Modulární počítačové systémy usnadňují vývoj aplikačně specifických robotů

Největší německý distributor léčiv – firma Transpharm Logistik, součást skupiny Teva Pharmaceutical Industries – se při vychystávání akčního zboží spoléhá na aplikačně specifické modulární autonomní roboty od firmy Toolify Robotics, která je start-upem vzniklým na Technické univerzitě v Ulmu. Roboty pro firmu Transpharm používají moduly COM (Computer on Module) od firmy congatec, specialisty na vestavnou výpočetní techniku.

Automatizace procesů manipulace s materiálem je již dlouho hnací silou inovací a investic v intralogistice. V mnoha oblastech lze tyto procesy automatizovat pomocí široké škály řešení, která urychlují tok materiálu a zboží. Klasickým řešením jsou systémy pevných pásových dopravníků. Existují však oblasti, které tímto způsobem automatizovat nelze. A ne každý sklad lze realizovat jako automatizovaný vysokoregálový sklad. Poměrně velká investice do takového skladu musí být odůvodněna potřebou zvýšení průchodnosti a skladovací prostory musí být vysoce standardizovány.

Ve společnosti Transpharm Logistik se však akční zboží často mění a má různé tvary, velikost a hmotnost. Zaměstnanci je proto musí vychystávat ručně, individuálně pro kaž­dého příjemce. Analytik dodavatelských řetězců společnosti Transpharm Martin Zwiebel měl za úkol optimalizovat proces vychystávání zboží a kompletace dodávek. „Zaměstnanci používali k výběru akčních produktů těžké, velké ruční vozíky,“ vzpomíná Zwiebel. Byli sice vybaveni tablety a v některých případech podporováni systémy pick-by-light, ale když jednotlivé položky z celého skladu shromáždili na vozík, museli jej s kompletní dodávkou ručně dovézt do oddělení balení, kde byly akční produkty připraveny k expedici (obr. 1). „Při hledání rychlejšího a jednoduššího řešení se ukázalo, že významné výhody by přinesly autonomní vozíky bez řidiče,“ pokračuje analytik. Takže to, co bylo třeba, byl cenově dostupný robotický vozík, který by mohl samostatně najít cestu k dalšímu regálu po předem definované optimalizované trase a stal se zaměstnancům trvalým a užitečným společníkem.

Klíčem je kompatibilita

Martin Zwiebel se rozhodl otestovat otevřenou, na dodavateli nezávislou platformu Xito (www.xito.one). Xito je modulární platforma stavebních bloků a softwarový ekosystém od firmy Toolify Robotics pro návrh, správu rozhraní, implementaci a provoz na zakázku přizpůsobených autonomních intralogistických vozíků a robotů (obr. 2). Platforma vyrostla ze společného projektu několika univerzit. Firma Toolify jako spin-off Technické univerzity v Ulmu pokračovala v rozvoji konceptu a jeho přípravě na trh. Martin Zwiebel platformu použil ke snadnému sestavení vozíku pro autonomní vychystávání přizpůsobeného na míru a v souladu s konkrétními požadavky své firmy.

„Vybral jsem nejvhodnější komponenty z nabídky tržiště Xito a bez problémů je spojil dohromady,“ říká Zwiebel. Tržiště Xito v současné době nabízí více než 50 hardwarových stavebních bloků pro různé autonomní dopravní vozíky a mobilní roboty pro úlohy pick-and-place. Jsou to bloky pro navigaci, rozšířenou nebo virtuální realitu, lokalizaci, inteligentní vyhýbání se překážkám, rozpoznávání řeči, identifikaci objektů, RFID atd. Dokonce jsou k dispozici komponenty pro uchopení a umístění různých objektů.

Dr. Dennis Stampfer, generální ředitel a spoluzakladatel Toolify Robotics, spolu se svým týmem pro modulární hardwarovou platformu vyvinul nezbytný software. „Nabízíme snadno použitelné nástroje pro vytváření softwarových komponent plug-and-play, které usnadňují realizaci poměrně složitých robotických aplikací,“ uvádí Stampfer. Xito výrazně zjednodušuje a urychluje programování robotických aplikací tím, že pro ně nevyžaduje žádné vysoce odborné znalosti. „Celý systém se skládá z mnoha různých subsystémů a zařízení. S naší na dodavateli nezávislou platformou působíme vlastně jako tlumočníci mezi nimi.“

Robotika a automatizace pro všechny

Transpharm má nyní kolaborativní mobilní robot, který autonomně sleduje skladníka vychystávajícího zboží na další relevantní místo. Pilotní projekt s několika roboty byl velmi dobře přivítán i personálem: práce s robotickými asistenty je těší, protože to znamená, že již nemusí ručně tlačit těžké vychystávací vozíky.

Stejně jako dříve začíná vychystávání v určitém výchozím bodě, ale místo vychystávacího vozíku, který dříve museli tlačit podobně jako nákupní vozík, jim nyní slouží samojízdný robotický vozík s nosičem, který čeká na doprovod skladníka. Když je vychystávání ukončeno, je robotický vozík se všemi položkami odeslán do balírny. Aby se tam robotický vozík dostal sám, sleduje stejně jako při jízdě ve skladu předem definované optimalizované trasy. A nový prázdný robotický vozík už čeká v počátečním bodě, připraven na další úkoly vychystávání.

„Platforma Xito usnadnila, zrychlila a zlevnila konfiguraci autonomního logistického vozíku a dokonale odpovídá našemu konkrétnímu úkolu v oblasti vychystávání zboží,“ potvrzuje Martin Zwiebel. „Všechno funguje bezchybně. To není samo sebou. Bez vývojové platformy, jako je Xito, jednotlivé komponenty často postrádají požadovanou kompatibilitu, což vyžaduje vynaložit velké úsilí na vývoj funkčního softwaru a hardwarového řešení – to jsou náklady, které často překračují finanční prostředky malých a středních společností.“

V závislosti na konkrétních požadavcích Xito ušetří uživatelům ve srovnání s konven­čním řešením až 75 % doby vývoje a implementace. Je tomu tak proto, že mohou po­užívat jednoduché, méně nákladné standardní komponenty, které by bez vývojové platformy Xito nebyly schopné mezi sebou komunikovat. Další výhoda: jednotlivé stavební bloky platformy jsou opakovaně použitelné a jejich uspořádání lze podle potřeby změnit. Díky tomu jsou životaschopná i ta řešení, u nichž by dříve byl problém s návratností vzhledem k požadavkům na časté úpravy a modifikace. Ve skladu společnosti Transpharm pro manipulaci s akčními produkty plně dostačují tři takové autonomní vychystávací vozíky.

Modulární stavebnice vyžaduje modulární procesor

„Integrační schopnosti a pokročilá modularita platformy Xito potřebovaly jako protějšek podobně modulární a flexibilní hardwarovou architekturu,“ vysvětluje Dr. Stampfer. Požadovaný výpočetní výkon jednotlivých řešení Xito se koneckonců liší v závislosti na tom, jak jsou modulární komponenty sestaveny. Platforma proto využívá standard COM, Computer on Module, který umožňuje flexibilní škálování výpočetního výkonu (obr. 3). Vedle výběru výkonu podle výpočetní zátěže dané specifickými požadavky příslušných úloh to také umožňuje balancovat cenu a výpočetní výkon podle konkrétní úlohy.

Nejnovější podporované moduly COM jsou založené na kompaktním formátu COM Express a jsou vybavené novými procesory Intel Core 11. generace (Tiger Lake)¹⁾. Výkon je možné škálovat až do procesoru Intel Core i7. Pro úlohy, kde je požadována malá spotřeba nebo nízká cena, jsou k dispozici moduly založené na procesorech Intel x6000, Intel Atom Celeron a Pentium (Elkhart Lake; obr. 4). Vývojáři mohou s využitím nových procesorů své aplikace škálovat na patnácti různých úrovních výkonu. Ještě mnoho dalších variant lze vytvořit pomocí jiných platforem procesorů, protože díky standardu COM Express jsou z hlediska pinů kvazi kompatibilní, a aplikace lze proto implementovat na všech architekturách procesorů. Pro roboty v obzvláště náročných prostředích jsou k dispozici moduly, které jsou speciálně navržené pro rozšířený rozsah pracovních teplot –40 až +85 °C (obr. 5). Jde např. o roboty a robotizované vozíky pro chladírny nebo pro velké pekárny, kde mají roboty na starost manipulaci s regály s čerstvě upečenými výrobky v bezprostřední blízkosti pecí.

Tyto možnosti je možné ještě dále rozšířit s pomocí hypervizoru, který umožňuje práci v reálném čase. Podpora hypervizorů od firmy Real-Time Systems je standardem u všech počítačových modulů x86 od společnosti congatec. Tyto moderní hypervizory umožňují paralelní provoz několika operačních systémů na vícejádrových procesorech x86 – jak operačních systémů RTOS (Real-Time OS), tak běžných operačních systémů (GPOS), jako jsou Microsoft Windows nebo Linux, přičemž tyto běžné systémy nijak neovlivňují „tvrdý“ reálný čas v RTOS. Díky tomu jsou modulární systémy od firmy congatec základem řídicích systémů robotů na platformě Xito, vysoce konfigurovatelných pro širokou škálu úkolů a subsystémů.

Skvělé ceny, obrovská zlepšení

Robotika vzkvétá, ale pro mnoho malých a středních podniků je investice do robotů příliš vysoká. „Pomáháme zjednodušit a zlevnit vývoj robotických systémů tak, aby i malé firmy mohly využívat jejich výhody,“ vysvětluje Dennis Stampfer. Bez systémů Computer on Module od firmy congatec by však taková flexibilita a modularita byly těžko představitelné.

Martin Zwiebel odhaduje, že společnost Transpharm díky zavedení robotů zvýšila svou produktivitu o 20 až 25 %.

Firma Toolify plánuje další využití platformy Xito. „Chladírenský průmysl čelí podobným problémům: neustále se rozrůstajícímu sortimentu a agilnějším procesům. Kromě toho převládající omezení objemu chlazeného prostoru neumožňuje automatizaci s konvenčními dopravníky.“ Potenciál pro platformu Xito vidí firma Toolify také ve výrobě a zabezpečování kvality a v budoucnu bude možná i běžné zboží vychystávat nikoliv skladník, ale plně automaticky robotický dopravní systém.

Přehled řešení

Průmyslové roboty jsou základním kamenem průmyslu 4.0. Ale jelikož vyvíjet a implementovat robotické buňky přizpůsobené na míru je velmi nákladné a časově náročné, mnoho malých a středních firem od investice do robotů upustí. Nejen ve výrobě, ale i v intralogistice. Proto společnost Toolify Robotics vyvinula Xito (www.xito.one), otevřenou modulární vývojovou platformu nezávislou na výrobci robotů, určenou pro vývoj autonomních intralogistických vozíků a mobilních robotů pro úlohy typu pick-and-place. V kombinaci s počítačovými moduly COM od firmy congatec to otevírá cestu k flexibilnímu a levnému vývoji řešení automatizace přesně podle potřeb zákazníků.

Transpharm Logistik

Společnost Transpharm Logistik, která je součástí mezinárodně působící skupiny Teva Pharmaceutical Industries Group, zajišťuje farmaceutické a zdravotnické logistické procesy již více než třicet let. Zabývá se kompletní škálou logistických procesů, od příjmu produktů přes správu zboží až po skladování, zpracování objednávek a dodávky. Každý den opouštějí logistické centrum v Ulmu (obr. 6) dva miliony balíků s léky. Transpharm Logistik je tak největším distributorem farmaceutického průmyslu v Německu.

Zeljko Loncaric, marketing engineer, congatec AG

Obr. 1. Společnost Transpharm nahradila konvenční vozíky pro vychystávání objednávek vozíky autonomními (foto: Transpharm)

Obr. 2. Xito od firmy Toolify je vývojová platforma pro snadné navrhování autonomních robotů specifických pro konkrétní úlohy, jako jsou logistické vozíky a manipulační roboty s volitelnou funkcí pick-and-place (grafika: Toolify)

Obr. 3. Aby bylo možné přizpůsobit výpočetní výkon konkrétním úkolům, využívá vývojářská sada od firmy Toolify flexibilně škálovatelné počítačové moduly od firmy congatec, specialisty na vestavné systémy

Obr. 4. Nové moduly Conga-TCA7 založené na procesorech Intel Atom x6000E, Intel Pentium a C eleron J j sou dodávány v o smi škálovatelných variantách a jsou speciálně navržené pro energeticky úsporné nebo cenově omezené aplikace

Obr. 5. Moduly congatec s nejnovějšími procesory Intel Core 11. generace (Tiger Lake) jsou k dispozici také pro rozšířený rozsah pracovních teplot –40 až +85 °C

Obr. 6. Logistické centrum firmy Transpharm Logistik v Ulmu

¹⁾ U novych navrhů se doporučuje uvažovat jako o alternativě ke COM Express o nedavno vydanem standardu PICMG COM-HPC. Technicky članek společnosti congatec s podrobnostmi o novem standardu a jeho srovnani s COM Express vyjde v přištim čisle.