Projekt ROBOPROX – robotika a pokročilá průmyslová výroba

V březnu 2024 byl v prostorách Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT v Praze představen projekt ROBOPROX. Byly prezentovány základní cíle, témata řešení a jednotlivé řešitelské týmy.

Cílem projektu Roboprox je vytvořit základnu pro růst výzkumu v oblasti robotiky a průmyslové výroby podporou výzkumných týmů v této oblasti, rozšířením současných znalostí, tvorbou originálních vědeckých příspěvků, posílením studijních plánů partnerů projektu a využitím národní a mezinárodní spolupráce a excelentního výzkumu. Roboprox se zaměří na mezinárodně konkurenceschopný interdisciplinární výzkum v oblasti robotiky zahrnující komplexní robotické systémy, autonomní robotiku, spolupráci člověka a stroje, návrh a řízení modulárních systémů, rozvrhování, optimalizaci a rozhodování a další oblasti výzkumu s cílem transformovat podniky tak, aby jejich výroba byla flexibilní, komplexní, konkurenceschopná a udržitelná. Mezioborové aktivity projektu Roboprox umožní nové vědecké objevy, které budou mít dopad na evropskou ekonomiku a společnost.

Dílčí cíle projektu jsou:

• provádění hlavních výzkumných činností v rámci dvou výzkumných záměrů (WP) a jejich výzkumných oblastí (RA),
• posílení vědecko-výzkumných kapacit zřízením a rozvojem výzkumných týmů v oblasti robotiky a průmyslové výroby,
• navázání a posílení mezinárodní spolupráce výzkumných týmů,
• pořízení přístrojového a infrastrukturního vybavení nezbytného pro realizaci výzkumných projektů,
• podpora mobility výzkumných pracovníků.

Řízení a optimalizace systémů, materiálů a výroby

Výzkumný záměr WP1 Řízení a optimalizace systémů, materiálů a výroby sdružuje odborníky na automatické řízení, optimalizaci a materiálové inženýrství a nabízí tak příležitost pro mezioborovou spolupráci v těchto oblastech. Je zaměřen na zásadní pokrok v metodách a jejich teoriích a na rychlý přenos výsledků do praxe.

Řízení systémů s distribuovanými parametry a složitých robotických struktur

Výzkumná oblast RA1 Řízení systémů s distribuovanými parametry a složitých robotických struktur bude vyvíjet nástroje pro návrh řízení komplexních systémů, včetně systémů s distribuovanými parametry a časově proměnných systémů, a implementovat je do průmyslově použitelných regulátorů a estimátorů s nízkým řádem. Metody budou aplikovány na současné řízení pohybu a potlačení vibrací robotických struktur s aplikacemi v (mikro)obrábění a aditivní výrobě s využitím laserů. Do tohoto výzkumného záměru patří:

• optimální řízení složitých, vzájemně propojených systémů se zpožděním,
• rozšíření metody eliminace interakcí,
• řízení a potlačení vibrací lehkých robotických struktur,
• algoritmy pro průmyslové řízení,
• odhadování a filtrace,
• pokročilá výroba.

Řízení modulárních systémů, struktur a materiálů

Výzkumná oblast RA2 Řízení modulárních systémů, struktur a materiálů vyvine nové metody automatického řízení založené na matematických modelech a datech pro modulární systémy, struktury a materiály. Hlavní důraz bude kladen na využití znalostí struktury propojení coby klíčového kroku pro škálovatelné modelování, simulaci a analýzu s cílem navrhnout a implementovat centralizované, distribuované a kolaborativní řízení. Cílem jsou přitom úlohy zahrnují koordinaci více sestavujících strojů a robotů a úlohy samoskládání. Dílčí témata jsou:

• metodika pro kolaborativní sestavování modulárních struktur,
• metodika řízení sestavených modulárních struktur.

Konvexní relaxace pro nekonvexní úlohy v materiálech a průmyslovém návrhu

Výzkumná oblast RA3 Konvexní relaxace pro nekonvexní úlohy v materiálech a průmyslovém návrhu je teoretickou oporou, která přinese metody pro řešení nelineárních a nekonvexních optimalizačních problémů z oblasti materiálového inženýrství prostřednictvím hierarchie konvexních relaxací. Tohoto cíle bude dosaženo zaručením konvergence této hierarchie a zajištěním její škálovatelnosti na problémy průmyslového významu s využitím struktury (řídkosti, symetrie), která je těmto úlohám vlastní.

Dílčí úlohy jsou:

• absence relaxační mezery v hierarchii moment-SOS,
• lepší škálovatelnost hierarchie moment-SOS.

Počítačově podporovaný návrh, simulace a výroba modulárních materiálů

Výzkumná oblast RA4 Počítačově podporovaný návrh, simulace a výroba modulárních materiálů se zaměřuje na modularitu jako základní předpoklad pro distribuovanou výrobu masově přizpůsobených výrobků. Jelikož je výpočetní návrh modulárních materiá­lů a konstrukcí s vnitřní funkční architekturou teprve v počátcích, budou vyvinuty nové, teoreticky podložené algoritmy a nástroje, které umožní využít modularitu při simulaci, optimalizaci a automatizované výrobě. Dílčí oblasti jsou:

• simulace,
• optimální návrh,
• výroba a validace.

Automatizace pro povrchové inženýrství nanomateriálů

Výzkumná oblast RA5 Automatizace pro povrchové inženýrství nanomateriálů má za cíl uspořit energii a snížit náklady v materiálovém inženýrství. Toho bude dosaženo automatizovaným tribologickým testováním, které urychlí vývoj nových materiálů s velmi nízkým třením, přesnou manipulací s 2D materiá­ly, což otevře cestu k průmyslovému využití pevných supermaziv, a magnetronovým naprašováním pomocí robotického ramene pro lokální nanášení tenkých vrstev na rozměrné objekty, což zkrátí dobu výroby a spotřebu materiálu. Dílčí úlohy jsou:

• robotické magnetronové naprašování,
• automatizovaná tribologie v nanoměřítku,
• návrh a manipulace s 2D materiály.

Robotika a výpočetní metody pro výrobu

Výzkumný záměr WP2 Robotika a výpočetní metody pro výrobu zahrnuje kombinovaný výzkum v oblasti robotiky a pokročilých průmyslových výrobních systémů. Cílem je zásadně přispět k pokroku v oblastech diskrétní optimalizace, strojového učení, rozhodování a verifikace a efektivně přenést tyto výsledky do průmyslové praxe.

Pokročilá autonomie robotů

Výzkumná oblast RA6 Pokročilá autonomie robotů se zaměřuje na vizuální navigaci autonomních robotů ve slabě kontrolovaných prostředích a prostředích bez dedikované navigační infrastruktury. Výzkum povede ke zvýšení robustnosti navigace robotů, k novým postupům jejího samostatného obnovení po selhání za provozu, a tedy schopnosti robotu zvládat situace s vysokou nejistotou, změnami tvaru a struktury prostředí a pracovat za přítomnosti člověka. Dílčí témata jsou:

• modelování a správa pracovního prostoru robotu, robot pracující s nejistou informací,
• navigace založená na percepci vlastností pracovního prostoru,
• dlouhodobá autonomie, detekce a obnova po poruše.

Spolupráce člověka se strojem

Výzkumná oblast RA7 Spolupráce člověka se strojem má za cíl udělat z robotů plnohodnotné spolupracovníky člověka. V současné době nejsou kolaborativní roboty flexibilní, efektivní ani opakovatelně použitelné. K překonání těchto problémů přispěje vytvoření modulární architektury a znalostní báze a dále vývoj nových metod pro reprezentaci demonstrovaných dovedností či rozvržení úloh mezi člověka a roboty s využitím různých stupňů autonomního chování. Navržený systém bude rovněž obsahovat moduly pro interaktivní multimodální komunikaci mezi člověkem a strojem. K tématům záměru patří:

• modulární znalostní architektura pro spolupráci člověka s robotem,
• interaktivní specifikace dovedností a úloh, učení,
• plánování, rozvrhování a provádění úloh v pracovním prostoru HRC,
• interaktivní vnímání,
• využití v robotickém systému pro detekci radiace.

Kooperativní vzdušné roboty pro pokročilou průmyslovou výrobu

Výzkumná oblast RA8 Kooperativní vzdušné roboty pro pokročilou průmyslovou výrobu se zaměřuje na autonomii spolupracující skupiny několika robotů v průmyslové výrobě. Kooperativní vzdušné roboty (UAV) mohou v budoucnu významně zlepšit průmyslovou výrobu, např. dodáváním komponent uvnitř i vně průmyslových zařízení. V současné době je využití týmů UAV omezeno kvalitou lokalizace a mapování, rychlostí letu a také efektivitou rozdělování úkolů mezi jednotlivé roboty. Proto budou navrženy nové techniky mapování a lokalizace několika robotů, plánování pohybu pro agilní let UAV v neznámém dynamickém prostředí a také metody na plánování misí pro efektivní nasazení týmů robotů. Dílčí témata jsou:

• topologické multimodální mapování a kooperativní lokalizace,
• plánování trajektorií a misí pro agilní let více robotů.

Dlouhodobě odolné stroje prostřednictvím nepřetržitého učení a senzorického vnímání

Výzkumná oblast RA9 Dlouhodobě odolné stroje prostřednictvím nepřetržitého učení a senzorického vnímání zkoumá nové metody strojového učení pro zvýšení flexibility průmyslového využití robotů. Soustředí se na slabě dozorované metody a samoučicí postupy bez učitele. Výzkum reaguje na současnou nežádoucí potřebu velkého množství ručně označených dat. Druhá část se zaměří na výzkum paralelně běžících distribuovaných řídicích smyček podpořený novými postupy v senzorice, kde senzory pokrývají významnou část robotického povrchu. Nové metody podpoří schopnost adaptace robotických systémů na dynamicky se měnící pracovní podmínky i změny hardwaru, např. na nový typ senzorů. Patří sem:

• end-to-end učení s vysvětlitelností,
• všestranné a robustní roboty díky distribuo­vanému reaktivnímu řízení a hmatovému vnímání z celého povrchu robotu.

Robotické směrování v dynamickém průmyslovém prostředí s možným výskytem osob

Výzkumná oblast RA10 Robotické směrování v dynamickém průmyslovém prostředí s možným výskytem osob zvýší efektivitu a produktivitu vnitropodnikové logistiky a zemědělství prostřednictvím rozhodování založeného na plánování s delším horizontem a samostatně se zlepšujících autonomních systémech. Důraz je kladen na řešení kombinatorických sekvenčních úloh společně se spojitou optimalizací zohledňující pohybová omezení robotů. RA10 se zaměřuje na záruky kvality řešení s praktickou po­užitelností v reálném světě a zobecnění metod na dynamické problémy, kde výkonnost systému může těžit z pochopení dlouhodobé dynamiky a online rozhodování s uvažováním delšího časového horizontu. Patří sem tyto úlohy:

• řešiče robotických úloh plánování s několika cíli poskytující odhad kvality nalezených řešení,
• plánování sběru dat s uvažováním časoprostorových jevů.

Rozvrhování, diskrétní optimalizace a rozhodování

Výzkumná oblast RA11 Rozvrhování, diskrétní optimalizace a rozhodování se zaměřuje na vysoce výkonné algoritmy využívající teorii grafů, (meta)heuristiky, matematické programování, programování s omezujícími podmínkami, automatizované plánování a strojové učení. Pozornost bude věnována novým rozšířeným problémům plánování výroby, balení do zásobníků, uvažování nad spotřebou energie, rozvrhování průmyslové komunikace a dlouhodobému autonomnímu rozhodování. Budou zvažovány přístupy založené na modelech i na datech, které řeší praktické problémy, jako je narušení dodavatelského řetězce, nedostupnost personálu a nejistota parametrů. Dílčí úlohy jsou:

• vysoce výkonné algoritmy pro nová rozšíření problémů rozvrhování výroby,
• nejistota a strojové učení v diskrétní optimalizaci,
• efektivní rozhodování pro dlouhodobou autonomii,
• aplikace metaheuristických metod pro rozsáhlá vysokorozměrná data,
• optimalizace spotřeby a výroby energie.

Škálovatelné formální metody v robotice a výrobě

Výzkumná oblast RA12 Škálovatelné formální metody v robotice a výrobě rozvíjí formální metody pro škálovatelnou analýzu a zlepšování softwaru používaného v robotice a výrobě obecně. Škálovatelnost bude řešena zejména z hlediska statické analýzy kódu, automatického uvažování a teoretické analýzy. RA12 se zaměří na vývoj nových přístupů v symbolickém provádění a optimalizaci kódu, podporovaných nástroji pro uvažování, které se automaticky přizpůsobují a zlepšují na základě předchozích zkušeností. Konkrétní průmyslové problémy budou řešeny teoreticky především za použití metod z oboru parametrizované složitosti. Dílčí úlohy jsou:

• škálovatelné symbolické provádění ohraničeného ověřování modelu,
• automatické uvažování pro průmyslové aplikace,
• dokazování nad konfigurovatelnými systémy,
• grafy, parametry a optimalizace pro agenty.

Komplexní systémy pro flexibilní výrobu

Výzkumná oblast RA13 Komplexní systémy pro flexibilní výrobu vyvíjí metody modelování, navrhování a řízení výrobních systémů, které umožňují pružně reagovat na měnící se požadavky na výrobu prostřednictvím snadné rekonfigurace. V rámci RA13 se budou zkoumat metody modelování s využitím několika agentů pro zachycení chování složitých výrobních systémů a metody znalostního inženýrství, přičemž se bude usilovat o naplnění vize „zapoj a vyráběj“. Budou použity přenositelné metody strojového učení s cílem snížit požadavky na tréninková data pro systémy řízení kvality výroby. Dílčí úlohy jsou:

• pokročilé modely komplexní výroby,
• modularizace výroby,
• kontrola kvality v pružné výrobě,
• výrobky, výrobní systém a zařízení.

Závěrem

Koordinátorem projektu je ČVUT v Praze se zapojením těchto fakult a ústavů: Český ústav informatiky, robotiky a kybernetiky, Fakulta elektrotechnická, Fakulta strojní, Fakulta stavební, Fakulta informatiky a Ústav experimentální a aplikované fyziky. Partnery jsou Vysoká škola báňská – Technická univerzita v Ostravě, Vysoké učení technické v Brně a Západočeská univerzita v Plzni. Projekt pracuje s rozpočtem necelých 470 milionů korun a bude trvat do poloviny roku 2028.

 Radim Adam

Obr. 1. Účastníci sympozia k projektu Roboprox, které se konalo 14. března na CIIRC ČVUT v Praze (foto: ČVUT)