I4C – robotická buňka podle konceptu průmyslu 4.0

Článek se zabývá návrhem robotické buňky v konceptu průmyslu 4.0 a jeho realizací na FSI VUT v Brně. Hlavní část článku popisuje návrh a implementaci konstrukce robotické buňky, které doplňuje integrací systémů, vývojem uživatelského rozhraní, nástrojem pro simulaci robotů jako dynamických systémů a využitím rozšírené/virtuální reality. Závěr je věnován směřování dalšího rozvoje laboratoře.

Úvod

Robotická buňka podle konceptu průmyslu 4.0 označená zkratkou I4C (Industry 4.0 Cell) vznikla jako výzkumně-vývojová laboratoř v ústavu automatizace a informatiky Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně za podpory odborníků z univerzitní sféry i z průmyslové praxe.

V současné době, kdy je zapotřebí digitalizovat a robotizovat průmysl, je logickým požadavkem uvést do výuky na technických vysokých školách množství nových témat. Laboratoř je součástí multioborového pracoviště ústavu automatizace a informatiky, které se zabývá automatizací, robotikou, aplikovanou informatikou a počítačovými sítěmi, včetně obecného základu strojírenství a mechaniky. V této souvislosti se jeví koncept průmyslu 4.0 jako ideální téma a cíl rozvoje laboratoře. Implementace digitalizace průmyslu je tak z pohledu výuky podpořena moderními a „hmatatelnými“ technickými prostředky, které rozšíří soubor vědomostí studentů směrem k nastupujícím trendům průmyslové praxe.

Konstrukce a součásti robotické buňky

Návrh laboratoře I4C byl inspirován ideou robotické buňky, která je prosazována předními dodavateli robotů a automatizační techniky, stejně jako výrobci a dodavateli automatizovaných výrobních zařízení.

K nejdůležitějším částem návrhu robotické buňky patřil výběr hlavních komponent, z nichž se konstrukce robotické buňky skládá. Šlo o složitý několikaměsíční proces, při němž byla brána v úvahu funkčnost komponent, aktuální technická úroveň řešení, ale také možnost rozšiřovat projekt v budoucnosti.

Robotická buňka I4C se aktuálně skládá z průmyslového robotu IRB 120 (ABB), kolaborativního robotu UR3 (Universal Robots), několika lineárních os od společnosti SMC, které jsou poháněné synchronními motory od společnosti B&R, 3D skeneru společnosti Photoneo a několika dalších zařízení (obr. 1). Součástí výsledné konstrukce jsou rovněž doplňkové konstrukční části vytvořené pomocí klasických technologií výroby, jako např. držák přídavné lineární osy robotu IRB, který je připevněn k upínacímu stolu od firmy Siegmund, držák kolaborativního robotu UR3 pro upínací stůl firmy Demmeler, stativ pro 3D skener sestavený z hliníkových profilů od firmy Item apod. Na výrobu držáku lineárního dopravníku a pro modulární koncový efektor robotů IRB a UR3 byla použita aditivní výrobní technologie (obr. 2).

Integrace systémů

Integrace systémů robotické buňky je jednou z nejobsáhlejších částí projektových prací. Cílem je propojit různé druhy systémů od různých výrobců (ABB, Universal Robots, SMC) s jedním nadřazeným systémem instalovaným na průmyslovém PC od společnosti B&R. Přitom byl kladen důraz na přehlednost struktury výsledného návrhu, modulárnost, možnost jednoduchého přeprogramování a rozšiřování výsledného návrhu o další typy zařízení od různých výrobců využívajících různé druhy komunikačních protokolů. V tomto případě šlo o průmyslové protokoly Powerlink, Profinet a EtherNet/IP a o komunikační standard OPC UA (obr. 3).

Při integraci systémů bylo třeba splnit požadavky na standardizaci rozhraní, zajištění funkční bezpečnosti a dosažení požadované rychlosti komunikace a současně brát ohled na budoucí využití robotické buňky pro výzkumné a vývojové práce.

Nástroj pro tvorbu digitálních dvojčat a rozšířenou realitu

Důležitou součástí koncepcí průmyslu 4.0 a digitalizace průmyslu jsou digitální dvojčata. Robotická buňka I4C využívá mj. nástroj k ovládání a programovaní simulace dynamických modelů robotů (tj. jejich digitálních dvojčat) Unity3D od Unity Software Inc (obr. 4). Jde o důležitou součást návrhu celého řešení, využívanou k simulaci jednotlivých zařízení, testování vlastních algoritmů, detekování kolizí apod. Nástroj Unity3D je rovněž možné používat k vývoji rozšířené i virtuální reality. K výhodám nástroje Unity3D patří možnost využít modul PhysX od firmy NVIDIA, middleware pro simulaci klasické mechaniky. Digitální dvojče obsahuje jak ovládání reálného zařízení, tak ovládaní simulačních modelů jednotlivých zařízení, manipulaci s objektem, detekci kolizí a rovněž plné propojení s řídicím systémem prostřednictvím standardu OPC UA, propojení s roboty, komunikaci TCP/IP a UDP a také nástroj k optimalizaci výkonu simulace využitím programování běhu v několika vláknech (obr. 5).

Systém rozšířené reality robotické buňky je navržen v nástroji Unity3D, tedy stejném, jaký se používá pro tvorbu digitálních dvojčat, jen rozšířeném o přídavné moduly od společnosti Vuforia. Některé vlastnosti, jako např. integrace systémů, zpracování dat apod., byly převzaty z návrhu digitálního dvojčete a importovány do systému pro rozšířenou realitu.

Princip rozšířené reality spočívá v detekování klíčového objektu (v našem případě QR kódu), který po úspěšné lokalizaci vykreslí na obrazovku mobilního telefonu, tabletu či počítače pro storový model spolu s řídicím panelem objektu.

Uživatelské 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 firmy B&R Automation s využitím mappView Technology, nástroje, který patří mezi moderní prostředky pro tvorbu HMI.

Uživatelské rozhraní umožňuje plnou kontrolu celého systému robotické buňky z inteligentního telefonu, tabletu, počítače nebo operátorského panelu od společnosti B&R Automation. K lince je možné jako vizualizační terminály současně připojit až sto zařízení. Uživatelské rozhraní obsahuje jak ovládání jednotlivých zařízení, jejich diagnostiku a chybová hlášení, tak přehled dokumentace v PDF, bezpečnostní funkce apod. (obr. 6). Celý systém je přehledný a modulární, a pro to jej lze snadno rozšiřovat.

Budoucnost laboratoře a hlavní směřování

Robotická buňka I4C v současné podobě představuje plně integrovaný provoz řízený jedním hlavním nadřazeným systémem (nainstalovaným na průmyslovém PC od firmy B&R). Využitím simulací robotů jako dynamických systémů (pomocí modelů, tzv. digitálních dvojčat) a rozšířené reality systém dokáže diagnostikovat jednotlivá zařízení, testovat různé druhy řízení, optimalizovat pohyby robotů a realizovat úlohy inverzní kinematiky, identifikovat a autonomně řešit chyby nebo detekovat kolize a vyhýbat se jim. Navržené řešení naplňuje principy průmyslu 4.0, přičemž jeho modulárnost a otevřenost dovolují další rozšiřování. Součástí koncepce průmyslu 4.0 jsou také metody umělé inteligence, využívané např. pro prediktivní údržbu nebo počítačové vidění. Vývoj těchto systémů bude další etapou návrhu robotické buňky I4C.

Jelikož se současná digitální technika neustále vyvíjí, je snaha udržet koncept robotické buňky velmi flexibilní. Vize spočívá ve vytvoření automatické, adaptivní a samoučící se robotické buňky, která se dokáže částečně sama překonfigurovat na různé typy operací (třídění, vizuální inspekce, skládání dílů apod.). Její součástí bude též přímá spolupráce člověka a stroje, strukturovaný výběr dílů z různých beden (bin picking), transportní manipulace s využitím všesměrové mobilní robotické platformy osazené průmyslovým ramenem, pokročilá adaptivní bezpečnost, využití hlubokého posilovaného učení a multikriteriální optimalizace při generování trajektorie.

Takto realizovaná flexibilní koncepce robotické buňky I4C umožní její využití nejen pro výuku a výzkumné experimenty, ale i k ověřování různých automatizačních úloh z praxe.

doc. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D., odbor aplikované informatiky ÚAI FSI VUT v Brně,

Ing. Roman Parák, sekce kybernetiky a robotiky ÚAI FSI VUT v Brně,

doc. Ing. Branislav Lacko, CSc., odbor automatizace ÚAI FSI VUT v Brně

Obr. 1. Robotická buňka I4C v laboratoři ústavu automatizace a informatiky FSI VUT v Brně

Obr. 2. Výsledný virtuální návrh robotické buňky I4C: (1) robot IRB 120 ABB), (2) sedmá osa robotu, (3) lineární dopravník, (4) robot UR3, (5) skener Photoneo 3D Skener, (6) elektrický rozváděč

Obr. 3. Integrace systémů robotické buňky I4C

Obr. 4. Ukázka vizualizace digitálního dvojčete v prostředí Unity3D

Obr. 5. Základní struktura simulačního modelu

Obr. 6. Struktura uživatelského rozhraní vytvořená ve vývojovém prostředí Automation Studio pomocí mappView Technology