche una produzione ultraclean è sempre più richiesta. «Ambienti di produzione puri consentono la tecnologia high-tech del futuro», spiega Udo Gommel, responsabile del reparto Reinst- e Microproduzione al Fraunhofer IPA. «Le tecnologie chiave di domani avanzano solo con tecniche di purezza. Sono decisive: dalla produzione di batterie alla biotecnologia.»

Involucro protettivo 2ndSCIN®: di recente brevettato, 2ndSCIN® rende pronti all'uso componenti di automazione dinamica come, ad esempio, un robot per la produzione ultraclean. La copertura è composta da un tessuto multistrato, permeabile e mobile, che imita la pelle umana. A seconda dell'applicazione, possono sovrapporsi due o più strati, separati da distanziatori. In ogni intercapedine può essere aspirata o espulsa aria. In questo modo, si rimuovono particelle provenienti dall'ambiente o dai componenti di automazione. L'introduzione di gas negli interspazi permette di sterilizzare il sistema. Inoltre, la copertura può essere sostituita in circa un'ora e riutilizzata dopo decontaminazione. Gli strati tessili sono dotati di sensori che misurano costantemente parametri come quantità di particelle, pressione o umidità. In futuro, questi dati saranno analizzati tramite algoritmi di IA per consentire manutenzione predittiva, ad esempio. «2ndSCIN® è estremamente modulare, così possiamo realizzare soluzioni su misura», spiega Gommel. «In questo modo soddisfiamo molte esigenze di coperture protettive per componenti di ambienti sterili, che i prodotti esistenti non coprivano.»

Camere bianche mobili CAPE®: ricercatori del Fraunhofer IPA hanno sviluppato anche un sistema mobile, simile a una tenda, per ambienti sterili, che può essere montato in meno di un'ora sia in ambienti interni che all'aperto protetti dalle intemperie. Con questa «Camera bianca on demand», i produttori ottengono un ambiente di produzione mobile e privo di contaminazioni, che garantisce un livello di purezza dell'aria delle classi ISO 1-9. È particolarmente interessante per i produttori che devono realizzare prodotti senza contaminazioni, ma non necessitano di un ambiente sterile e permanente. CAPE® è adatto, ad esempio, per la produzione di chip, tecnologia medica, industria alimentare o montaggio di satelliti. Anche il settore automobilistico beneficia del tendone sterile, ad esempio nella produzione di celle batteria o di celle a combustibile. «CAPE® può essere utilizzato anche in zone di crisi, per creare un ambiente sterile e privo di contaminazioni quando in loco non è presente un'area operatoria», afferma Gommel.

Fraunhofer Tested Device®: da molti anni, il Fraunhofer IPA offre anche procedure di misurazione delle emissioni di particelle e certifica gli oggetti testati con il marchio «Tested Device®». Nel caso del sistema CAPE®, questa procedura viene dimostrata tramite un contatore ottico di particelle e un oggetto di prova. Le aziende ricevono un rapporto di prova personalizzato che conferma la purezza e l'idoneità allo sterile delle proprie apparecchiature, dispositivi o materiali di consumo.

Spiegare l'apprendimento automatico e trasmettere i dati

In robotica, così come in molti altri ambiti di produzione e servizi, si stanno sempre più utilizzando tecniche di apprendimento automatico e reti neurali artificiali. A seconda dell'applicazione, diventa sempre più importante sapere come funzionano esattamente e perché producono un certo risultato. Devono diventare spiegabili. Finora, a causa della loro complessità, spesso ciò non era possibile. «Più potente è una rete neurale, più difficile è comprenderla», spiega il Prof. Marco Huber, che dirige al Fraunhofer IPA il Centro per l'Intelligenza Cibernetica (CCI) e il dipartimento di elaborazione di immagini e segnali.

Per questo motivo, a automatica il Fraunhofer IPA presenta sotto il motto «Explainable AI» (xAI) procedure che visualizzano le decisioni delle reti neurali e le rendono trasparenti e comprensibili per l'utente. «Questa trasparenza rafforza l'accettazione dell'IA, crea fiducia, migliora il funzionamento corretto e garantisce la conformità legale», spiega Huber.

In ogni produzione si generano dati, ma a causa di diversi formati e interfacce spesso non è possibile utilizzarli e analizzarli. Il software «StationConnector» interviene proprio in questo, offrendo un'interfaccia unificata tra tutte le apparecchiature. In questo modo, può trasferire dati facilmente e in modo applicativo tra protocolli industriali, controlli e sistemi IT di varia natura. «Con il nostro software, gli utenti possono generare e implementare rapidamente modelli di business basati sui dati», afferma Marcus Defranceski, responsabile del gruppo di automazione specifica per la purezza. La mostra sullo stand illustra quanto il software sia semplice e flessibile da usare e come possa essere impiegato in diverse applicazioni, ad esempio in procedure di IA o monitoraggio.

Rendere più efficiente la produzione e alleggerire il lavoro degli operatori

Un dimostratore di ottimizzazione della produzione autonoma mostra come riconoscere automaticamente le perdite di produzione e determinarne le cause. Rappresenta un modello automatizzato di una linea di produzione, monitorata sia tramite controllo che tramite sensori esterni come barriere ottiche o telecamere. Tutte le fonti di osservazione vengono utilizzate per creare un modello comportamentale della linea. Ciò permette di analizzare continuamente online la linea, rilevare il comportamento normale e, sulla base di ciò, identificare perdite di produzione. «Vogliamo aumentare l'efficienza dell'intera linea e rendere trasparenti i parametri principali del processo», spiega Julian Maier, ricercatore al Fraunhofer IPA e co-sviluppatore del dimostratore.

La flessibile forza lavoro umana nelle produzioni è ancora insostituibile in molte aree, nonostante le numerose possibilità di automazione, e bisogna preservarla al meglio. Gli esoscheletri, sistemi robotici indossabili direttamente sul corpo, offrono supporto di forza durante attività faticose e alleggeriscono l'operatore. Al Fraunhofer IPA esiste il Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), un esoscheletro per scopi di ricerca e sviluppo. Lo SEJ supporta attivamente le estremità superiori durante attività di sollevamento e sopra la testa. Il sistema attuale in mostra, Stuttgart Exo-Jacket 2, è pensato principalmente per applicazioni logistiche, dove gli operatori maneggiano manualmente oggetti come pneumatici, scatole o valigie a due mani, tra il ginocchio e l'altezza delle spalle.

«Il concetto centrale del sistema è che gli utenti possano muovere le mani come sempre e sfruttare al massimo le proprie capacità di manipolazione», descrive Christophe Maufroy, responsabile dei sistemi di assistenza fisica e sensori intelligenti al Fraunhofer IPA, la particolarità del SEJ. Inoltre, l'esposizione riguarda analisi ergonomiche del posto di lavoro e ottimizzazioni misurabili.

Conoscere e utilizzare l'iniziativa IA

Infine, lo stand del Fraunhofer IPA informa anche su un'iniziativa nel contesto dell'intelligenza artificiale. Gli espositori «pitasc» e «AI Picking» fanno parte dell'iniziativa «Robotica cognitiva» finanziata dal Land Baden-Württemberg. L'obiettivo è promuovere ulteriormente le tecnologie robotiche innovative e applicare capacità come percezione, apprendimento, previsione e adattamento nelle applicazioni. La robotica cognitiva offre soluzioni per affrontare le sfide della produzione futura – stimolate dai grandi trend sociali – e, coinvolgendo partner industriali, crea una rete e garantisce il trasferimento tecnologico.