Industry 4.0 & Automotive Lab

Živá laboratoř vytvoří unikátní laboratorní a inovační R&D platformu propojující segmenty Průmyslu 4.0, aditivní výroby, moderní veřejné dopravy, autonomní mobility a e-mobility, sdílených vozidel, energetiky a materiálového výzkumu. Budou využity výsledky v oblasti materiálových a energetických systémů pro udržitelnou dopravu s cílem zvýšit inovační potenciál firem prostřednictvím digitalizace průmyslových procesů a inovací v dopravě.

V rámci živé laboratoře vznikne jedno z největších center 3D tisku ve střední Evropě a bude vybudováno moderní centrum robotiky.

Vedoucí: doc. Petr Šimoník

Výzkumné programy

Smart Manufacturing

Odborný garant - prof. Václav Snášel

V rámci projektu bude vybudovaná unikátní infrastruktura pro testování veškerých aspektů digitalizace průmyslu, která umožní všechny fáze vývoje a testování nových typů senzorů a následného zpracování signálů od fáze hypotéz po reálné nasazení v průmyslových aplikacích. Bude možné realizovat výzkum v oblasti návrhu, realizace a ověření nových typů inteligentních senzorů (jak hardwarové tak softwarové povahy) pro multioborové využití. Dále bude možné efektivně využít navržené senzory v rámci zpracování velkého množství dat za využití konceptu fog a edge computingu ve spolupráci s centralizovaným a decentralizovaným prostředím, modelováním a navrhováním celých procesů v rámci digitálních dvojčat a to se zapojením efektivního zabezpečení všech aspektů dat v rámci otevřeného prostředí.

Vzniklé laboratoře budou koncentrovat excelentní teoretické znalosti propojené do aplikovaných výsledků a spoluprací s řadou firem a v rámci průmyslového regionu a transformace průmyslu v rámci nových postupů a principů digitální revoluce. Unikátní spojení všech složek - měření a zpracování signálů, modelování komplexních systémů, zpracování velkých dat pomocí metod umělé inteligence a plánování včetně zabezpečení dat umožní návrh komplexních metod a principů uplatnitelných v libovolném průmyslovém podniku.

Po ukončení výzkumných aktivit bude k dispozici velký tým expertů na jednotlivé problematiky, schopných pružně reagovat na výzvy z praxe. Tým bude schopen efektivně zpracovat komplexní zadání a navrhnout řešení zahrnující jednotlivé aspekty na základě modelů a zpracování historických dat. Díky vytvoření týmu bude možné řešit jak projekty z praxe, tak i v rámci dalších výzkumných projektů.

Modelování, simulace a optimalizace

Odborný garant - doc. Petr Kovář

Výzkumníci se budou zabývat vývojem nových algoritmů a jejich masivně paralelní implementací pro řešení extrémně rozsáhlých úloh kvadratického programování. Součástí projektu je také využití nových algoritmů pro řešení extrémně rozsáhlých reálných úloh ve spolupráci se zahraničními institucemi a výzkumnými programy v rámci tohoto projektu.

Cíle v oblasti vývoje metod high-order BEM-FEM-DDM:
  • Základní matematický výzkum v podobě vývoje nových metod integrace singulárních jader a základní výzkum v oblasti rozkladu grafů a jejich využití pro optimální rozklad výpočtu na jednotlivá jádra paralelních procesů
  • Základní výzkum na pomezí matematiky a IT v oblasti masivní implementace metody high-order BEM a BETI na GPU jádrech
  • Implementace BEM do Netgen/NgSolve
  • Získání mezinárodního projektu
  • Použití softwaru na náročné inženýrské simulace a optimalizace a zintenzivnění spolupráce s dalšími VP (robotika, kybernetika, Protolab).
Cíle v oblasti vývoje optimalizačních metod:
  • Základní matematický výzkum zaměřený na vývoj citlivostní analýzy s využitím Morduchovičova kalkulu pro řešení úlohy tvarové optimalizace pro proudění
  • Základní matematický vývoj v oblasti topologické optimalizace
  • Implementace vybraných optimalizačních metod pro hladkou i nehladkou optimalizaci
  • Použití nově vyvinutého softwaru pro řešení aplikačních úloh ve spolupráci s dalšími VP

Komunikační technologie

Odborný garant - prof. Miroslav Vozňák

V rámci projektu bude vytvořena jedinečná 5G/6G infrastruktura, která umožní řešení nových úloh v oblasti energy harvestingu. To bude mít znalostní dopad na firmy v regionu, jež se zabývají vývojem senzorových sítí. Již během řešení projektu lze očekávat snadný přístup k technologickým novinkám, definování a řešení úkolů společně s výzkumnou organizací, což bude mít pozitivní vliv na průmyslový výzkum realizovaný firmou. V dlouhodobějším horizontu se zlepšení znalostní báze a podpora průmyslového výzkumu musí odrazit v portfoliu produktů uplatněných na trhu. Poskytneme společnostem v regionu součinnost při pilotování, experimentování i produkčním zabezpečení, a to jak v oblasti kvantové, tak i postkvantové kryptografie. S vybudováním nejmodernější 5G (případně 6G) sítě je spojen i vznik souvisejících laboratoří - těžká laboratoř (s jedinečným vybavením pro testování a měření RF signálů a EMC parametrů) a výzkumná a vývojová lehká IoT laboratoř, která umožní výzkum, vývoj, výrobu a implementaci prototypů koncových zařízení s aplikačním důrazem na IoT. Obě přinesou nové poznatky z daného oboru, zejména z oblasti bezdrátových komunikačních sítí.

V oblasti optické komunikace a senzorů se vědci zaměří na výzkum a vývoj nových typů optických a optovláknových senzorů pro oblasti Automotive, Industry 4.0 a nových typů komunikačních platforem na bázi bezvláknové optické technologie.

Klíčová jsou tři témata:

Vláknově optické senzorické systémy pro diagnostiku a řídicí systémy v Automotive

V rámci tohoto tématu bude řešena integrace optovláknových senzorických systémů do automobilového průmyslu. Systémy a sondy postavené na vláknových senzorech, zahrnující interferometry, braggovské mřížky či optické fotonické krystaly, budou využity při měření teploty baterií, motoru a interiéru vozidla, dobíjecích stanic včetně vlhkosti nebo snímání vibračních charakteristik částí vozidel. Dále půjde o bezpečnostní systémy vozidel jako součásti autonomních systémů s ne-invazivním monitorováním životních funkcí řidiče a posádky vozidla.

Optické senzory se Smart materiály pro Industry 4.0

Obsahem budou řešení vysokorychlostního přenosu dat a monitorování důležitých, provozních, mechanických a jiných veličin (poloha, rychlost, hloubka, resp. životnost nástrojů a strojních konstrukcí) po společném optickém vlákně/kabelu. Výsledkem budou inovativní konstrukční řešení vycházející z myšlenky Průmyslu 4.0, včetně prediktivní údržby využívající nové přístupy, např. moderních 3D tisků a systémy s nanomateriály či polymery, tj. optické senzory s odolností vůči elektromagnetickému rušení.

Robustní bezvláknová komunikace pro vnitřní a vnější prostory

Výzkumníci se zaměří na platformu pro bezvláknovou komunikaci vozidlo-vozidlo (V2V) či vozidlo-infrastruktura (V2I) s možnou integrací RF. Budou se řešit způsoby zajištění výměny informací a zabezpečení kanálu mezi vozidly či veřejným osvětlením, v souladu s platnými předpisy či normami. V rámci Průmyslu 4.0 půjde o nové možnosti integrace např. VLC technologií pro osvětlení výrobních hal. Vyvíjená technologie pracuje také s možností využití osvětlení jako komunikační platformy IoT zařízení, automatických linek a robotů ve výrobě.

Jedním z cílů je vybudování ojedinělé bezprašné optické laboratoře s jedinečným výzkumným zařízením. Laboratoř bude v oblasti optických a vláknově optických senzorických systémů unikátní v rámci celé ČR.

Autonomní doprava, e-mobilita a prostředí

Odborný garant - doc. Petr Šimoník

Výzkumný tým věnující se problematice autonomní doprava se ve spolupráci s partnery z řad výrobců automobilů, nákladních vozidel a autobusů, přímých dodavatelů a spolupracujících vědeckých týmů zaměří na dvě klíčové oblasti. První je vývoj a výzkum prostředků, metod a algoritmů pokročilých asistenčních systémů řidiče a autonomního řízení automobilů, nákladních vozidel, vozidel pro veřejnou dopravu a průmyslových mobilních robotů, druhou oblastí jsou nové brzdové systémy s aplikací umělé inteligence, resp. strojového učení zohledňující vlastnosti materiálů v reálném čase. V oblasti e-mobility a prostředí se výzkumníci zaměří na využití sofistikovaných algoritmů pro zlepšení zejména dynamických vlastností elektrických pohonů či zvýšení robustnosti a zmenšení závislosti na měnících se parametrech stroje, což zlepšuje energetické ukazatele celého pohonu.

Oblast brzdových systémů autonomních vozidel a vozidel na elektropohon bude řešena s ohledem na vývoj nových řešení brzdových systémů z pohledu jejich řízení, bezpečnosti a také ekologické šetrnosti ve srovnání se stávajícími brzdovými systémy, které jsou založeny na frikčních brzdách, které nikterak nekomunikují s řídící jednotkou vozu.

Cíl v oblasti Autonomní doprava:

Vývoj, testování, publikování a komercializace zcela nových hardwarových a softwarových prostředků automobilových elektronických systémů – testovací systémy a elektronické systémy vozidel umožňující autonomní jízdu a datovou konektivitu; nové řešení brzdových systémů s materiálovou zpětnou vazbou.

Cíl v oblasti E-mobilita a prostředí:

Vývoj inteligentních algoritmů řízení moderních regulovaných pohonů a výkonových polovodičových systémů s ohledem na jejich implementaci v reálném čase. Za velmi užitečné lze spatřovat i sledování dopadů provozu technologií na prostředí (vnitřní i vnější) s cílem minimalizace negativních dopadů a intenzifikace energetické efektivnosti, spolehlivosti a provozního komfortu.

Cíl v oblasti Emise z dopravy:

Návrh a otestování nového řešení brzdového systému osobního automobilu, který bude adaptivně reagovat na aktuální stav (např. teplota) stěžejních komponent (brzdová deska, kotouč, třmen) s cílem optimalizovat brzdnou účinnost a minimalizovat množství produkovaných emisí (prachové částice, organické látky, hluk).

Cíl v oblasti Funkční a kybernetická bezpečnost v automotive:

Výzkumný tým se bude zabývat výzkumem a rozvojem na následujících specifických tématech v oblasti kvality vývoje, v oblasti funkční bezpečnosti a provozního selhání a v oblasti cybersecurity.

Robotické a mechatronické systémy

Odborný garant - prof. Petr Novák

Motivací navrhovaného výzkumu je významným způsobem zvýšit robustnost, implementovatelnost a také bezpečnost vybraných činností (s ohledem na potřeby průmyslu a také publikační potenciál) při vlastním návrhu robotizovaného pracoviště a jeho subsystémů, jeho optimalizaci a následném provozu, včetně naprogramování za použití moderních technologií – systémů strojového učení a vidění, umělé inteligence a moderních senzorických systémů. Dále také urychlit, zpřesnit a zefektivnit ty části průmyslových procesů, v nichž je doposud důležitou součástí lidská práce. Metody interakce člověk-stroj s využitím moderní senzoriky povedou k výrazně realističtější komunikaci člověk stroj a k přirozenějšímu „vnořování“ strojů, zejména robotů, do výrobního řetězce. Implementace I4.0 a strojového učení je aplikovatelná i při návrhu nových nekonvenčních robotických struktur pro nestandardní pracovní prostředí, kde aplikace komerčně dostupného robotu není možná, nebo je ekonomicky nevýhodná (například požadavek na vysoký počet stupňů volností).

Konkrétní aktivity
  • Detekce a lokalizace dynamicky se měnicích překážek v pracovním prostoru robotu, VaV algoritmů, jejich paralelizace, inteligentní on-line antikolizní systém robotu
  • Výzkum systému intuitivního programování a ovládání jednoduchých činností robota (s aplikovatelností na celé robotizované pracoviště) pomocí gest, robustnost tohoto systému, zpětná vazba operátorovi
  • Návrh metodiky pro kontrolu plnění bezpečnostních limitů dle norem a technických specifikací Systém adaptivního robotizovaného bezkontaktního měření 3D objektů, optimalizace strategie měřicí trajektorie a měřicího pracoviště a senzorického subsystému, detekce a korekce chybné orientace objektu manipulace (důležité pro bin-picking aplikace)
  • Příprava optimální konfigurace RTP dle zadaných kritérií s využitím strojového učení
  • Výzkum nekonvenčních kinematických struktur manipulátoru a jejich optimalizace, monitorování, vyhodnocování a optimalizace vybraných parametrů RTP
  • Zvyšování přesnosti polohování manipulátorů.
  • Výzkum speciálních kinematických struktur mobilních platforem a jejich nadstaveb, jejich optimalizace, autonomní chování, ověření na soutěžích (Evropa- European Rover Challenge, zámoří.)

Realizace výše uvedených etap bude využívat pokrokových simulací na digitálních dvojčatech vyvíjených a zkoumaných zařízení, subsystémů. Následně budou testovány na reálných stendech v prostorech Centra robotiky, včetně jeho rekonstruovaných prostor.

Dalším cílem výzkumného programu bude rozvinutí poznatkové základny bezpečnosti a ochrany zdraví při práci a využívání nových technologií (kolaborativní robotika, KR) se zaměřením na posuzování rizik s ohledem na koncept Průmysl 4.0.

Mezi specifické cíle, které povedou a přispějí k naplnění cíle projektu lze zařadit:
  • funkční vzorek, který bude navržen a realizován za účelem ověření bezpečnosti KR,
  • standardní operační postupy pro měření doběhového času KR a nárazové síly při kolizních situacích.
Mezi základní pilíře průmyslu 4.0 patří měření a diagnostika, se kterou stojí a padá kvalita, spolehlivost, efektivita a bezpečnost nejen výroby, ale i produktů samotných. V této oblasti bude realizován:
  • Výzkum v oblasti spolehlivosti mechatronických systémů a prvků v závislosti na změně klimatických podmínek a vlivem vibrací, včetně výzkumu eliminace poruch úpravou dílčích prvků, aktivním potlačováním nebo pokročilým řízením včetně implementace umělé inteligence.
  • Ověřování robustnosti a odolnosti mechatronických systémů a prvků v náročných provozních podmínkách a kritických situacích včetně testování elektroniky, bateriových soustav a vodíkových článků podle normy UN 38.3.
  • Výzkum zaměřený na životnost konstrukcí mechanických prvků vyrobených aditivními technologiemi z pohledu konstrukčního řešení, použitého materiálu a technologie výroby.
  • Výzkum a vývoj komplexních měřicích a diagnostických systémů v souladu s požadavky průmyslu 4.0.

Aditivní technologie

Odborný garant - prof. Robert Čep

Aditivní technologie je multioborovou problematikou vyžadující společná řešení konstruktérů, technologů, metrologů, metalografů, povrchových inženýrů a dalších specialistů s vysokým technickým vzděláním. S 3D tiskem souvisí i nezbytné procesy, a to nový kreativní přístup v konstrukčním navrhování (využití topologické optimalizace a navrhování bionických konstrukcí), příprava výroby a výrobního procesu a postprocesní úpravy (tepelné zpracování, třískové obrábění na CNC obráběcích strojích, povrchové úpravy, 3D měření a 3D skenování).

Hlavní výzkumné cíle budou spočívat v interdisciplinárních výzkumných záměrech a jejich dílčích aktivitách v oblastech pre-processingu (příprava procesu a podkladů pro 3D tisk), processinguaditivní technologie 3D tisku kovových, kompozitních i polymerních materiálů) a navazujícím post-processingu (dokončovací proces) v návaznosti na trendy Industry 4.0 a automatizace 3D tiskové výroby.

Ve výzkumném programu budou realizovány dílčí výzkumné aktivity:
  • Výzkum v oblastech práškových kovů, kompozitních a polymerních materiálů - výzkum vlastností aditivních materiálů, základní výzkum nových aditivních materiálů se speciálním chemickým složením a využitím
  • Výzkum v moderních a inovativních směrech konstruování s ohledem na topologické optimalizace, navrhování bionických lehkých kovových konstrukcí včetně digitálních validací a simulací metodou konečných prvků, návrh konformního chlazení, vnitřních miniaturních příhradových konstrukcí
  • Výzkum procesních parametrů ovlivňující průběh tisku a jejich následný dopad na výsledný tvar, integritu povrchu, povrchovou úpravu a výrobní přesnost dílce, toku energie a hmoty
  • Simulace a zkoumání procesu aditivní výroby ve virtuálním prostředí s cílem optimalizace tiskových parametrů
  • Výzkum dodatečných technologií opracování, úprav a modifikací povrchů, hodnocení integrity materiálových a povrchových vrstev, měření a 3D skenování
  • Vývoj automatizované aditivní výroby s návazností na měření tvarově složitých součástí a monitoringu procesu 3D tisku