Donner le rythme à l'ère de la production numérique

Tout comme la Suisse, l'Allemagne a une scène robotique "vivante". L'automatisation intelligente s'impose dans de nombreux domaines. Automatica, le principal salon professionnel de l'automatisation et de la robotique intelligentes, qui a lieu tous les deux ans, agit comme une sorte de "vitrine". En raison de Corona, le salon a été reporté ; il est maintenant prévu de se tenir à Munich du 8 au 11 décembre 2020. Le Fraunhofer IPA de Stuttgart sera également présent pour montrer ce qui est déjà possible en termes de robotique et d'automatisation et où mènera le voyage sur le terrain de l'avenir.

Solutions de navigation coopératives et en réseau

Des robots mobiles compacts "rob@work" se déplacent sur une zone d'exposition surélevée. Ils naviguent de manière autonome, sont mis en réseau et présentent un scénario logistique miniaturisé. Grâce à un algorithme SLAM continu (SLAM = Simultaneous Localization and Mapping), les robots peuvent se localiser de manière fiable, même dans des environnements changeants, sans avoir besoin d'une infrastructure supplémentaire. En outre, ils échangent des données provenant de leurs propres capteurs ou de capteurs fixes installés dans l'environnement d'exploitation. Cela signifie que chaque robot dispose en permanence d'une carte à jour, qu'il peut utiliser pour ajuster son itinéraire et se localiser. Cela permet d'éviter les trajets inutiles, les goulets d'étranglement et les temps d'arrêt. "Avec cette solution de navigation coopérative, nous démontrons comment les systèmes de transport sans conducteur peuvent permettre la production de matrices, par exemple", explique Kai Pfeiffer, chef de groupe de la robotique de service pour l'industrie et le commerce chez Fraunhofer IPA. "Nous pouvons également ajouter des robots virtuels à l'exposition et utiliser la réalité augmentée pour visualiser les trajets et autres informations", ajoute-t-il. Cela simplifie et accélère la mise en service, la maintenance ou l'extension de la flotte. Le logiciel a déjà démontré avec succès à plusieurs reprises l'agilité requise des processus logistiques modernes dans des applications industrielles.

Assemblage automatisé et préhension autonome

De nombreuses entreprises s'interrogent sur la mesure dans laquelle elles peuvent automatiser leurs tâches d'assemblage. Depuis de nombreuses années, le Fraunhofer IPA propose l'analyse du potentiel d'automatisation (APA) pour cette question. Jusqu'à présent, l'APA était lié aux connaissances d'un expert en automatisation. Une nouvelle application rend désormais ces connaissances plus facilement accessibles. Il guide les utilisateurs dans l'analyse de leurs propres processus d'assemblage, évalue leurs réponses et fournit des informations sur le potentiel d'automatisation. "Avec notre application, n'importe qui peut devenir un expert dans l'évaluation des processus d'assemblage", explique Alexander Neb, qui travaille comme assistant de recherche au Fraunhofer IPA et a co-développé l'application. Il peut être obtenu via un simple contrat de licence pour une utilisation à titre d'essai.

Un autre logiciel pour l'automatisation de l'assemblage est NeuroCAD. Il analyse les propriétés des composants à l'aide de méthodes d'apprentissage machine et les utilise pour déterminer dans quelle mesure un composant convient à l'automatisation de l'assemblage. Les utilisateurs peuvent télécharger gratuitement leurs fichiers STEP sur www.neurocad.de et découvrir en quelques secondes combien il est facile ou difficile de séparer un élément. L'outil évalue également les surfaces de préhension et l'alignabilité du composant. En outre, le réseau de neurones donne une probabilité qu'il soit correct avec son résultat.

Enfin, le système modulaire pitasc pour la programmation des processus d'assemblage à commande forcée montre comment des processus exécutés manuellement peuvent être automatisés de manière économiquement viable. "Jusqu'à présent, il était nécessaire de reprogrammer largement un système de robot pour chaque application. Avec notre logiciel, les tâches une fois modélisées peuvent être rapidement transférées à de nouvelles variantes de produits, à des produits et même à des robots d'autres fabricants", explique Frank Nägele, chef du groupe de programmation et de contrôle des robots au Fraunhofer IPA. Le logiciel est structuré comme un système modulaire : il contient de nombreux modules de programme prêts à l'emploi et réutilisables qui peuvent être assemblés individuellement lors de la mise en place d'un système de robot. pitasc est prêt à être utilisé dans des applications pilotes que les scientifiques souhaitent mettre en œuvre avec des entreprises.

Non seulement l'assemblage, mais aussi l'application reach-in-the-box est parfois encore un défi pour l'automatisation. Avec l'exposition "AI Picking", le Fraunhofer IPA montre comment les méthodes d'apprentissage et les simulations de machines améliorent considérablement l'application en termes d'autonomie et de performance. Les scientifiques le démontrent en prenant l'exemple d'un robot qui prélève des objets dans une position indéfinie dans une boîte. À cette fin, une estimation de la pose des objets basée sur l'intelligence artificielle (IA) fournit des poses d'objets robustes et précises en quelques millisecondes. "Les nouveaux objets peuvent être enseignés rapidement et facilement sur la base d'un modèle CAO", explique le chef de projet Felix Spenrath. "Le logiciel peut également détecter et résoudre les enchevêtrements et manipuler avec robustesse les matériaux d'emballage." Le robot a déjà été formé de manière intensive à la simulation et ces connaissances ont ensuite été transférées à l'application réelle. Les poses saisissantes sont automatiquement générées et évaluées sur la base de ces connaissances.

Production sans contamination avec couverture de protection et tente de salle blanche

Non seulement une production plus autonome, mais aussi ultra-propre est de plus en plus demandée. "Les environnements de production propre permettent la haute technologie du futur", explique Udo Gommel, chef du département de l'ultra-propreté et de la micro-production au Fraunhofer IPA. "Les technologies clés de demain ne progresseront qu'avec la technologie de la pureté. Il est crucial : de la production de piles à la biotechnologie". Le Fraunhofer IPA utilisera les trois produits suivants pour démontrer les avancées technologiques :

• Gaine de protection 2ndSCIN® : fraîchement brevetée, 2ndSCIN® rend les composants d'automatisation dynamiques tels qu'un robot prêts pour une production ultra propre. La gaine est constituée d'un textile perméable, mobile et multicouche, dont le mode de fonctionnement est calqué sur celui de la peau humaine. Selon l'application, deux ou plusieurs couches peuvent être superposées. Les couches sont séparées par des entretoises. Dans chaque fente, par exemple, l'air peut être aspiré ou retiré. De cette manière, les particules provenant de l'environnement ou du composant d'automatisation peuvent être éliminées. L'introduction de gaz dans les espaces interstitiels du système permet sa stérilisation. En outre, la couverture peut être changée en une heure environ et peut être réutilisée après décontamination. Les couches textiles sont également équipées de capteurs qui mesurent en continu des paramètres tels que la quantité de particules, la pression ou l'humidité. À l'avenir, ces données de capteurs seront évaluées à l'aide d'algorithmes de CI et permettront, par exemple, une maintenance prédictive.
• Salle blanche mobile CAPE® : les scientifiques de l'IPA Fraunhofer ont également mis au point un système de salle blanche mobile, semblable à une tente, qui peut être installé en moins d'une heure, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur dans des zones protégées des intempéries. Cette "salle blanche à la demande" offre aux fabricants un environnement de fabrication mobile et sans contamination qui permet d'obtenir une pureté de l'air de classe ISO 1 à 9. Cette solution convient aux fabricants qui doivent produire sans contamination, mais qui n'ont pas besoin d'un environnement stérile et propre disponible en permanence. Les exemples incluent des applications dans la fabrication de puces, la technologie médicale, l'industrie alimentaire et l'assemblage de satellites. L'industrie automobile bénéficie également de la tente salle blanche, par exemple pour la production de piles à batteries ou de piles à combustible.
• Fraunhofer Tested Device® : Depuis de nombreuses années, le Fraunhofer IPA propose également des méthodes de mesure des émissions de particules et attribue aux objets testés le certificat "Tested Device". Dans le CAPE® susmentionné, cette procédure est démontrée au moyen d'un compteur optique de particules et d'un objet test. Avec le rapport d'essai spécifique au produit et au client, les entreprises reçoivent la confirmation de la propreté et de l'adéquation aux salles blanches de leurs systèmes, dispositifs ou consommables.

Expliquer l'apprentissage machine et la communication de données En robotique, ainsi que dans de nombreux autres domaines d'application de la production et des services, les méthodes d'apprentissage machine et les réseaux neuronaux artificiels sont de plus en plus utilisés. Selon l'application, il devient de plus en plus important de savoir exactement comment elles fonctionnent et pourquoi elles aboutissent à un certain résultat. Ils doivent devenir explicables. En raison de leur complexité, cela n'est souvent pas encore possible. "Plus un réseau neuronal est puissant, plus il est difficile à comprendre", explique le professeur Marco Huber, qui dirige le Centre d'intelligence cyber-cognitive (CCI) et le département de traitement des images et des signaux du Fraunhofer IPA. Sous la devise "IA explicable" (xAI), Fraunhofer IPA présente des méthodes qui visualisent les décisions des réseaux de neurones et les rendent transparentes et compréhensibles pour l'utilisateur. "Cette compréhensibilité renforce l'acceptation de l'IA, crée la confiance, améliore le bon fonctionnement et apporte une sécurité juridique", explique M. Huber.

Les données s'accumulent dans chaque production, mais il n'est souvent pas possible de les utiliser et de les évaluer en raison des différents formats et interfaces. C'est exactement là qu'intervient le logiciel "StationConnector" en fournissant une interface uniforme dans toutes les usines. De cette manière, il peut communiquer des données facilement et de manière spécifique à l'application entre les protocoles industriels, les contrôleurs et tout système informatique. "Avec notre logiciel, les utilisateurs peuvent rapidement générer et mettre en œuvre des modèles commerciaux basés sur des données", explique Marcus Defranceski, chef de groupe pour les systèmes d'automatisation spécifiques à la pureté. Le logiciel est facile et flexible à utiliser et convient à un large éventail d'applications, telles que les processus ou la surveillance des infrastructures critiques.

Rendre la production plus efficace et alléger le fardeau des travailleurs

Un démonstrateur d'optimisation autonome de la production montre comment les pertes de production peuvent être automatiquement détectées et leurs causes déterminées. Il représente un modèle automatisé de chaîne de production. Ceci est observé à la fois via le contrôleur et via des capteurs externes tels que des barrières lumineuses ou des caméras. Toutes les sources d'observation sont utilisées pour créer un modèle de comportement de la ligne. Cela permet d'analyser en permanence la ligne en ligne et donc d'enregistrer le comportement normal et d'identifier les pertes de production sur cette base. "Nous voulons ainsi accroître l'efficacité de l'ensemble du système et rendre transparents les paramètres clés du processus", explique Julian Maier, scientifique au Fraunhofer IPA et co-développeur du démonstrateur.

Malgré les nombreuses possibilités d'automatisation, la puissance de travail flexible de l'homme dans la production est encore irremplaçable en de nombreux endroits et doit être préservée au mieux. Les exosquelettes, c'est-à-dire les systèmes robotiques qui se portent directement sur le corps, fournissent un soutien énergétique pour les activités exigeantes et soulagent les humains. Au Fraunhofer IPA, il y a l'Exo-Jacket de Stuttgart (SEJ), un exosquelette pour la recherche et le développement. La SEJ soutient activement les membres supérieurs lors des activités de levage et des activités aériennes. Le système actuel, démontré par le Fraunhofer IPA, est principalement destiné aux applications dans le domaine de la logistique, où les travailleurs manipulent manuellement des objets tels que des pneus, des boîtes ou des valises avec les deux mains dans la zone située entre le genou et la hauteur des épaules devant le corps. "L'idée centrale du système est que les utilisateurs peuvent toujours déplacer leurs mains de la meilleure façon possible et ainsi utiliser de manière optimale leurs capacités de manipulation", explique Christophe Maufroy, chef de groupe des systèmes d'assistance physique et des capteurs intelligents au Fraunhofer IPA, en décrivant la particularité du SEJ. L'Exo-Jacket de Stuttgart montre probablement ce que l'on pourrait comprendre par une "unité de l'homme et de la machine" dans le futur ...