Wielokrotnik w erze cyfrowej produkcji

Autonomicznie poruszające się mobilne roboty są kluczowym elementem dla elastycznej produkcji i zastosowań logistycznych. (© Fraunhofer IPA/Uniwersytet w Stuttgarcie IFF/Zdjęcie: Rainer Bez) / Autonomicznie poruszające się mobilne roboty są kluczowym elementem dla elastycznej produkcji i zastosowań logistycznych. (© Fraunhofer IPA/Uniwersytet w Stuttgarcie IFF Zdjęcie: Rainer Bez)

Za pomocą oprogramowania pitasc można w sposób ekonomicznie opłacalny zautomatyzować zastosowania montażowe, takie jak zatrzaskowe mocowanie czy wsuwanie elementów. (© Fraunhofer IPA/Zdjęcie: 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)

Nowa, opatentowana osłona ochronna 2ndSCIN® zapewnia czystościową kompatybilność dowolnych poruszających się elementów automatyzacji. (© Fraunhofer IPA/Zdjęcie: Rainer Bez)

CAPE® to system czystego pomieszczenia przypominający namiot, który zapewnia tani, szybki i elastyczny środowisko czystego pomieszczenia. (© Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez) / CAPE® to system czystego pomieszczenia przypominający namiot, który zapewnia tani, szybki i elastyczny środowisko czystego pomieszczenia. (© Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez)

Różne metody opracowane przez Fraunhofer IPA pomagają wyjaśnić procesy uczenia maszynowego, takie jak tutaj pokazana sieć neuronowa, oraz zrozumieć, jak one działają. (© 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)

Za pomocą danych z czujników i ich analizy można automatycznie wykrywać nieefektywności lub straty na liniach produkcyjnych. (© Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez) / With the help of sensor data and subsequent analysis, inefficiencies or losses in production lines can be automatically detected. (© Fraunhofer IPA/Image: Rainer Bez)

Stuttgart Exo-Jacket aktywnie wspiera górną część ciała podczas ręcznego przenoszenia i zwłaszcza podczas podnoszenia i prac nad głową. (© Fraunhofer IPA/Zdjęcie: 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)

W ramach inicjatywy »Kognitywna Robotyka« na przykład rozwijane są technologie uczenia maszynowego do zastosowań w chwytaniu z pudełka. (© 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)

Autonomny, inteligentny, reinny: od mobilnych i samouczących się robotów po najnowocześniejsze technologie czystych pomieszczeń, metody wyjaśnialności uczenia maszynowego, narzędzia programowe dla produkcji aż po Stuttgart Exo-Jacket – Fraunhofer IPA prezentuje na Automatyce w grudniu mnóstwo zastosowań i usług dla zautomatyzowanej produkcji. Pierwsze spojrzenie można już uzyskać podczas Virtual IPA Preview 18 czerwca 2020 roku.

»Nowe pomysły na automatyzację jutra« obiecuje Automatica, wiodące targi dla inteligentnej automatyzacji i robotyki. Również Fraunhofer IPA z Stuttgartu przyjęło to credo i – obok wielu innych miejsc na miejscu – na powierzchni 240 metrów kwadratowych pokaże, co już dziś jest możliwe i dokąd zmierza przyszłość na podłodze produkcyjnej.

Kooperacyjne i połączone rozwiązania nawigacyjne

Na podniesionej powierzchni wystawienniczej poruszają się kompaktowe mobilne roboty „rob@work”. Poruszają się autonomicznie, są połączone ze sobą i prezentują zminiaturyzowany scenariusz logistyczny. Dzięki ciągłemu algorytmowi SLAM roboty mogą niezawodnie lokalizować się nawet w zmieniającym się otoczeniu, bez konieczności posiadania dodatkowej infrastruktury. Dodatkowo wymieniają dane z własnych lub stacjonarnych czujników zainstalowanych w środowisku operacyjnym. W ten sposób każdy robot ma zawsze aktualną mapę, na podstawie której może dostosować swoją trasę i się zlokalizować. To zapobiega niepotrzebnym objazdom, zatorom i przestojom.

»Dzięki temu kooperacyjnemu rozwiązaniu nawigacyjnemu pokazujemy, jak systemy transportu bezzałogowego mogą na przykład umożliwić produkcję matrycową«, wyjaśnia Kai Pfeiffer, kierownik grupy robotów serwisowych dla przemysłu i handlu w Fraunhofer IPA. »Możemy również rozbudować ten eksponat o wirtualne roboty i wizualizować ścieżki jazdy oraz inne informacje za pomocą rozszerzonej rzeczywistości«, dodaje. To upraszcza i przyspiesza uruchomienie, konserwację lub rozbudowę floty. Oczekiwana zwinność nowoczesnych procesów logistycznych już wielokrotnie została udowodniona w zastosowaniach przemysłowych przez ten program.

Zautomatyzowany montaż i autonomiczne chwytaki

Wiele firm zastanawia się, na ile mogą zautomatyzować swoje zadania montażowe. Od wielu lat Fraunhofer IPA oferuje analizę potencjału automatyzacji (APA) dla tego pytania. Dotychczas APA była powiązana z wiedzą eksperta ds. automatyzacji. Nowa aplikacja ułatwia dostęp do tej wiedzy. Prowadzi użytkownika przez analizę własnych procesów montażowych, ocenia jego odpowiedzi i informuje o potencjałach automatyzacji. »Dzięki naszej aplikacji każdy może stać się ekspertem w ocenie procesów montażowych«, wyjaśnia Alexander Neb, naukowiec pracujący w Fraunhofer IPA i współtwórca aplikacji. Można ją uzyskać na podstawie prostej umowy licencyjnej do celów testowych.

Innym programem do automatyzacji montażu jest NeuroCAD. Analizuje on za pomocą metod uczenia maszynowego właściwości elementów i na tej podstawie ocenia, na ile dany element nadaje się do automatyzacji montażu. Użytkownicy mogą bezpłatnie przesłać swoje pliki STEP na stronie www.neurocad.de i w ciągu kilku sekund dowiedzieć się, jak łatwo lub trudno jest wyodrębnić dany element. Ponadto narzędzie ocenia powierzchnie chwytne i możliwość ustawienia elementu. Dodatkowo sieć neuronowa podaje prawdopodobieństwo, że jej wynik jest poprawny.

Wreszcie, systemowy zestaw do programowania pitasc pokazuje, jak ręcznie wykonywane procesy można opłacalnie i sensownie zautomatyzować. »Dotychczas konieczne było programowanie systemu robota od nowa dla każdej aplikacji. Z naszą oprogramowaniem zadania modelowane raz można szybko przenosić na nowe warianty produktów, produkty i nawet na roboty innych producentów«, mówi Frank Nägele, kierownik grupy programowania i sterowania robotami w Fraunhofer IPA. Oprogramowanie jest zbudowane podobnie do systemu modułowego: zawiera wiele gotowych do użycia i wielokrotnego wykorzystania bloków programowych, które można indywidualnie łączyć podczas konfiguracji systemu robota. pitasc jest gotowy do zastosowania w pilotażowych projektach, które naukowcy chętnie realizują wspólnie z firmami.

Nie tylko montaż, ale także zastosowanie „Chwytaj w pudełko” nadal stanowi wyzwanie dla automatyzacji. Z eksponatem „AI Picking” Fraunhofer IPA pokazuje, jak metody uczenia maszynowego i symulacje mogą znacząco poprawić autonomię i wydajność tej operacji.

Naukowcy demonstrują to na przykładzie robota, który chwyta obiekty z nieokreślonej pozycji z pudełka. Opierając się na sztucznej inteligencji (SI), ocena położenia obiektu zapewnia solidne i precyzyjne dane w ciągu kilku milisekund. »Nowe obiekty można szybko i łatwo nauczyć na podstawie modelu CAD«, wyjaśnia kierownik projektu Felix Spenrath. »Oprogramowanie potrafi także wykrywać i rozwiązywać zakleszczenia oraz radzić sobie z opakowaniami.« Robot został już szeroko wytrenowany w symulacji, a ta wiedza została następnie przeniesiona do rzeczywistego zastosowania. Pozycje chwytania są automatycznie generowane i oceniane na podstawie tej wiedzy.

Produkcja bez zanieczyszczeń z osłoną ochronną i namiotem czystego pomieszczenia

Nie tylko bardziej autonomiczna, ale także ultraczysta produkcja staje się coraz bardziej pożądana. »Czyste środowiska produkcyjne umożliwiają wysoką technologię przyszłości«, wyjaśnia Udo Gommel, kierownik działu Reinst- i mikroprodukcji w Fraunhofer IPA. »Kluczowe technologie jutra rozwijają się tylko z technikami czystości. To jest decydujące: od produkcji baterii po biotechnologię.«

Osłona ochronna 2ndSCIN®: niedawno opatentowana, czyni 2ndSCIN® gotowym do dynamicznej automatyzacji komponentów, takich jak roboty do ultraczystej produkcji. Osłona składa się z przepuszczalnego, ruchomego i wielowarstwowego tekstylu, który naśladuje ludzką skórę. W zależności od zastosowania, mogą być ułożone dwie lub więcej warstw. Warstwy są oddzielone dystansami. W każdym z nich można na przykład zasysać lub odprowadzać powietrze. W ten sposób można usunąć cząstki pochodzące z otoczenia lub z komponentu automatyzacji. Wprowadzenie gazów do przestrzeni między warstwami umożliwia sterylizację systemu. Ponadto, osłona może być wymieniona w około godzinę i po dekontaminacji może być ponownie używana. Warstwy tekstylne są również wyposażone w czujniki, które stale mierzą parametry takie jak ilość cząstek, ciśnienie czy wilgotność. W przyszłości dane te będą analizowane za pomocą algorytmów SI, co umożliwi na przykład przewidywanie konserwacji. »2ndSCIN® jest niezwykle elastyczny w konstrukcji, co pozwala nam realizować indywidualne potrzeby«, wyjaśnia Gommel. »Tak adresujemy wiele wymagań dotyczących osłon dla komponentów czystych pomieszczeń, które dotychczasowe produkty nie spełniały.«

Mobilne czyste pomieszczenie CAPE®: naukowcy z Fraunhofer IPA opracowali również mobilny, namiotopodobny system czystego pomieszczenia, który można zbudować w mniej niż godzinę zarówno w pomieszczeniach wewnętrznych, jak i na zewnątrz w warunkach pogodowych. Z tym „Czystym pomieszczeniem na żądanie” producenci otrzymują mobilne, wolne od zanieczyszczeń środowisko produkcyjne, które zapewnia czystość powietrza w klasach ISO 1 do 9. Jest to szczególnie atrakcyjne dla producentów, którzy muszą produkować bez zanieczyszczeń, ale nie potrzebują stałej, sterylnej i czystej przestrzeni. CAPE® nadaje się na przykład do zastosowań w produkcji układów scalonych, medycynie, przemyśle spożywczym czy montażu satelitów. Również przemysł motoryzacyjny korzysta z namiotowego systemu czystego pomieszczenia, na przykład w produkcji ogniw bateryjnych lub ogniw paliwowych. »CAPE® można również używać w obszarach kryzysowych, na przykład do zapewnienia czystego i sterylnego środowiska, gdy na miejscu nie ma sali operacyjnej«, mówi Gommel.

Fraunhofer Tested Device®: od wielu lat Fraunhofer IPA oferuje również metody pomiaru emisji cząstek i wyróżnia sprawdzone obiekty certyfikatem »Tested Device®«. W przypadku wspomnianego CAPE® metoda ta jest demonstrowana za pomocą optycznego licznika cząstek i testowego obiektu. Firmy otrzymują na podstawie raportu testowego, dostosowanego do produktu i klienta, potwierdzenie czystości i przydatności do czystych pomieszczeń ich urządzeń, narzędzi lub materiałów eksploatacyjnych.

Wyjaśnianie uczenia maszynowego i przekazywanie danych

W robotyce, jak i w wielu innych dziedzinach produkcji i usług, coraz częściej stosuje się metody uczenia maszynowego i sztuczne sieci neuronowe. W zależności od zastosowania, coraz ważniejsze staje się zrozumienie, jak dokładnie działają i dlaczego prowadzą do określonych wyników. Muszą stać się wyjaśnialne. Dotychczas ze względu na ich złożoność często jest to niemożliwe. »Im bardziej wydajna jest sieć neuronowa, tym trudniej ją zrozumieć«, wyjaśnia prof. Marco Huber, kierownik Centrum Cyber Cognitive Intelligence (CCI) i działu przetwarzania obrazów i sygnałów w Fraunhofer IPA.

Na Automatyce Fraunhofer IPA prezentuje pod hasłem »Explainable AI« (xAI) metody wizualizacji decyzji sieci neuronowych, które czynią je przejrzystymi i zrozumiałymi dla użytkownika. »Ta przejrzystość zwiększa akceptację SI, buduje zaufanie, poprawia prawidłowe funkcjonowanie i zapewnia bezpieczeństwo prawne«, wyjaśnia Huber.

W każdej produkcji powstają dane, ale ze względu na różne formaty i interfejsy często nie można ich wykorzystać i ocenić. Oprogramowanie »StationConnector« właśnie w tym pomaga, oferując jednolity interfejs dla wszystkich urządzeń. Umożliwia ono łatwe i specyficzne dla zastosowania przekazywanie danych między protokołami przemysłowymi, sterownikami i dowolnymi systemami IT. »Dzięki naszemu oprogramowaniu użytkownicy mogą szybko generować i wdrażać modele biznesowe oparte na danych«, mówi Marcus Defranceski, kierownik grupy automatyzacji specyficznej dla czystości. Eksponat na stoisku pokazuje, jak proste i elastyczne jest to narzędzie i jak można je wykorzystać w różnych zastosowaniach, na przykład w metodach SI czy monitorowaniu.

Usprawnianie produkcji i odciążanie pracowników

Jak automatycznie wykrywać straty w produkcji i ustalać ich przyczyny, pokazuje demonstrator do autonomicznej optymalizacji produkcji. Odzwierciedla on zautomatyzowany model linii produkcyjnej. Jest on monitorowany zarówno przez sterowanie, jak i zewnętrzne czujniki, na przykład światłowody czy kamery. Wszystkie źródła obserwacji służą do tworzenia modelu zachowania linii. Umożliwia to ciągłą analizę online i rozpoznanie normalnego zachowania, a na tej podstawie identyfikację strat produkcyjnych. »Chcemy zwiększyć efektywność całej instalacji i uczynić kluczowe parametry procesu przejrzystymi«, wyjaśnia Julian Maier, naukowiec w Fraunhofer IPA i współtwórca demonstratora.

Elastyczna siła robocza człowieka w produkcji jest mimo wielu możliwości automatyzacji wciąż niezastąpiona w wielu obszarach, dlatego należy ją jak najlepiej chronić. Eksoszkielety, czyli systemy robotyczne noszone bezpośrednio na ciele, oferują wsparcie siłowe przy trudnych zadaniach i odciążają człowieka. W Fraunhofer IPA dostępny jest Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), egzoszkielet do celów badawczych i rozwojowych. SEJ aktywnie wspomaga górne kończyny podczas podnoszenia i prac nad głową. Aktualny system na stoisku, Stuttgart Exo-Jacket 2, jest głównie przeznaczony do zastosowań w logistyce, gdzie pracownicy ręcznie obsługują przedmioty takie jak opony, skrzynki czy walizki na wysokości od kolan do ramion przed ciałem.

»Podstawową ideą systemu jest to, że użytkownicy mogą nadal swobodnie poruszać rękami i tym samym optymalnie korzystać z ich zdolności manipulacyjnych«, opisuje Christophe Maufroy, kierownik grupy systemów fizycznej asysty i czujników inteligentnych w Fraunhofer IPA, cechę SEJ. Ponadto, eksponat obejmuje mierzalne analizy ergonomiczne stanowisk pracy i ich optymalizację.

Poznaj i wykorzystaj inicjatywę SI

Nie tylko stoisko Fraunhofer IPA informuje o inicjatywach związanych ze sztuczną inteligencją. Eksponaty »pitasc« i »AI Picking« są częścią inicjatywy »Kognitywna robotyka«, finansowanej przez kraj Badenia-Wirtembergia. Celem jest dalszy rozwój innowacyjnych technologii robotycznych i wdrażanie umiejętności takich jak percepcja, uczenie się, przewidywanie i dostosowywanie się w zastosowaniach. Kognitywna robotyka oferuje rozwiązania, które pozwalają pokonać wyzwania przyszłej produkcji – wywołane przez społeczne megatrendy. Dzięki zaangażowaniu partnerów przemysłowych tworzona jest sieć i zapewniany transfer technologii.