Taktgever in het digitale productietijdperk

Autonoom navigerende mobiele robots zijn een sleutelfactor voor flexibele productie en logistieke toepassingen. (© Fraunhofer IPA/Universiteit Stuttgart IFF/Foto: Rainer Bez) / Autonoom navigerende mobiele robots zijn een essentieel onderdeel voor flexibele productie- en logistieke toepassingen. (© Fraunhofer IPA/Universiteit Stuttgart IFF Afbeelding: Rainer Bez)

Met de pitasc-software kunnen montage-toepassingen zoals in- en uitschuiven of het vastklikken van onderdelen op een economische wijze geautomatiseerd worden. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / With the pitasc software, assembly applications such as snap-on mounting or insertion can be automated in an economically viable manner. (© Fraunhofer IPA/Image: Rainer Bez)

De recent gepatenteerde beschermhoes 2ndSCIN® maakt bewegende automatiseringsonderdelen geschikt voor cleanroomgebruik. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

CAPE® ist ein zeltähnliches Reinraum-System, das kostengünstig, schnell und flexibel eine Reinraumumgebung bietet. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / CAPE® is een tent-achtig cleanroomsysteem dat een kosteneffectieve, snelle en flexibele cleanroomomgeving biedt. (© Fraunhofer IPA/Afbeelding: Rainer Bez)

Verschiedene Verfahren des Fraunhofer IPA helfen, maschinelle Lernverfahren wie hier ein neuronales Netz erklärbar zu machen und seine Funktionsweise zu verstehen. (© Fraunhofer IPA) / Verschillende methoden ontwikkeld door Fraunhofer IPA helpen om machine learning-processen, zoals het hier getoonde neurale netwerk, uit te leggen en te begrijpen hoe ze werken. (© Fraunhofer IPA)

Met behulp van sensordata en de daaropvolgende analyse kunnen inefficiënties of verliezen in productielijnen automatisch worden opgespoord. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Met behulp van sensordata en de daaropvolgende analyse kunnen inefficiënties of verliezen in productielijnen automatisch worden gedetecteerd. (© Fraunhofer IPA/Beeld: Rainer Bez)

De Stuttgart Exo-Jacket ondersteunt het bovenlichaam actief bij handmatige handling en vooral bij til- en overheadactiviteiten. (© Fraunhofer IPA/Foto: 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)

In het kader van de initiatief »Cognitieve Robotica«, worden bijvoorbeeld technologieën voor machinaal leren verder ontwikkeld voor het grijpen in de doos. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Within the framework of the»Cognitive Robotics« initiative, for example, technologies for machine learning are being further developed for bin picking applications. (© Fraunhofer IPA/Image: Rainer Bez)

Autonoom, intelligent, rein: van mobiele en zelflerende robots tot geavanceerde cleanroomtechnologieën, methoden voor de verklaarbaarheid van machine learning, softwaretools voor productie tot aan het Stuttgart Exo-Jacket – het Fraunhofer IPA toont op de Automatica in december een overvloed aan toepassingen en diensten voor geautomatiseerde productie. Eerste inzichten worden al gegeven door de Virtual IPA Preview op 18 juni 2020.

»Nieuwe ideeën voor de automatisering van morgen« belooft de Automatica, de leidende beurs voor slimme automatisering en robotica. Ook het Fraunhofer IPA uit Stuttgart heeft dit credo op de vlag gehesen en zal – naast vele andere locaties ter plaatse – gebundeld op 240 vierkante meter laten zien wat vandaag al mogelijk is en waar de reis op de shopfloor van de toekomst naartoe gaat.

Coöperatieve en verbonden navigatielösungen

Op een verhoogd tentoonstellingsoppervlak rijden compacte mobiele »rob@work«-robots. Ze navigeren autonoom, zijn onderling verbonden en tonen een geminiaturiseerd logistiek scenario. Dankzij een continue SLAM-algoritme kunnen de robots zich ook in veranderende omgevingen betrouwbaar lokaliseren, zonder dat extra infrastructuur nodig is. Daarnaast wisselen ze gegevens uit van eigen of stationair ingebouwde sensoren in de inzetomgeving. Zo beschikt elke robot altijd over een actuele kaart, waarmee hij zijn route kan aanpassen en zich kan lokaliseren. Dit voorkomt onnodige omwegen, knelpunten en stilstanden.

»Met deze coöperatieve navigatielösung laten we zien hoe driverless transportsystemen bijvoorbeeld een matrixproductie mogelijk maken«, legt Kai Pfeiffer uit, groepsleider Servicerobotica voor Industrie en Handel bij het Fraunhofer IPA. »We kunnen het expositieobject ook uitbreiden met virtuele robots en met Augmented Reality routes en andere informatie visualiseren«, voegt hij toe. Dit vereenvoudigt en versnelt de inbedrijfstelling, het onderhoud of uitbreidingen van de vloot. De gevraagde wendbaarheid van moderne logistieke processen heeft de software al meerdere keren succesvol in industriële toepassingen laten zien.

Automatisch monteren en autonoom grijpen

Veel bedrijven worstelen met de vraag in hoeverre ze hun montagewerkzaamheden kunnen automatiseren. Al vele jaren biedt het Fraunhofer IPA hiervoor de automatiseringspotentieelanalyse (APA). Tot nu toe was de APA gekoppeld aan de kennis van een automatiseringsexpert. Een nieuwe app maakt deze kennis nu eenvoudiger toegankelijk. Ze begeleidt de gebruiker bij het analyseren van eigen montageprocessen, evalueert zijn antwoorden en informeert over automatiseringspotentieel. »Met onze app kan iedereen een expert worden in het beoordelen van montageprocessen«, legt Alexander Neb uit, wetenschappelijk medewerker bij het Fraunhofer IPA en medeontwikkelaar van de app. De app is verkrijgbaar via een eenvoudige licentieovereenkomst voor testgebruik.

Een andere software voor montageautomatisering is NeuroCAD. Deze analyseert met behulp van machinaal leren de eigenschappen van onderdelen en geeft een inschatting van de geschiktheid van een onderdeel voor montageautomatisering. Gebruikers kunnen op www.neurocad.de hun STEP-bestanden gratis uploaden en binnen enkele seconden ontdekken hoe eenvoudig of moeilijk het is om een onderdeel te isoleren. Daarnaast beoordeelt het tool de grijpfacetten en de uitlijnbaarheid van het onderdeel. Bovendien geeft het neurale netwerk een waarschijnlijkheid aan dat de uitkomst correct is.

Tot slot toont de pitasc-systeembouwdoos voor het programmeren van krachtgeregelde montageprocessen hoe handmatig uitgevoerde processen economisch zinvol geautomatiseerd kunnen worden. »Tot nu toe was het nodig om een robotsysteem voor elke toepassing grotendeels opnieuw te programmeren. Met onze software kunnen eenmaal gemodelleerde taken snel worden overgezet op nieuwe productvarianten, producten en zelfs op robots van andere fabrikanten«, zegt Frank Nägele, groepsleider Robotprogrammering en -regeling bij het Fraunhofer IPA. De software is vergelijkbaar met een bouwdoossysteem: het bevat veel kant-en-klare en herbruikbare programmablokken die bij de inrichting van een robotsysteem individueel kunnen worden samengesteld. pitasc is klaar voor gebruik in pilotprojecten, die de wetenschappers graag samen met bedrijven willen uitvoeren.

Niet alleen de montage, maar ook het grijpen uit de doos blijft soms een uitdaging voor automatisering. Met het expositieobject »AI Picking« toont het Fraunhofer IPA hoe machinaal leren en simulaties de toepassing op het gebied van autonomie en prestatievermogen aanzienlijk verbeteren.

De wetenschappers demonstreren dit aan de hand van een robot die objecten uit een ongedefinieerde positie uit een doos pakt. Een op Kunstmatige Intelligentie (KI) gebaseerde objectpositieschatting levert hiervoor robuuste en nauwkeurige objectposities binnen enkele milliseconden. »Nieuwe objecten kunnen snel en eenvoudig worden geleerd op basis van een CAD-model«, legt projectleider Felix Spenrath uit. »De software kan ook verstrikkingen detecteren en oplossen, en gaat bovendien robuust om met verpakkingsmateriaal.« De robot is al uitgebreid getraind in simulatie en deze kennis is vervolgens overgedragen naar de echte toepassing. Grijpposities worden automatisch gegenereerd en beoordeeld op basis van deze kennis.

Contaminatievrij produceren met beschermhoes en cleanroomtent

Niet alleen een autonomere, maar ook een ultrareine productie wordt steeds meer gevraagd. »Reine productieomgevingen maken de hightech van de toekomst mogelijk«, legt Udo Gommel uit, hoofd van de afdeling Reinst- en Microproductie bij het Fraunhofer IPA. »De sleuteltechnologieën van morgen komen alleen met reinheidstechniek vooruit. Ze zijn cruciaal: van batterijproductie tot biotechnologie.«

Beschermhoes 2ndSCIN®: recent gepatenteerd maakt 2ndSCIN® dynamische automatiseringscomponenten zoals bijvoorbeeld een robot voor de ultrareine productie klaar voor gebruik. De hoes bestaat uit een doorlatend, beweeglijk en meerlagig textiel dat is nagebootst naar menselijke huid. Afhankelijk van de toepassing kunnen twee of meer lagen bovenop elkaar liggen. De lagen worden telkens gescheiden door tussenstukken. In elke tussenruimte kan bijvoorbeeld lucht worden aangezogen of afgevoerd. Zo kunnen deeltjes worden verwijderd die uit de omgeving of van de automatiseringscomponent afkomstig zijn. Het toedienen van gassen in de tussenruimtes van het systeem maakt sterilisatie mogelijk. Bovendien kan de hoes in ongeveer een uur worden verwisseld en na een decontaminatie opnieuw worden gebruikt. De textiellagen zijn ook uitgerust met sensoren die continu parameters meten zoals deeltjesaantallen, druk of vochtigheid. Toekomstig zullen deze sensor data worden geëvalueerd met behulp van KI-algoritmen, bijvoorbeeld voor voorspellend onderhoud. »2ndSCIN® is extreem variabel in opbouw, zodat we maatwerk kunnen realiseren«, legt Gommel uit. »Zo kunnen we voldoen aan veel eisen voor beschermhoezen voor cleanroomcomponenten, die eerdere producten niet konden vervullen.«

Mobiele cleanroom CAPE®: wetenschappers van het Fraunhofer IPA hebben bovendien een mobiel, tentachtig cleanroomsysteem ontwikkeld dat in minder dan een uur zowel binnen- als buitenruimtes kan opbouwen. Met deze »Cleanroom on Demand« krijgen fabrikanten een mobiele, contaminatievrije productieruimte die een luchtzuiverheid van ISO-klassen 1 tot 9 mogelijk maakt. Dit is vooral aantrekkelijk voor fabrikanten die contaminatievrij willen produceren, maar geen permanente, steriele en schone omgeving nodig hebben. CAPE® is bijvoorbeeld geschikt voor gebruik in chipproductie, medische technologie, voedingsmiddelenindustrie of satellietmontage. Ook de automobielsector profiteert van de cleanroomtent, bijvoorbeeld in de productie van batterijcellen of brandstofcellen. »CAPE® kan zelfs in crisisgebieden worden ingezet, bijvoorbeeld om een schone en steriele omgeving te bieden wanneer er ter plaatse geen operatiezaal beschikbaar is«, zegt Gommel.

Fraunhofer Tested Device®: al vele jaren biedt het Fraunhofer IPA ook methoden voor deeltjes-emissiemeting aan en certificeert gecontroleerde objecten met het certificaat »Tested Device®«. In het genoemde CAPE® wordt deze methode gedemonstreerd met behulp van een optische deeltjesdetector en een testobject. Bedrijven ontvangen met het product- en klantgerichte testrapport een bevestiging van de reinheid en cleanroom-geschiktheid van hun installaties, apparaten of verbruiksartikelen.

Machine learning uitleggen en data overbrengen

In de robotica en in tal van andere toepassingsgebieden in productie en dienstverlening worden steeds vaker machinaal leren en kunstmatige neurale netwerken ingezet. Afhankelijk van de toepassing wordt het steeds belangrijker om te weten hoe deze precies werken en waarom ze tot een bepaald resultaat leiden. Ze moeten verklaarbaar worden. Vanwege hun complexiteit is dat tot nu toe vaak nog niet mogelijk. »Hoe krachtiger een neuraal netwerk, hoe moeilijker het te begrijpen is«, legt Prof. Marco Huber uit, die bij het Fraunhofer IPA het Centrum voor Cyber Cognitive Intelligence (CCI) en de afdeling Beeld- en Signaalverwerking leidt.

Op de Automatica presenteert het Fraunhofer IPA daarom onder het motto »Explainable AI« (xAI) methoden die de beslissingen van neurale netwerken visualiseren en voor de gebruiker transparant en begrijpelijk maken. »Deze traceerbaarheid versterkt de acceptatie van KI, schept vertrouwen, verbetert de correcte werking en geeft rechtszekerheid«, aldus Huber.

In elke productie ontstaan data, maar door verschillende formaten en interfaces is het vaak niet mogelijk om deze te gebruiken en te evalueren. De software »StationConnector« speelt hierop in door een uniforme interface te bieden over alle installaties heen. Zo kan ze gegevens eenvoudig en toepassingsgericht overbrengen tussen industriële protocollen, besturingssystemen en willekeurige IT-systemen. »Met onze software kunnen gebruikers snel datagedreven bedrijfsmodellen genereren en implementeren«, zegt Marcus Defranceski, groepsleider Reinheidsspecifieke Automatiseringssystemen. Het expositieobject op de beurs toont hoe eenvoudig en flexibel de software inzetbaar is en voor diverse toepassingen, bijvoorbeeld KI-methoden of monitoring, kan worden gebruikt.

Producties efficiënter maken en werknemers ontlasten

Hoe verliezen in producties automatisch kunnen worden herkend en de oorzaken kunnen worden vastgesteld, wordt getoond door een demonstrator voor autonome productieoptimalisatie. Hij vormt een geautomatiseerd model van een productielijn. Deze wordt zowel via de besturing als via externe sensoren zoals lichtschermen of camera’s geobserveerd. Alle observatiebronnen worden gebruikt om een gedragsmodel van de lijn te maken. Dit maakt het mogelijk de lijn continu online te analyseren en zo het normaal gedrag te vast te stellen en op basis daarvan productieverliezen te identificeren. »Met dit willen we de efficiëntie van de hele installatie verhogen en centrale procesparameters transparant maken«, legt Julian Maier uit, wetenschapper bij het Fraunhofer IPA en medeontwikkelaar van de demonstrator.

De flexibele menselijke arbeidskracht in producties is ondanks veel automatiseringsmogelijkheden op veel plekken nog steeds onmisbaar en het is belangrijk deze zo goed mogelijk te behouden. Exoskeletten, robotwerksystemen die direct op het lichaam worden gedragen, bieden krachtondersteuning bij zware taken en ontlasten de mens. Bij het Fraunhofer IPA is het Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), een exoskelet voor onderzoeks- en ontwikkelingsdoeleinden. Het SEJ ondersteunt de bovenste extremiteiten actief bij tillen en werkzaamheden boven het hoofd. Het actuele systeem op de beurs, het Stuttgart Exo-Jacket 2, richt zich vooral op toepassingen in de logistiek, waar werknemers objecten zoals banden, dozen of koffers tweehandsmatig tussen knieën en schouders handmatig hanteren.

»Het kernidee van het systeem is dat gebruikers hun handen nog steeds optimaal kunnen bewegen en zo hun hanteringsvaardigheden maximaal kunnen benutten«, beschrijft Christophe Maufroy, groepsleider Fysieke Assistentsystemen en slimme sensoren bij het Fraunhofer IPA, de bijzonderheid van het SEJ. Daarnaast gaat het bij het expositieobject om meetbare ergonomische werkplekanalyses en -optimalisaties.

KI-initiatief leren kennen en benutten

Niet in de laatste plaats informeert de beurs van het Fraunhofer IPA ook over een initiatief in de context van Kunstmatige Intelligentie. Zo maken de exposities »pitasc« en »AI Picking« deel uit van het door Baden-Württemberg geförderde initiatief »Cognitive Robotics«. Het heeft als doel om innovatieve robottechnologieën verder te ontwikkelen en vaardigheden zoals perceptie, leren, anticiperen en aanpassen in toepassingen te implementeren. Zo biedt cognitieve robotica oplossingen waarmee uitdagingen voor de productie van de toekomst – veroorzaakt door maatschappelijke megatrends – kunnen worden aangepakt. Door de betrokkenheid van industriële partners wordt een netwerk opgebouwd en wordt technologische overdracht gewaarborgd.