Robótica cognitiva e novas tecnologias de segurança para colaboração humana-robot

Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Operação e Automação de Fábrica se desenvolveram recursos de robô cognitivo que podem lidar com tarefas complexas na fabricação que antes eram impossíveis de automatizar. Além disso, eles também estão revelando Paru e segurança auxiliada por computador (CAS), as primeiras tecnologias de segurança e ferramentas de planejamento para uma estreita colaboração de máquina-máquina que também pode garantir a segurança nos movimentos de robôs gerados pela IA.

Os pesquisadores demonstrarão o que a robótica cognitiva pode fazer e como o monitoramento dinâmico do espaço de trabalho funciona na Automatica 2025 em Munique de 24 a 27 de junho de 2025 (Hall A4, Booth 319).

Pesquisadores da Fraunhofer IFF estão aproveitando novas soluções baseadas em IA para fornecer aos robôs as habilidades cognitivas necessárias para operar autonomamente em ambientes alterados e não estruturados e automatizar processos complexos, como montagem e desmontagem em ambientes industriais ou manuseio de objetos em ambientes de assistência médica.

Tecnologias de segurança baseadas em projeção e baseadas em câmera permitem que os robôs com controle de movimento baseados em IA respondam de maneira confiável a alterações, se adaptem a novas tarefas e opere um aplicativo com segurança. Isso abre uma ampla gama de novos campos de aplicação que foram fechados anteriormente para a robótica convencional, limitada a tarefas específicas e estreitamente definidas.

“Os robôs cognitivos podem aprender com a experiência, tomar decisões independentes e se adaptar a vários cenários. Para tarefas de escolha e lugar que envolvem a captura de componentes e colocando-os para onde precisam ir, um robô cognitivo não precisa mais aprender como se parecerem que as peças de trabalho individuais se parecem antes que ele possa agarrá-las.

“Em vez disso, ele usa uma câmera para registrar o tamanho, a forma, a textura e a condição do objeto e ajusta seu comportamento de acordo. No processo, ele pode lidar com diferentes condições ambientais e até diferentes materiais de embalagem”, diz Magnus Hanses, chefe do grupo de robótica cognitivo da Fraunhofer IFF.

Usando simulação para treinar modelos de IA

Os especialistas usam ambientes simulados para treinar os modelos de IA utilizados. Por exemplo, eles simulam processos de montagem e desmontagem, como a remoção de uma placa -mãe de um computador. Qualquer número de robôs virtuais pode funcionar no espaço digital ao mesmo tempo e em um ritmo muito mais rápido, sem preocupações de segurança.

Há muitas vantagens em aprender na simulação digital, mas também tem uma vulnerabilidade. O ambiente de aprendizado virtual nunca é 100% o mesmo que o mundo real. O desafio para os pesquisadores é fechar essa lacuna de realidade, também conhecida como Gap Sim2real, tanto quanto possível.

Existem duas abordagens possíveis aqui. A simulação pode ser projetada para ser o mais realista possível, ou pode abranger a gama mais ampla possível de versões do mundo real; portanto, a rede neural usada para a IA aprende a generalizar e encontrar seu caminho em ambientes desconhecidos.

Uma maneira pela qual os pesquisadores estão alcançando isso é através da randomização do domínio. Essa abordagem lhes permite criar um grande número de ambientes simulados com propriedades aleatórias e treinar um modelo que funciona em todos eles.

“Existem muitos parâmetros diferentes, como iluminação, que afetam a simulação. Podemos alterar esse conjunto de parâmetros durante o treinamento. O robô não aprende a resolver a simulação exata. Em vez disso, ele entende o conceito abstrato por trás dele. A realidade se torna apenas mais uma versão de uma simulação para a IA, se você quiser”, explica Hansses.

Paru – UNique, velocidade patenteada e monitoramento de separação

Mas o campo da robótica cognitiva ainda está enfrentando outro desafio: no momento, não há como garantir a segurança dos movimentos de robôs gerados pela IA de acordo com os padrões de segurança. Para que os robôs baseados em IA sejam capazes de interagir com os seres humanos em um ambiente seguro, os pesquisadores da Fraunhofer IFF desenvolveram a Paru, uma nova tecnologia patenteada para monitorar os espaços de trabalho. Paru usa a tecnologia avançada de projetor e câmera para projetar campos de aviso e proteção visíveis diretamente ao redor da máquina e reconhecer quando as pessoas entram nas zonas de segurança.

“After the projector and the two cameras are calibrated, virtual expectation images are generated as the first step. Then the projector projects a visible light curtain around the robot and the component that is to be picked up in accordance with the distance formula set out in the relevant standard, ISO/TS 15066. This light curtain acts as a safety line, visualizing for employees the protective space that humans must keep clear,” explains Norbert Elkmann, Chefe do Departamento de Sistemas Robóticos da Fraunhofer IFF.

“Se qualquer parte do corpo de um trabalhador entrar em contato com a linha, a linha será interrompida. As câmeras reconhecem que há uma discrepância entre o que eles esperam ver e a imagem do mundo real. Dependendo da situação, o robô é o movimento imediatamente ou diminui sua velocidade”.

Linhas de segurança visíveis Foster Trust

As áreas de segurança são ajustadas dinamicamente aos movimentos da máquina, pois Paru sempre considera o status atual do robô – tornando -o ideal para uso em robótica cognitiva. “Nossa tecnologia é única. Nenhum outro sistema permite uma distância menor entre seres humanos e robôs enquanto observa as especificações estabelecidas pelos padrões aplicáveis ​​e também precisam de tão pouco espaço. Isso é possível porque as câmeras e os sensores reconhecem não apenas torsos, braços e cabeças, mas até dedos”, diz Elkmann.

Outra vantagem é que a projeção também pode mostrar ao trabalhador onde o robô estará se movendo como seu próximo passo, aumentando ainda mais a confiança no trabalho com máquinas. As linhas de segurança visíveis adicionalmente codificadas funcionam independentemente dos ângulos e condições de iluminação ambiente. Se as câmeras ou projetores pararem de funcionar, todo o sistema será desligado automaticamente.

CAS: Soluções de software inteligentes para sistemas de robôs adaptativos

Também na Automatica 2025, o Fraunhofer IFF apresentará a segurança auxiliada por computador (CAS), um pacote de soluções de segurança digital que tornam os aplicativos de colaboração humana-robot (HRC) eficientes, econômicos e seguros.

Os módulos de software prontos para o produto estão disponíveis para um cálculo eficiente de distâncias e velocidades seguras. Os assistentes digitais apóiam os processos de avaliação de riscos e aprovação de segurança e facilitam para que os novos participantes cumpram com precisão e eficiência a gama completa de obrigações da diretiva de máquinas da UE.

Ao contrário do recurso de medição de colisão, a ferramenta de aprovação de segurança funciona totalmente digitalmente. Leva em consideração parâmetros como força de colisão e limiar de dor para determinar a velocidade máxima permitida do robô.

Os módulos podem opcionalmente ser incorporados a qualquer tipo de controles de robô ou ambientes de simulação existentes para fins de planejamento para alinhar com precisão as especificações econômicas com os requisitos de segurança aplicáveis. Isso evita erros de planejamento e economiza nos custos de engenharia.

O CAS foi desenvolvido com base nos dados coletados de testes exclusivos de anos com indivíduos, que produziram novos limites limites e outros indicadores biomecânicos importantes para a HRC segura. As cargas de colisão e aperto definidas em um pêndulo especialmente projetado foram usadas para identificar o limiar de dor através de testes de mais de 100 indivíduos humanos. O Comitê de Ética e o Departamento de Cirurgia de Trauma da Universidade de Otto Von Guericke Magdeburg apoiaram Fraunhofer IFF durante os estudos.

Os pesquisadores do Fraunhofer IFF apresentarão como seus robôs controlados pela IA, a nova tecnologia de segurança Paru e os módulos de software CAS funcionam na prática (incluindo o trabalho juntos) no estande conjunto Fraunhofer no Hall A4 na Feira de Comércio da Automatica de 24 a 27 de junho de 2025.