Wirtualny świat podbija produkcję

Z danych zbieranych przez chmurową nawigację z mobilnych robotów i sensorów można symulować przepływy materiałów w czasie rzeczywistym – bardziej realistycznie niż kiedykolwiek wcześniej. (Zdjęcie: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Za pomocą uczenia maszynowego coraz bardziej udoskonalana jest technika chwytania do pudełka. W ramach projektu badawczego „DeepGrasping” powstaje obecnie wirtualne środowisko edukacyjne dla robotów. (Źródło: Fraunhofer IPA, Zdjęcie: Rainer Bez)

Oprogramowanie drag&bot dostarcza gotowe moduły programistyczne, które można szybko i intuicyjnie łączyć za pomocą graficznego interfejsu użytkownika, tworząc skomplikowane aplikacje robotyczne. (Zdjęcie: Fraunhofer IPA/Rainer Bez)

Dzięki wielokrotnego użytku infrastruktury programowej – system operacyjny „Robot Operating System” (ROS) – tworzenie oprogramowania dla robotów przemysłowych wykonujących złożone zadania jest teraz znacznie łatwiejsze. (Zdjęcie: Fraunhofer IPA)

Systemy transportowe bezzałogowe muszą podjeżdżać pod ładunki, aby móc je podnosić. Dlatego powinny być jak najpłaskie. Nowo zaprojektowany moduł napędu omnidirectionalnego ma więc bardzo ograniczoną przestrzeń nad kołem. (Źródło: Fraunhofer IPA) / Automatyczne pojazdy naprowadzane muszą ustawiać się pod ładunkami, aby je podnieść. Z tego powodu muszą być jak najpłaskie. Struktura nowego modułu napędu omnidirectionalnego nad kołami jest więc bardzo smukła. (Zdjęcie: Fraunhofer IPA)

Eksperci zintegrowali moduły napędowe w łokciach i ramionach, aby wspierać ruchy o dużym momencie obrotowym. (Źródło: Fraunhofer IPA, Zdjęcie: Rainer Bez) / The experts have integrated drive modules at the elbows and shoulders to support high-torque movements. (Photo: Fraunhofer IPA)

- Rejestrować dane w czasie rzeczywistym w »Smart Factory«
- Rozszerzoną rzeczywistość wykorzystywać w celach planowania procesów
- Wykorzystać sztuczną inteligencję do programowania robotów
- Oferować koncepcje ergonomicznej pracy w środowisku produkcyjnym

Już podczas ostatnich targów Automatica sprzed dwóch lat dyrektor instytutu IPA, prof. Thomas Bauernhansl, określił Przemysł 4.0 jako proces rozwoju, który odbywa się niezwykle szybko. Jest przekonany: „Kto dziś się tym nie zajmuje, prawdopodobnie będzie tego gorzko żałować jutro”. Dobra wiadomość jest taka, że ta wypowiedź nie uległa zmianie. Jednakże zmieniła się świadomość firm, które zaczynają podejmować działania w zakresie cyfryzacji — czy to w formie sprintów, czy maratonów — opracowując strategie, definiując i wdrażając odpowiednie działania.

Na stoisku Fraunhofer IPA w hali A4, stoisko 421, cztery filary Przemysłu 4.0 — produkcja, produkt, IT i człowiek — będą prezentowane na różne sposoby w kontekście zdigitalizowanego świata przemysłowego: Zwiedzający będą mogli, na podstawie kilku eksponatów współpracujących w chmurze, zrozumieć, jakie rozwiązania oferuje niemiecki instytut badawczy dla różnych etapów łańcucha wartości przemysłowej.

Symulacje przepływu materiałów tak realistyczne jak nigdy dotąd

Własny obszar demonstracyjny przeznaczony jest dla nawigacji robotów. Tam Kai Pfeiffer i jego koledzy pokazują mobilne roboty, które są połączone w chmurze. Kooperatywnie mapują swoje otoczenie i planują trasy za pomocą wirtualnego obrazu produkcji (Cień cyfrowy). „Niespodziewanie pojawiające się przeszkody omijają z zachowaniem ustalonego bezpiecznego odstępu, bez tworzenia zatorów czy kolizji”, wyjaśnia Pfeiffer.

Korzyści, jakie oferuje nawigacja w chmurze w nowoczesnych architekturach Przemysłu 4.0, dostrzega tylko ten, kto założy okulary rozszerzonej rzeczywistości: od razu widać, że rzeczywista powierzchnia demonstracyjna jest znacznie większa. Wirtualne roboty poruszają się również w sąsiednich obszarach stoiska i unikają odwiedzających, którzy przecinają ich drogę, nie zdając sobie z tego sprawy. Cel tej demonstracji: dane zbierane przez nawigację w chmurze za pomocą mobilnych robotów i innych sensorów w hali produkcyjnej pozwalają na symulację przepływów materiałów w czasie rzeczywistym, które są znacznie bliższe rzeczywistości niż kiedykolwiek wcześniej. Nie są już potrzebne kosztowne i czasochłonne testy praktyczne z systemami robotów.

Uczenie maszynowe: ćwiczenia czynią mistrza

Automatyzacja obsługi technicznej staje się coraz bardziej wydajna. Felix Spenrath i jego zespół nieustannie rozwijają sprawdzane oprogramowanie bp3™ od Fraunhofer IPA, które jest podstawą skutecznego chwytania w skrzyni. „Dzięki ulepszonym algorytmom i nowym technologiom sensorów, roboty przemysłowe mogą teraz rozpoznawać i chwytać płaskie, niesortowane elementy blachy”, mówi Spenrath. Informacje dostarczane przez nowoczesne czujniki 3D są wykorzystywane w optymalny sposób. Nowy, intuicyjny interfejs użytkownika znacznie ułatwia i przyspiesza programowanie, dzięki czemu koszty inwestycji w komórki obsługi zwracają się już po dwóch latach. Na stoisku prezentowany jest dwuramny demonstrator ilustrujący najnowsze postępy.

Dzięki uczeniu maszynowemu rozpoznawanie obiektów i rozdzielanie nieuporządkowanych elementów jest coraz bardziej dopracowane. W ramach projektu badawczego „DeepGrasping” powstaje obecnie wirtualne środowisko szkoleniowe. Roboty ćwiczą różne procesy chwytania na elementach roboczych jeszcze przed uruchomieniem, które będą wykorzystywane w operacyjnym działaniu. Sieci neuronowe uczą się na podstawie tych symulowanych chwytów, ciągle ulepszając swoją wiedzę o procesach — zgodnie z hasłem: „Ćwiczenia czynią mistrza”. Na stoisku prezentowana jest prezentacja projektu DeepGrasping oraz pierwsze wyniki.

Oprogramowanie drag&bot upraszcza programowanie robotów

Roboty rzadko są jeszcze wykorzystywane w małych i średnich przedsiębiorstwach. Powód: specyficzne języki programowania producentów są tak skomplikowane, że konieczne jest zatrudnianie zewnętrznych specjalistów do ich programowania na nowe zadania. „W erze intuicyjnej obsługi smartfonów i tabletów, tak czasochłonne i kosztowne programowanie robotów nie jest już postępowe”, uważa Martin Naumann.

Dlatego naukowiec z Fraunhofer IPA, wraz z kolegami, opracował oprogramowanie drag&bot, które minimalizuje wysiłek programistyczny. Kluczową cechą jest to, że drag&bot dostarcza gotowe bloki programowe, które można szybko i intuicyjnie łączyć za pomocą graficznego interfejsu, tworząc skomplikowane aplikacje robotów. Dodatkowo, ułatwienia w obsłudze i parametryzacji bloków sprawiają, że nie jest już potrzebna wiedza ekspercka do programowania robotów różnych producentów. Na automatyce 2018 Naumann zaprezentuje, jak łatwo można obsługiwać drag&bot, korzystając z komórkowej komórki robotycznej. Każdy odwiedzający stoisko będzie mógł samodzielnie zaprogramować aplikacje obsługi lub montażu, klikając kilka razy.

ROS-Industrial: Oprogramowanie open-source w jakości przemysłowej

Dzięki wielokrotnego użytku infrastruktury programistycznej, system operacyjny „Robot Operating System” (ROS) ułatwia tworzenie oprogramowania zarówno dla robotów, jak i systemów robotycznych wykonujących złożone zadania. „Ale także standaryzowane interfejsy stanowią istotne ułatwienie. ROS zapewnia wspólną podstawę dla robotyki — tak jak Linux dla komputerów czy Android dla smartfonów”, wyjaśnia Mirko Bordignon. Użytkownicy końcowi i integratorzy systemów nie muszą ciągle opracowywać od nowa skomplikowanych funkcji, ponieważ oferuje je oprogramowanie open-source ROS — głównie w zakresie nawigacji mobilnej, planowania ruchu chwytania i robotów, symulacji oraz przetwarzania obrazów i sensorów.

I co ważne: ROS pozwala zaoszczędzić pieniądze. Coraz więcej zaawansowanych komponentów oprogramowania jest dostępnych bezpłatnie i spełnia już wymagania jakościowe przemysłu. Inne grupują programistów w obszerne „biblioteki”, w które wkładają swoje doświadczenia z różnych projektów badawczych i przemysłowych. ROS-Industrial to inicjatywa zarządzana w Europie przez Fraunhofer IPA, wspierająca transfer technologii ROS do środowiska przemysłowego. Na stoisku prezentowany jest demonstrator z hardware’em od dużych producentów, wykonujący zadania sterowane percepcją — wszystko zaprogramowane za pomocą ROS.

Mobilne platformy: kompaktowe i zwrotne z kierowanymi kołami standardowymi

Mobilne roboty terenowe i bezzałogowe pojazdy transportowe mogą poruszać się we wszystkich kierunkach, niezawodnie przechodzić przez wąskie przejścia i unikać czasochłonnego manewrowania. Jednak obecnie takie roboty najczęściej wyposażone są w mechaniczne lub wszechstronne koła, co wiąże się z pewnymi wadami w zakresie poślizgu, odometry i zdolności pokonywania luźnego podłoża, schodów i progów. Fraunhofer IPA od dawna stawia na napędy z kierowanymi kołami standardowymi i przedstawia trzecią, najnowszą generację na tegorocznych targach Automatica.

„Ponieważ systemy transportu bezzałogowego mają podnosić i zsuwać ładunki, muszą być jak najpłaskie”, podkreśla Theo Jacobs, który zaprojektował najnowszy moduł napędowy. Posiada on bardzo małą przestrzeń montażową nad kołem, a mimo to jest wyposażony w pełną zawieszenie. Dzięki dwóm równoległym kołom na moduł można osiągnąć wysoką gęstość mocy: w razie potrzeby dostępna jest pełna moc silnika do napędu. Różne sterowanie dwoma kołami pozwala na obrót modułu — nie ma potrzeby stosowania dodatkowego silnika kierującego. Na stoisku Jacobs zaprezentuje najnowszą wersję modułów napędowych na stanowisku testowym, umożliwiającym przeprowadzanie testów długoterminowych na różnych podłożach i z różnymi nierównościami terenu.

Autonomiczna optymalizacja złożonych systemów produkcyjnych w produkcji jednostkowej

W przypadku kosztownych systemów produkcyjnych firmy muszą stale dążyć do maksymalizacji wydajności. W przeciwnym razie grozi im presja kosztowa i luki finansowe. Jednak wiele systemów produkcyjnych obejmuje wiele stanowisk i działa tak szybko, że przyczyny błędów nie są już widoczne gołym okiem. Tu z pomocą przychodzi innowacyjne podejście Felix MÜller i jego zespołu — inteligentna optymalizacja systemów. Narzędzie analityczne wykrywa błędy w powiązanych systemach produkcyjnych i automatycznie, w czasie rzeczywistym, wskazuje ich przyczyny oraz rozprzestrzenianie się błędów.

Kluczową technologią są uczące się algorytmy, opracowane specjalnie do analizy szybkobieżnych linii produkcyjnych jednostkowych. Do zbierania danych „od wewnątrz” wykorzystywany jest wysokowydajny konnektor, który odwołuje się do danych z systemu sterowania maszynami. Dodatkowo inteligentne kamery „z zewnątrz” rejestrują istotne cechy procesu. Powstaje w ten sposób ciągła baza danych, przesyłana w czasie rzeczywistym do narzędzia analitycznego. To narzędzie może wyciągać wnioski za pomocą algorytmów i przygotowywać informacje w żądanej formie. Potrafi także analizować powiązania między błędami i je priorytetyzować. Nadaje się również do automatycznego benchmarkingu maszyn. Dzięki temu można podnieść poziom wydajności wszystkich maszyn w parku maszynowym nawet o 15 procent, co już przyniosło realne korzyści w produkcji farmaceutycznej, dóbr konsumpcyjnych i motoryzacyjnej.

„E-Bike do noszenia” chroni zdrowie

Naukowcy z IPA przyczyniają się do odciążenia pracowników produkcji pod względem fizycznym. Doskonałym przykładem jest Stuttgart-Exo-Jacket — zewnętrzny egzoszkielet górnej części ciała, który wspomaga użytkownika dodatkowymi siłami, nie ograniczając jego ruchów. W okolicach łokci i ramion zintegrowano moduły napędowe, które wspomagają ruchy z dużym momentem obrotowym. Zastosowano regulację impedancyjną za pomocą czujników ciśnienia w osłonach ramion, co zapewnia płynny współruch egzoszkieletu. Na części ramion zamontowano łańcuch stawów z pięcioma osiami obrotu, który podąża za grupą stawów barkowych w każdej pozycji. Element napędowy zawsze znajduje się tam, gdzie jest aktualnie ramię. W ten sposób możliwe są skomplikowane ruchy w trzech kierunkach: w górę, do tyłu i do wewnątrz. Nawet montaż nad głową jest możliwy.

Ponieważ moduły aktywują się tylko wtedy, gdy są naprawdę potrzebne, można dodatkowo zaoszczędzić energię. W średnim okresie naukowcy planują opracować modułowy zestaw do różnych zastosowań. W tym celu zostanie uruchomiony szczegółowy workflow rozwojowy i symulacyjny oparty na danych o ruchu. Dzięki szczegółowemu modelowi mięśniowo-szkieletowemu można obliczyć odciążenia. W zależności od wykonywanej czynności firmy będą mogły tworzyć indywidualne rozwiązania.

„Virtual Fort Knox” nie jest już jedynym, ale jest unikalny

Od 2012 roku Fraunhofer IPA współpracuje z firmami z sektora MŚP nad platformą Virtual Fort Knox (VFK), otwartą platformą usług IT dla przedsiębiorstw produkcyjnych. Od połowy 2017 roku platforma badawcza VFK jest wdrażana jako rozproszona platforma hybrydowa w sześciu innych instytutach w ramach grupy Fraunhofer Produktion. Służy jako kolaboracyjna platforma badawcza do rozwoju innowacyjnych usług dla produkcji i stanowi podstawę dla otwartego, rzeczywistoczasowego systemu operacyjnego dla przemysłu. Jak wyjaśnia Joachim Seidelmann, kierownik DigiTools w Fraunhofer IPA: „Chcemy wdrożyć koncepcje Industrie 4.0, które pozwolą użytkownikom zwiększyć efektywność produkcji”.

Na Automatyce VFK będzie połączone z Festo CP Lab — miniaturową linią taśmową, która posiada kilka możliwości sterowania. Kierownik grupy Daniel Stock mówi: „Prezentujemy, jak można łatwo i elastycznie łączyć urządzenia i patrzymy — na przykład dzięki nadchodzącej technologii 5G — nie tylko na zbliżoną do rzeczywistej integrację danych, ale także na sterowanie w chmurze, aby w przyszłości oferować użytkownikom zupełnie nowe możliwości”.