ROBOTICKÁ LABORATOŘ

I4C – Robotická buňka Průmyslu 4.0 na ÚAI FSI VUT v Brně

Autor:
doc. Ing. Radomil MATOUŠEK, Ph.D., doc. Ing. Branislav LACKO, CSc., Ing. Roman PARÁK, Ústav automatizace a informatiky FSI VUT v Brně

Vedoucím laboratoře je přímo ředitel ústavu, docent Radomil Matoušek, který tuto laboratoř rozvíjí se svými doktorandy. Laboratoř I4C je rovněž předmětem, a částečně i výstupem, disertační práce studenta Romana Paráka – Návrh pokročilé robotické buňky v kontextu Průmysl 4.0.

Celkový koncept a zaměření robotické buňky I4C vzniká za spolupráce zkušených odborníků v oblasti Průmyslu 4.0 z univerzitní sféry i odborníků z průmyslové automatizační praxe. V současné době, kdy je značná potřeba digitalizovat a robotizovat průmysl, je logickým požadavkem uvést do výuky na technických vysokých školách množství nových témat. Laboratoř je součástí multioborového pracoviště ÚAI, jehož struktura se skládá z automatizace, robotiky, aplikované informatiky a počítačových sítí, vč. solidního základu strojírenství a mechaniky, a v této souvislosti se jeví koncept Průmysl 4.0 ideálním tématem a cílem budoucnosti. Implementace konceptu digitalizace průmyslu je tak v ohledu výuky podpořena moderními a „hmatatelnými“ technologiemi, které značně rozšíří portfolio vědomostí studentů směrem k nastupujícím trendům průmyslové praxe. 

Návrh sestavení laboratoře I4C je inspirován myšlenkami koncepce Robotic Cell (robotická buňka), která je prosazována a reprezentována firmami jako ABB, SIEMENS, FANUC, MOTOMAN, KUKA a v našem regionu např. firmou INTEMAC Solution Kuřim nebo ACAM Brno. Je důležité poznamenat, že laboratoř není v kontextu univerzitní povahy pracoviště uzavřena žádné technologii a integrace dalších je vždy výzvou. V současnosti jde o integrace technologií ABB Robotics, B&R Automation (ABB Group), SMC, Universal Robots, Photoneo, Cognex a Basler.

Digitální dvojče robotické buňky 4.0

Aktivity v rámci robotické laboratoře

Robotická laboratoř I4C vznikla za účelem výzkumu a vývoje nových technologií, podpory výuky studenů a jako možnost pro firmy ověřit si záměry svých automatizačních projektů. Hlavními aktivitami laboratoře v rámci VUT FSI jsou proto výuka předmětů jako například Programovatelné logické automaty, Počítačové vidění, Umělá inteligence nebo Průmysl 4.0, dále tvorba závěrečných prací (bakalářské, magisterské a doktorandské), pořádání workshopů pro zlepšení gramotnosti pracovníků v průmyslu v oblasti digitalizace a robotiky. Laboratoř poskytuje zázemí pro projekty vznikající ve spolupráci s průmyslovou praxí, například v oblastech propojení Průmysl 4.0 a umělé inteligence, použití rozšířené a virtuální reality, nasazení konceptu digitálních dvojčat pro optimalizaci výroby či validaci fyzikálních simulací. Mezi aktivity laboratoře I4C patří také prezentace robotických prostředků pro vědecké tábory mládeže, na dnech otevřených dveří, účast na noci vědců, workshopy a všeobecná podpora mladých nadějných studentů.

Mezi aktivity laboratoře patří i vědecké tábory mládeže a podpora mladých nadějných vědců

Rozhraní člověk-stroj

Nedílnou součástí ovládání robotické buňky je rozhraní člověk-stroj neboli HMI (Human-Machine Interface). Rozhraní je vyvinuto ve vývojovém prostředí Automation Studio od firmy B&R Automation (ABB Group) pomocí technologie mappView. Hlavními výhodami navrženého řešení jsou jeho modulárnost, přehlednost a uživatelská jednoduchost, neboť uživatel má úplnou kontrolu nad celým zařízením (ovládaní, diagnostika, user management, alarm handling, apod.). Robotickou buňku je možno ovládat prostřednictvím hlavního řídicího dotykového panelu, ale rovněž na libovolném zařízení, které má nainstalovaný prohlížeč jako je mobilní telefon, tablet, notebook či stolní počítač. Řešení dovoluje připojení až 100 zařízení současně.

Využití systémové integrace při návrhu I4C

V průběhu návrhu robotické buňky byla řešena systémová integrace řady technických prostředků od různých výrobců (ABB Robotics, B&R Automation, SMC Industrial Automation, Universal Robots, atd.) jedním řídicím systémem. Vzhledem na různorodost průmyslově užívaných komunikačních protokolů (PROFINET, Ethernet/IP, OPCUA, TCP/IP, Powerlink, CAN aj.) bylo potřeba vytvořit několik různých konfigurací, které se poté integrovaly do užitého řídicího systému, jímž je v současnosti PLC, resp. industrial PC, od firmy B&R Automation (ABB Group).

Virtuální i digitální dvojčata a rozšířená realita

Digitální dvojčata jsou často zmiňovaným a důležitým tématem v oblasti Průmyslu 4.0 a jsou bezesporu nedílnou součástí digitalizace. Při návrhu a programování robotické buňky byl proto kladen důraz na problematiku digitalizace. Další aspekty v oblasti digitalizace, které byly také použity, jsou virtuální a rozšířená realita. Všechny tyto principy vedou k zefektivnění, větší flexibilitě a zpřesnění výroby spolu s úsporou lidských zdrojů.

Robotická buňka I4C využívá, krom jiných, vlastní nástroj pro ovládání a programovaní digitálních dvojčat, a to nástroj Unity3D. V tomto prostředí je rovněž tvořena rozšířená i virtuální realita. K výhodám této koncepce patří i velmi pokročila fyzikální simulace zprostředkovaná prostřednictvím NVIDIA PhysX. Digitální dvojče obsahuje jak ovládání reálného zařízení, tak ovládaní simulace jednotlivých zařízení, kamery, přesouvaní objektů, detekci kolizí, apod.

Simulace ovládání jednotlivých zařízení v uživatelském rozhraní

Aktuální stav a vize budoucnosti

Robotická buňka I4C v současné podobě představuje plně integrovaný provoz řízený jedním hlavním nadřazeným systémem. Využitím digitálních dvojčat a rozšířené reality dokážeme diagnostikovat jednotlivá zařízení, testovat různé druhy řízení, pohybů a inverzní kinematiky, identifikovat chyby nebo detekovat kolize. Navržené řešení naplňuje principy Průmyslu 4.0, přičemž jeho modulárnost a otevřenost dovoluje další rozšiřitelnost. Součástí Průmyslu 4.0 jsou bezesporu také umělá inteligence, prediktivní údržba, počítačové vidění. Proto další etapy návrhu robotické buňky budou zaměřeny právě těmito směry. 

Jelikož se současná digitální technika neustále vyvíjí, je snaha udržet koncept robotické buňky velmi flexibilním. Vize spočívá ve vytvoření automatické, adaptivní a samo se učící robotické buňky, která se dokáže částečně sama rekonfigurovat na různé typy operací (třídění, vizuální inspekce, skládání dílů aj.). Její součástí bude také kooperace člověk-stroj, náhodný výběr dílů z různých beden (bin-picking), mobilní robotická platforma (všesměrová kola) osazená průmyslovým ramenem i pokročilá a adaptivní bezpečnost.

V závěru dodejme, že efektivita realizačního týmu I4C, technické prostředky laboratoře, efektivita integrace i vhodná volba software, již byly úspěšně ověřeny v nedávné době COVID-19. Tehdy pracovníci laboratoře I4C, v podstatě na „zelené louce“, sestavili během měsíce robotické pracoviště pro odběr, evidenci, automatickou identifikaci vzorků a manipulaci se vzorky COVID-19 pro FN Brno, a to včetně informačního systému. V současnosti se i přes pokles rizika připravuje implementace v COVID-19 laboratoři. 

Články čísla 4/20: