Dettare il ritmo nell'era della produzione digitale

Come la Svizzera, anche la Germania ha una scena robotica "vivace". L'automazione intelligente si sta facendo strada in molti settori. Automatica, la principale fiera dell'automazione intelligente e della robotica, che si svolge ogni due anni, agisce come una sorta di "vetrina". A causa di Corona, la fiera è stata rinviata; ora è prevista a Monaco dall'8 all'11 dicembre 2020. Anche il Fraunhofer IPA di Stoccarda sarà presente per mostrare ciò che è già possibile in termini di robotica e automazione e dove porterà il viaggio nella fabbrica del futuro.

Soluzioni di navigazione cooperativa e in rete

I robot mobili compatti "rob@work" viaggiano su un'area espositiva sopraelevata. Navigano autonomamente, sono collegati in rete tra loro e mostrano uno scenario logistico miniaturizzato. Grazie a un algoritmo SLAM continuo (SLAM = Simultaneous Localization and Mapping), i robot possono localizzarsi in modo affidabile anche in ambienti mutevoli senza bisogno di infrastrutture aggiuntive. Inoltre, si scambiano dati dai propri sensori o da sensori fissi installati nell'ambiente operativo. Questo significa che ogni robot ha sempre una mappa aggiornata a sua disposizione, che può utilizzare per regolare il suo percorso e localizzarsi. Questo evita percorsi inutili, colli di bottiglia e tempi morti. "Con questa soluzione di navigazione cooperativa, stiamo dimostrando come i sistemi di trasporto senza conducente possono consentire la produzione di matrici, per esempio", spiega Kai Pfeiffer, responsabile del gruppo di robotica di servizio per l'industria e il commercio al Fraunhofer IPA. "Possiamo anche aggiungere robot virtuali alla mostra e usare la realtà aumentata per visualizzare i percorsi di viaggio e altre informazioni", aggiunge. Questo semplifica e velocizza la messa in servizio, la manutenzione o l'espansione della flotta. Il software ha già dimostrato più volte con successo l'agilità richiesta dai moderni processi logistici in applicazioni industriali.

Assemblaggio automatizzato e presa autonoma

Molte aziende si preoccupano della questione della misura in cui possono automatizzare i loro compiti di assemblaggio. Da molti anni, il Fraunhofer IPA offre l'analisi del potenziale di automazione (APA) per questa domanda. Finora, l'APP era legata alla conoscenza di un esperto di automazione. Una nuova app rende ora questa conoscenza più facilmente accessibile. Guida gli utenti ad analizzare i loro processi di assemblaggio, valuta le loro risposte e fornisce informazioni sul potenziale di automazione. "Con la nostra app, chiunque può diventare un esperto nella valutazione dei processi di assemblaggio", spiega Alexander Neb, che lavora come assistente di ricerca al Fraunhofer IPA e ha co-sviluppato l'app. Può essere ottenuto tramite un semplice contratto di licenza per uso di prova.

Un altro software per l'automazione dell'assemblaggio è NeuroCAD. Analizza le proprietà dei componenti con l'aiuto di metodi di apprendimento automatico e li usa per determinare la misura in cui un componente è adatto all'automazione dell'assemblaggio. Gli utenti possono caricare gratuitamente i loro file STEP su www.neurocad.de e scoprire in pochi secondi quanto sia facile o difficile separare un componente. Lo strumento valuta anche le superfici di presa e l'allineamento del componente. Inoltre, la rete neurale dà una probabilità di essere corretta con il suo risultato.

Infine, il sistema modulare pitasc per la programmazione dei processi di assemblaggio a forza controllata mostra come i processi eseguiti manualmente possono essere automatizzati in modo economicamente conveniente. "Fino ad ora, era necessario riprogrammare ampiamente un sistema robotico per ogni applicazione. Con il nostro software, i compiti una volta modellati possono essere rapidamente trasferiti a nuove varianti di prodotti, prodotti e anche robot di altri produttori", dice Frank Nägele, capo del gruppo di programmazione e controllo dei robot al Fraunhofer IPA. Il software è strutturato come un sistema modulare: contiene molti moduli di programma pronti all'uso e riutilizzabili che possono essere assemblati individualmente quando si imposta un sistema robotico. pitasc è pronto per l'uso in applicazioni pilota che gli scienziati vorrebbero implementare insieme alle aziende.

Non solo l'assemblaggio, ma anche l'applicazione reach-in-the-box è a volte ancora una sfida per l'automazione. Con la mostra "AI Picking", Fraunhofer IPA mostra come i metodi di apprendimento automatico e le simulazioni migliorano significativamente l'applicazione in termini di autonomia e prestazioni. Gli scienziati lo dimostrano usando l'esempio di un robot che raccoglie oggetti da una posizione indefinita da una scatola. A questo scopo, una stima della posa dell'oggetto basata sull'intelligenza artificiale (AI) fornisce pose robuste e accurate in pochi millisecondi. "Nuovi oggetti possono essere appresi rapidamente e facilmente sulla base di un modello CAD", spiega il responsabile del progetto Felix Spenrath. "Il software può anche rilevare e risolvere i grovigli e gestire in modo robusto il materiale da imballaggio". Il robot era già ampiamente addestrato nella simulazione e questa conoscenza è stata poi trasferita all'applicazione reale. Le pose di presa sono generate automaticamente e valutate sulla base di questa conoscenza.

Produzione senza contaminazione con copertura protettiva e tenda per camera bianca

Non solo una produzione più autonoma, ma anche ultra-pulita è sempre più richiesta. "Gli ambienti di produzione puliti permettono l'alta tecnologia del futuro", spiega Udo Gommel, capo del dipartimento di ultra-pulizia e micro-produzione al Fraunhofer IPA. "Le tecnologie chiave di domani progrediranno solo con la tecnologia della purezza. È fondamentale: dalla produzione di batterie alla biotecnologia". Fraunhofer IPA utilizzerà i seguenti tre prodotti per dimostrare i progressi tecnologici:

• Guaina protettiva 2ndSCIN®: Appena brevettata, 2ndSCIN® rende i componenti di automazione dinamica come un robot pronti per la produzione ultra pulita. La guaina consiste in un tessuto permeabile, mobile e multistrato, che è modellato sulla pelle umana nella sua modalità di funzionamento. A seconda dell'applicazione, due o più strati possono essere sovrapposti. Gli strati sono separati da distanziatori. In ogni fessura, per esempio, l'aria può essere aspirata o rimossa. In questo modo, le particelle provenienti dall'ambiente o dal componente di automazione possono essere rimosse. L'introduzione di gas negli spazi interstiziali del sistema permette la sua sterilizzazione. Inoltre, la copertura può essere cambiata in circa un'ora e può essere riutilizzata dopo la decontaminazione. Gli strati tessili sono anche dotati di sensori che misurano continuamente parametri come la quantità di particelle, la pressione o l'umidità. In futuro, questi dati dei sensori saranno valutati con l'aiuto di algoritmi di CI e permetteranno la manutenzione predittiva, per esempio.
• Camera bianca mobile CAPE®: gli scienziati del Fraunhofer IPA hanno anche sviluppato un sistema di camera bianca mobile, simile a una tenda, che può essere allestito in meno di un'ora sia all'interno che in aree esterne protette dalle intemperie. Questa "camera bianca su richiesta" fornisce ai produttori un ambiente di produzione mobile e senza contaminazione che permette una purezza dell'aria di classe ISO da 1 a 9. La soluzione è adatta ai produttori che hanno bisogno di produrre senza contaminazione, ma non richiedono un ambiente sterile e pulito disponibile in permanenza. Gli esempi includono applicazioni nella produzione di chip, nella tecnologia medica, nell'industria alimentare e nell'assemblaggio di satelliti. Anche l'industria automobilistica beneficia della tenda per camere bianche, per esempio nella produzione di celle a batteria o a combustibile.
• Fraunhofer Tested Device®: da molti anni il Fraunhofer IPA offre anche metodi per misurare le emissioni di particelle e premia gli oggetti testati con il certificato "Tested Device". Nel già citato CAPE®, questa procedura è dimostrata per mezzo di un contatore di particelle ottico e un oggetto di prova. Con il rapporto di prova specifico per il prodotto e il cliente, le aziende ricevono la conferma della pulizia e dell'idoneità alla camera bianca dei loro sistemi, dispositivi o materiali di consumo.

Spiegare l'apprendimento automatico e la comunicazione dei dati Nella robotica, così come in numerosi altri campi di applicazione nella produzione e nei servizi, i metodi di apprendimento automatico e le reti neurali artificiali sono sempre più utilizzati. A seconda dell'applicazione, diventa sempre più importante sapere esattamente come funzionano e perché arrivano a un certo risultato. Devono diventare spiegabili. A causa della loro complessità, questo spesso non è ancora possibile. "Più una rete neurale è potente, più è difficile da capire", spiega il Prof. Marco Huber, che dirige il Centro per l'intelligenza cognitiva cibernetica (CCI) e il dipartimento di elaborazione delle immagini e dei segnali al Fraunhofer IPA. Sotto il motto "Explainable AI" (xAI), Fraunhofer IPA presenta metodi che visualizzano le decisioni delle reti neurali e le rendono trasparenti e comprensibili per l'utente. "Questa comprensibilità rafforza l'accettazione dell'IA, crea fiducia, migliora il corretto funzionamento e fornisce certezza giuridica", spiega Huber.

I dati si accumulano in ogni produzione, ma spesso non è possibile utilizzarli e valutarli a causa dei diversi formati e interfacce. Questo è esattamente dove il software "StationConnector" entra in gioco fornendo un'interfaccia uniforme in tutti gli impianti. In questo modo, può comunicare dati facilmente e in modo specifico per l'applicazione tra i protocolli industriali, i controllori e qualsiasi sistema IT. "Con il nostro software, gli utenti possono generare e implementare rapidamente modelli di business basati sui dati", dice Marcus Defranceski, manager del gruppo per i sistemi di automazione specifici per la purezza. Il software è facile e flessibile da usare ed è adatto a una vasta gamma di applicazioni, come i processi CI o il monitoraggio.

Rendere la produzione più efficiente e alleviare il peso sui lavoratori

Un dimostratore per l'ottimizzazione autonoma della produzione mostra come le perdite nella produzione possono essere rilevate automaticamente e le loro cause determinate. Rappresenta un modello automatizzato di una linea di produzione. Questo viene osservato sia tramite il controllore che tramite sensori esterni come barriere luminose o telecamere. Tutte le fonti di osservazione sono utilizzate per creare un modello di comportamento della linea. Questo permette di analizzare continuamente la linea online e quindi di registrare il comportamento normale e di identificare le perdite di produzione in base a questo. "In questo modo, vogliamo aumentare l'efficacia dell'intero sistema e rendere trasparenti i parametri chiave del processo", spiega Julian Maier, scienziato del Fraunhofer IPA e co-sviluppatore del dimostratore.

Nonostante molte possibilità di automazione, il potere di lavoro flessibile degli esseri umani nella produzione è ancora insostituibile in molti luoghi e deve essere preservato al meglio. Gli esoscheletri, cioè i sistemi robotici che vengono indossati direttamente sul corpo, forniscono un supporto energetico per le attività faticose e alleviano lo sforzo sugli esseri umani. Al Fraunhofer IPA, c'è lo Stuttgart Exo-Jacket (SEJ), un esoscheletro per scopi di ricerca e sviluppo. Il SEJ sostiene attivamente gli arti superiori durante il sollevamento e le attività sopra la testa. L'attuale sistema, dimostrato dal Fraunhofer IPA, è principalmente rivolto ad applicazioni nella logistica, dove i lavoratori maneggiano manualmente oggetti come pneumatici, scatole o valigie con due mani nella zona tra l'altezza del ginocchio e della spalla davanti al corpo. "L'idea centrale del sistema è che gli utenti possono ancora muovere le loro mani nel miglior modo possibile e quindi fare un uso ottimale delle loro capacità di manipolazione", dice Christophe Maufroy, direttore del gruppo di sistemi di assistenza fisica e sensori intelligenti al Fraunhofer IPA, descrivendo la caratteristica speciale del SEJ. L'Exo-Jacket di Stoccarda mostra probabilmente cosa si potrebbe intendere per "unità di uomo e macchina" nel futuro...