Integración de AGVs (Automated Guided Vehicles) en sistemas de fabricación flexibles en el contexto de la Industria 4.0

Abstract

Los sistemas de fabricación convencionales se encuentran inmersos en una transición hacia un modelo de producción más flexible, capaz de hacer frente a las demandas actuales del mercado. En este nuevo modelo de producción, los Vehículos Autónomos de Transporte (AGV) juegan un papel fundamental para dotar a la industria de dos características clave para lograr la plena flexibilidad: conectividad y descentralización. La investigación en el área del transporte autónomo se ha centrado, principalmente, en el diseño de algoritmos y en el desarrollo de herramientas de ingeniería y librerías para la integración de componentes. Sin embargo, no se ha prestado tanta atención a las necesidades de interacción (conectividad) que surgen entre los AGV y otros activos de fabricación en entornos distribuidos y cambiantes como los que presentan los Sistemas de Fabricación Avanzada o Sistemas de Fabricación Flexible (FMS). En este sentido, la revisión de la literatura refleja que dichos requisitos de conectividad entre activos robóticos y no robóticos carecen de soporte por parte de los principales frameworks robóticos. A esta problemática, se le suma la necesidad de dotar de inteligencia distribuida (descentralización) a los activos de fabricación para que puedan realizar tareas de forma autónoma (e.g., la navegación) y resolver conflictos de forma colaborativa (e.g., negociación y toma distribuida de decisiones), aspecto, este último, que es objeto de estudio actualmente. Los sistemas multiagente han demostrado ser adecuados para satisfacer los requisitos de conectividad y descentralización de los activos de fabricación en diferentes entornos industriales, hasta el punto de que el concepto de Agente Industrial se concibe como una implementación del concepto de Componente I4.0 (una particularización del concepto de Sistema Ciberfísico alineado con la arquitectura de referencia RAMI 4.0) mediante agentes. Así, existe una línea de investigación dedicada a la aplicación de la tecnología de agentes en frameworks robóticos. Este este contexto, este trabajo contribuye a la integración de AGV como Agentes Industriales dentro FlexManSys, una plataforma de gestión de aplicaciones de fabricación desarrollada por el grupo de investigación GCIS de la UPV/EHU. Esta integración consta de la definición de una interfaz, a nivel de operación, en ROS para el AGV; la provisión de mecanismos para el intercambio de datos entre el activo y su agente asociado; y la definición de una interfaz, a nivel de servicio, en el agente para la gestión virtual del AGV (concepto de Asset Administration Shell de RAMI 4.0). Además, como parte de las pruebas de concepto, se describe la puesta en marcha un sistema de navegación autónomo basado en técnicas SLAM en un robot Turtlebot2.

Ohiko fabrikazio sistemak ekoizpen eredu malguago baterako trantsizioan murgilduta daude, merkatuaren egungo eskaerei aurre egiteko gai dena. Ekoizpen eredu berri horretan, garraio ibilgailu autonomoek (AGV) funtsezko zeregina dute industrian erabateko malgutasuna lortzeko funtsezko diren bi ezaugarri lortzeko: konektibitatea eta deszentralizazioa. Garraio autonomoaren arloko ikerketa, batez ere, algoritmoen diseinuan eta osagaiak integratzeko ingeniaritzako tresnen eta liburutegien garapenean oinarritu da. Hala ere, Fabrikazio Sistema Aurreratuek bereizten dituzten ingurune banatu eta aldakorretan, AGVen eta beste fabrikazio aktibo batzuren artean sortzen diren elkarrekintza-premiei (konektibitatea) ez zaie arreta handirik jarri. Alde horretatik, literaturaren berrikuspenak aktibo robotikoen eta ez-robotikoen arteko konektibitate-baldintza horiek framework robotiko nagusien aldetik euskarririk ez dutela erakusten du. Arazo horri, fabrikazio aktiboei adimen banatua (deszentralizazioa) emateko beharra gehitu behar zaio, zereginak modu autonomoan egin ahal izateko (adibidez, nabigazioa) eta gatazkak elkarlanean konpondu ahal izateko (adibidez, negoziazioa eta erabakiak modu banatuan hartzea). Azken alderdi hori gaur egun aztergai da. Agente anitzeko sistemek fabrikazio aktiboen konektibitate eta deszentralizazio baldintzak hainbat industria ingurunetan betetzeko egokiak direla erakutsi dute; izan ere, Industria Agentearen kontzeptua I4.0 Osagaia kontzeptuaren (RAMI 4.0 erreferentziazko arkitekturarekin lerrokatuta dagoen Sistema Ziberfisikoaren kontzeptua, alegia) agente bidezko inplementazio gisa ulertzen da. Horrela, framework robotikoetan agenteen teknologia aplikatzeari buruzko ikerketa lerro bat dago. Testuinguru honetan, lan honek AGVak industria agente gisa FlexManSys-en (UPV/EHUko GCIS ikerketa taldeak fabrikazio-aplikazioak kudeatzeko garatu duen plataforma) integratu daitezala laguntzen du. Integrazio honek honako alderdi hauek biltzen ditu: AGVaren eragiketa mailako interfaze baten definizioa ROSen; aktiboaren eta hari lotutako agentearen artean datuak trukatzeko mekanismoen hornidura; eta agentean zerbitzu mailako interfaze baten definizioa AGVaren kudeaketa birtualerako (RAMI 4.0ren Asset Administration Shell kontzeptua). Gainera, kontzeptu-proben barruan, TurtleBot2 robot batean SLAM tekniketan oinarritutako nabigazio sistema autonomoaren martxan jartzea deskribatzen da.

Conventional manufacturing systems are transitioning towards a more flexible production, capable of heading-on current market demands. Within this new model of production and manufacturing, Automated Guided Vehicles (AGV) play a crucial role in giving actual industry two fundamental characteristics in flexible manufacturing systems: Connectivity and Decentralization. Research in the autonomous transport subject has focused mainly on the designing of algorithms and development of tools and software libraries for the integration of multiple components. Nevertheless, researchers have omitted the interaction necessities (connectivity) that come up among AGVs and other fabrication assets in distributed and volatile workspaces such as Advanced Fabrication Systems or Flexible Manufacturing Systems (FMS). On this matter, the state of the art reflects that those requirements of connectivity between robotic and non-robotic assets lack support from principal robotic frameworks. Multi-agent systems have proved to be suitable for the requirements of connectivity and decentralization of the manufacturing assets in different industrial environments. Hence, the concept of "Industrial Agent" is known as an implementation of the concept of "I4.0 Component" (a particularization of a Cypher-physical System in accordance with the RAMI 4.0 reference architecture.) among software agents. Thus, there is a line of research focused on the development of agent technologies in robotic frameworks. All in all, this project contributes to the integration of AGVs as Industrial Agents within FlexManSys, a management platform of manufacturing applications developed by the research group GCIS from the UPV/EHU. This integration is formed by the definition of an interface, at an operative level, carried out with ROS for the AGV; the designing of communication protocols and mechanisms for the exchange of data and information between the asset and its associated agent; and the definition of an interface, in a service level, within the agent for the virtual management of the AGV (concept of Asset Administration Shell from RAMI 4.0 architecture). Besides, among the concept validation checks, the launch and start-up of an autonomous navigation system based on SLAM techniques in a Turtlebot2 robot are described.