Rozwiązania dla bezpiecznych, wydajnych i wysokiej czystości zastosowań automatyzacyjnych

2ndSCIN® jest osłoną ochronną dla robotów i innych elementów automatyzacji, które mają być używane w czystych pomieszczeniach. (© Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez) / 2ndSCIN® jest osłoną ochronną dla robotów i innych elementów automatyzacji przeznaczonych do użytku w czystych pomieszczeniach. © Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez

Z jego oznaczeniami testowymi Fraunhofer IPA już przebadało i zatwierdziło ponad 2500 produktów i materiałów na całym świecie pod kątem ich czystości i przydatności do pomieszczeń czystych. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / With its test marks, Fraunhofer IPA has already tested and certified over 2,500 products and materials worldwide for their cleanliness and cleanroom suitability. © Fraunhofer IPA/Photo: Rainer Bez

Demonstrator dla frameworku oprogramowania „retavi” (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Dzięki nowemu frameworkowi oprogramowania „retavi” firmy mogą automatyzować swoje maszyny, systemy i procesy niezależnie od sprzętu. © Fraunhofer IPA/Photo: Rainer Bez

CARA upraszcza proces oceny ryzyka dla robotów współpracujących poprzez inteligentne, półautomatyczne wsparcie użytkownika. (© Fraunhofer IPA) / CARA upraszcza proces oceny ryzyka dla robotów współpracujących dzięki inteligentnemu, półautomatycznemu wsparciu użytkownika. © Fraunhofer IPA

Na automatycznym stanowisku do testów kolizji cobots są mierzone raz, co pozwala na stworzenie modelu kolizji, który może być wykorzystany do projektowania bezpieczeństwa. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Cobots are measured once on the automatic collision test bench, generating a collision model that can be used for safety design. © Fraunhofer IPA/Photo: Rainer Bez

Na tegorocznym Targach Fachowych Automatica Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA prezentuje liczne rozwiązania, które – również dzięki sztucznej inteligencji (SI) – znacznie upraszczają i przyspieszają planowanie, programowanie oraz uczenie robotów. Do obejrzenia od 24 do 27 czerwca 2025 w hali A4, stoisko 314.

Bez względu na to, czy w hali produkcyjnej, w czystym pomieszczeniu czy w laboratorium: wszędzie coraz częściej wykorzystuje się roboty i inne komponenty automatyzacji, głównie przy powtarzalnych, fizycznie wymagających lub niebezpiecznych zadaniach. Jednak zanim zostaną zainstalowane, zaprogramowane i skonfigurowane, często upływa jeszcze dużo czasu. Głównym celem jest więc „Automatyzacja automatyzacji”. Oznacza to, że procesy konfigurowania i uruchamiania będą przebiegały znacznie bardziej zautomatyzowane niż dotychczas, co oszczędza czas i koszty.

Fraunhofer IPA od 24 do 27 czerwca 2025 na Automatica w Monachium prezentuje szereg rozwiązań, które również z wykorzystaniem technologii SI znacznie upraszczają i przyspieszają planowanie, programowanie i uczenie robotów, automatyzując te procesy (częściowo).

Framework programowy dla wszystkich maszyn i urządzeń

Naukowcy z zespołu IT-Architekturen für die Produktion w Fraunhofer IPA, kierowanego przez Davida Breuniga, opracowali framework programowy, który pozwala firmom na automatyzację całej produkcji. Sterowniki programowalne (PLC), które dotychczas regulowały pracę maszyn i urządzeń i są szeroko stosowane w fabrykach, mogą stać się zbędne. „Kto dziś kupuje PLC od renomowanego producenta, jest zależny od jego sprzętu, środowiska programistycznego i języka programowania” – mówi Breunig, „a my chcemy to zmienić naszym frameworkiem.”

Aby pokazać, jak działa ta automatyzacja oparta na oprogramowaniu, Breunig i jego zespół zbudowali demonstrator, który pokazuje funkcjonowanie i użytkowanie frameworku. Odwiedzający mogą na ekranie zapoznać się z poszczególnymi modułami frameworku i samodzielnie utworzyć lub zoptymalizować projekt automatyzacji na Automatica.

Razem z koleżanką i dwoma kolegami planują, aby dzięki frameworkowi sami rozpoczęli działalność gospodarczą. Ich startup, retavi GmbH, oficjalnie rozpocznie działalność pod koniec roku.

Elastyczne, inteligentne mobilne manipulatorzy

Humanoidalne roboty obecnie cieszą się dużą uwagą w mediach i również na Automatica odegrają ważną rolę. Według badania Fraunhofer IPA w ramach Centrum Postępu SI „Lernende Systeme und Kognitive Robotik” wiele firm nie wykazuje dużego zainteresowania, aby roboty potrafiły poruszać się jak człowiek. Zamiast tego eksperci dostrzegają największy potencjał w tym, aby humanoidalne obiekty mogły chwytać z taką samą elastycznością jak człowiek. I właśnie w tym kierunku rozwija się obecnie technologia Fraunhofer IPA. Ze względu na wiele stopni swobody ręki robota nie jest efektywne programowanie tych chwytów w pełni. Aby temu zaradzić, Fraunhofer IPA bada metody szybkiego i intuicyjnego uczenia się złożonych ruchów chwytania i obsługi.

Chwyty można na przykład nauczyć w symulacji i za pomocą głębokiego uczenia przez wzmacnianie. Kluczowe jest nie tylko sterowanie ramionami robota, ale przede wszystkim intuicyjne instruowanie i uczenie nowych zastosowań dla pełnoprawnych, elastycznych systemów robotycznych – w tym mobilnych platform wielozadaniowych z wieloma ramionami i chwytami. W tym celu stosuje się nowoczesne metody, takie jak Imitation Learning i tzw. Foundation-Models. Wykorzystuje się naturalne instrukcje głosowe, zdalne operacje oraz ludzkie demonstracje, aby skutecznie przekazywać robotom umiejętności.

Demonstrator na stoisku zapewnia praktyczny wgląd w wybrane aspekty technologii i pokazuje, jak można przenieść kluczowe idee z aktualnych badań do praktycznych zastosowań. Ponadto odwiedzający mają okazję dowiedzieć się więcej o wyzwaniach obecnych metod uczenia przez naśladownictwo i Foundation-Models, a także o tym, jak hybrydowe podejście może celowo uzupełniać luki, łącząc sprawdzone, parametryzowalne umiejętności robotów z metodami opartymi na uczeniu.

Elastyczna laboratoria robotyki do obsługi i dozowania cieczy

Panujący niedobór wykwalifikowanej siły roboczej dotyka także laboratoriów i placówek medycznych. Obecny personel spędza dużą część dnia na monotonnych, rutynowych zadaniach, co opóźnia wykonywanie bardziej wartościowych, twórczych działań. Dlatego rozwiązania automatyzacyjne są w tym środowisku bardzo poszukiwane. Standardowy system „z półki” zwykle nie pasuje, ponieważ zadania i obsługiwane obiekty są różnorodne. Fraunhofer IPA opracowuje więc konfigurowalny zestaw oprogramowania dla autonomicznych robotów laboratoryjnych, który umożliwia efektywną automatyzację takich rutynowych prac. Na przykład roboty mają być zdolne do zbierania zużywanych materiałów procesowych, samodzielnego dozowania chemikaliów lub próbek, „just in time” pobierania delikatnych próbek z chłodziarek lub szafek termicznych, a w przyszłości – do całkowicie autonomicznego przeprowadzania eksperymentów. W tym celu robot musi umieć lokalizować i chwytać różnorodne pojemniki, precyzyjnie ważyć różne cieczy i ciała stałe, otwierać szafki i drzwi oraz poruszać się autonomicznie.

Na Automatica Fraunhofer IPA zaprezentuje aktualny stan rozwoju na demonstratorze, który automatycznie dozować cieczy o różnych lepkościach i rozdzielać je do określonych pojemników.

Bezpieczna kolaboracja człowiek-robot w trybie półautomatycznym

Nowoczesne rozwiązania automatyzacyjne muszą być jak najbardziej elastyczne, ze względu na małe serie produkcyjne. To wymaga ciągłego dostosowywania środków bezpieczeństwa. Podstawą są ocena ryzyka i oznakowanie CE – dwa procesy, które obecnie są bardzo czasochłonne i wymagają dużej wiedzy eksperckiej. Fraunhofer IPA opracowało narzędzia zarówno na fazę planowania, jak i użytkowania, które upraszczają i przyspieszają zapewnienie bezpieczeństwa.

Eksponat targowy „CARA” to narzędzie wspomagające fazę planowania, które w pełni wspiera procesy bezpieczeństwa. Pomaga specjalistom za pomocą symulacji 3D zaplanować i wdrożyć wszystkie niezbędne środki bezpieczeństwa w sześciu krokach przed uruchomieniem urządzenia. CARA uwzględnia parametry takie jak potencjalne zagrożenia, odległości bezpieczeństwa i interakcję człowiek-maszyna. Automatycznie identyfikuje zagrożenia kolizją i przyciśnięciem. Następnie proponuje działania zmniejszające ryzyko.

W fazie planowania pomagają także modele kolizyjne, opracowane na podstawie zautomatyzowanego stanowiska testowego opracowanego przez Fraunhofer IPA. Dotyczą one wyzwania, jakim jest ograniczenie prędkości i czasów cykli robota w przypadku kolizji, co może wpływać na wydajność linii. Siłę działającą podczas kolizji trudno obliczyć matematycznie. Po utworzeniu modele pozwalają precyzyjnie oszacować wydajność już na etapie planowania. CARA korzysta z tych modeli.

Intuicyjne programowanie robotów za pomocą nowego interfejsu użytkownika

Programowanie robotów nadal jest często trudne i czasochłonne, szczególnie przy konieczności szybkiego uruchomienia lub zmiany zastosowania. Nowy interfejs użytkownika, oparty na przykładzie symulowanej aplikacji demontażu, pokazuje, jak można ograniczyć wymaganą wiedzę fachową i programistyczną, a także jak programować roboty efektywnie przy dużej różnorodności wariantów. Interfejs umożliwia łączenie pojedynczych umiejętności robota, tzw. skills, w pełne zadania. Do tego wykorzystuje się moduły skill z oprogramowania „pitasc” Fraunhofer IPA, które można konfigurować i łączyć bez konieczności posiadania wiedzy programistycznej.

Automatyzacja w środowisku wysokiej czystości: 2ndSCIN® i Tested Device®

2ndSCIN® to opatentowana osłona ochronna, która przygotowuje roboty i inne ruchome elementy automatyzacji do pracy w ultraczystych warunkach produkcji. Osłona wykonana jest z przepuszczalnego, ruchomego, wielowarstwowego tekstylu, naśladującego ludzką skórę. Warstwa tekstylna wyposażona jest w sensory, które na bieżąco mierzą parametry, takie jak koncentracja cząstek, skażenie chemiczne, ciśnienie czy wilgotność. Algorytmy oparte na SI analizują dane z sensorów i umożliwiają na przykład przewidywanie konserwacji. W zależności od zastosowania, mogą być ułożone dwie lub więcej warstw tekstylu, oddzielonych dystansami.

W przestrzeniach między warstwami można na przykład zasysać lub odprowadzać powietrze. W ten sposób można usuwać cząstki pochodzące z otoczenia lub urządzenia. Wprowadzenie specjalistycznych gazów do przestrzeni między warstwami umożliwia sterylizację systemu. Osłona może być wymieniona w około godzinę i po dezynfekcji może być ponownie używana. „2ndSCIN® jest niezwykle elastyczny w konstrukcji, co pozwala nam realizować indywidualne potrzeby. W ten sposób adresujemy wiele wymagań dotyczących ochronnych osłon do czystych pomieszczeń, które dotychczasowe produkty nie spełniały” – wyjaśnia Udo Gommel, kierownik działu produkcji krytycznej pod względem zanieczyszczeń w Fraunhofer IPA. On i jego zespół prezentują 2ndSCIN® na Automatica.

Fraunhofer IPA od wielu lat oferuje również metody badania emisji cząstek, odgazowania, ESD i innych wymagań. Dla badanych produktów przyznawany jest certyfikat Tested Device®, o którym można dowiedzieć się również na stoisku. Firmy otrzymują certyfikat zgodności z normami czystości i przydatności do produkcji w czystych pomieszczeniach, wraz z raportem dostosowanym do konkretnego produktu i klienta. Badania obejmują środowiska produkcyjne: czyste pomieszczenia atmosferyczne, suche czyste pomieszczenia oraz warunki próżniowe.