La tecnologia

Robotica intelligente per l’industria 4.0: ecco perché può rivoluzionare le imprese

L’emergenza coronavirus ha portato alla luce i limiti della robotica nell’Industria: le macchine non sono state totalmente in grado di sostituire le persone, portando avanti al posto loro le attività. Tuttavia, iniziative sono in corso in Italia ed Europa per sviluppare applicazioni di robotica intelligente

02 Set 2020
Emanuele Menegatti

Università degli studi di Padova

robotica

La mancanza di adattabilità ha fatto sì che i robot non fossero pronti per sostituire o assistere l’uomo durante l’emergenza Covid-19. Infatti i robot industriali, ma anche i primi robot di servizio operativi negli ambienti industriali e ospedalieri, hanno bisogno che l’ambiente attorno a loro sia “ingegnerizzato” e che le attività da eseguire siano preventivamente definite e programmate. Ora il lockdown è finito e abbiamo cambiato i nostri spazi e le nostre abitudini per conformarci alle direttive ed evitare il contagio. In una parola, abbiamo riconfigurato il nostro modo di lavorare per far fronte ad un evento imprevisto. Questa capacità di adattamento e di riconfigurazione è ciò che ancora differenzia maggiormente gli esseri umani e gli altri esseri viventi dai robot.

Una soluzione potrebbe derivare dallo sviluppo di applicazioni di robotica intelligente alle imprese 4.0: in questa direzione vanno alcuni progetti in corso a livello italiano ed europeo.

Limiti dell’evoluzione della robotica industriale

Ricordiamo intanto che lo sviluppo tecnologico della robotica industriale è stato velocissimo. Solo qualche decina di anni ci separa dai primi robot manipolatori creati dalla azienda Unimation tra gli anni Sessanta e Settanta del XX secolo. Oggi abbiamo a disposizione robot manipolatori estremamente performanti ed affidabili che sono stati addottati in quasi tutti i campi della produzione industriale. Il mercato offre robot industriali adatti a tutte le esigenze produttive sia in termini di velocità, sia di capacità di carico, sia di capacità di lavoro in ambienti sporchi o pericolosi. L’evoluzione tecnologica nell’ambito della robotica industriale ha raggiunto una maturità tale che si può parlare di saturazione nella capacità di innovazione meccatronica. Si usa pertanto dire che la “terza rivoluzione industriale si è completata”. Quello che ancora manca ai robot industriali moderni è la capacità di adattarsi e di riconfigurarsi a variazioni dell’ambiente e del ciclo di lavoro. Questa flessibilità è l’innovazione che dovrà essere inserita nei robot e che li renderà protagonisti della “quarta rivoluzione industriale” che vedrà l’avvento delle fabbriche 4.0.

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Robot industriale e dipendenza dall’uomo

L’ingegnerizzazione dell’ambiente richiede che lo spazio in cui lavora il robot sia completamente conosciuto e preparato affinché il robot possa operare senza ostacoli. In questo modo può essere preparata una sequenza di azioni da far compiere al robot in maniera ripetitiva. La sequenza di azioni sarà poi tradotta in un programma scritto nello specifico linguaggio del robot (ce n’è uno differente per ogni marca di robot). Infine, questo programma sarà caricato nel computer che controlla il robot e i suoi azionamenti. Queste azioni verranno compiute dal robot in maniera ripetitiva ed affidabile con un altissimo grado di precisione. Ma non appena qualcosa nell’ambiente attorno al robot viene cambiato, oppure se è necessario modificare, anche minimamente, la sequenza di azioni programmate nel robot, tutto il processo di ingegnerizzazione e la programmazione del robot sono da rifare. Altrimenti, l’esecuzione delle azioni programmate porterà ad errori o collisioni. Infatti, il robot non è in grado di adattarsi e di riconfigurare le proprie azioni

Questo è il motivo che non ha permesso ai robot di continuare la produzione al posto nostro durante il lockdown imposto dall’emergenza Covid-19. Infatti, non è possibile semplicemente distanziare le postazioni di lavoro per far sì che gli operatori umani che assistono i robot siano più distanti tra loro. Non è possibile che alcune volte l’operatore umano sia presente e altre volte intervenga da remoto. Queste modifiche richiederebbe la riprogrammazione e la riconfigurazione di tutto il processo produttivo. Inoltre, tutti gli impianti produttivi anche quelli a maggior automatizzazione dipendono dalla presenza umana. I robot industriali impiegati nella produzione dipendono dalle persone e dalla presenza di operatori umani che devono provvedere al carico e allo scarico dei pezzi o dei materiali. Per non parlare poi delle fasi di controllo qualità che sono ancora quasi tutte svolte dall’uomo (o meglio dalla donna per la sua superiore capacità di concentrazione e analisi dei difetti).

Le poche aziende che negli ultimi anni hanno tentato di automatizzare completamente la produzione, eliminando del tutto gli operatori umani dalle fabbriche (le così dette dark factory) si sono dovute ricredere e tornare indietro (si vedano gli esempi di Tesla, Toyota e Apple). La flessibilità e la creatività umana sono considerate fondamentali nella gestione dei processi produttivi complessi e diventano imprescindibili quando è richiesta adattabilità e riconfigurabilità nel processo produttivo.

La robotica intelligente: corpo e mente

L’elemento che deve essere inserito nei robot industriali per realizzare una nuova generazione di robot da impiegare nelle Fabbriche 4.0 è l’intelligenza. Oggi ai robot è richiesto un salto tecnologico che non ha più a che fare con nessuna delle tre componenti della meccatronica: né con la meccanica, né con l’elettronica, né con l’informatica, ma piuttosto con lo sviluppo dell’intelligenza, intesa come flessibilità e adattabilità.

Negli ultimi decenni parallelamente allo sviluppo della robotica industriale, la comunità scientifica ha portato avanti anche lo sviluppo della robotica autonoma o robotica cognitiva. Intendendo con questo termine lo sviluppo di robot in gradi di percepire l’ambiente circostante, di prendere decisioni in base ai dati sensoriali raccolti e di agire in modo efficace sull’ambiente. Gli scienziati si sono resi conto che non è sufficiente sviluppare un software o un programma estremamente intelligente, ma bisogna invece realizzare questa intelligenza sia a livello cognitivo sia a livello corporeo. Infatti nel passato, diversi sono stati gli esempi di robot molto potenti o dotati di software evoluti in grado di prendere in considerazione milioni di ipotesi al secondo che poi sono stati bloccati nella loro azione da un cavo disposto di traverso al loro spazio di lavoro o da una asperità del terreno che non era stata modellizzata. La flessibilità e l’adattabilità devono pertanto essere sviluppate sia nel programma che controlla il robot (l’Intelligenza Artificiale) sia nel corpo che costituisce il robot (quella che viene chiamata intelligenza corporea). Proprio per mettere in luce questa dualità e la necessità di sviluppare sinergicamente nuove soluzioni per l’Intelligenza Artificiale che guida il robot e per il corpo stesso del robot, si preferisce usare il termine robotica intelligente.

La situazione in Italia

L’Italia sta facendo molto in questa direzione, gli studiosi di robotica e di intelligenza artificiale italiani sono tra i più apprezzati al mondo. Alcuni sono ai vertici delle associazioni scientifiche internazionali, altri fanno parte dei gruppi di lavoro della Commissione Europea per definire le linee di sviluppo della robotica dei prossimi decenni. Ci sono tre associazioni scientifiche italiane che cooperano sinergicamente per sviluppare corpo e mente dei robot. L’Associazione Italiana per l’intelligenza Artificiale (AIxIA) fu la prima ad essere fondata nel 1988 e lavora soprattutto nell’ambito dell’intelligenza Artificiale e delle capacità cognitive dei computer. Il Laboratorio Nazionale di Intelligenza Artificiale e Sistemi Intelligenti (AIIS), fondato nel 2018, che coniuga la ricerca in Intelligenza Artificiale, con l’Industria 4.0 e la Robotica. Infine, l’Istituto di Robotica e Macchine Intelligenti (I-RIM), fondato nel 2019, che si concentra sullo sviluppo di tecnologie per l’interazione fisica con l’ambiente e le persone.

Il lavoro di queste tre associazioni e la sinergia tra le diverse anime della robotica italiana saranno certamente foriere di nuovi sviluppi scientifici ed industriali, mettendo l’Italia in primo piano nel panorama internazionale della Robotica Intelligente e nello sviluppo delle fabbriche 4.0.

I progetti “Factory-in-a-day” e “Spirit”

La Robotica Intelligente nell’ambito di Industria 4.0 vede proprio la convergenza dei risultati ottenuti nella robotica autonoma, con la maturità raggiunta dalla robotica industriale dando ad essa nuova linfa e aprendo nuove applicazioni come quella dei robot collaborativi e dei manipolatori mobili. L’Unione Europea ha creduto fermamente nello sviluppo della robotica cognitiva e delle applicazioni industriali della robotica intelligente. Molti progetti di ricerca sono stati finanziati nel Settimo Programma Quadro (FP7) concluso nel 2014 e nell’ultimo programma quadro che si sta chiudendo proprio nel 2020 (H2020-Horizon 2020). A titolo di esempio riporto qui due progetti di ricerca: “Factory-in-a-day” finanziato in FP7 e “Spirit” finanziato in H2020.

L’obiettivo di Factory-in-a-day è stato quello di ridurre drasticamente i costi di adozione dei robot nel processo produttivo riducendo i tempi di integrazione del sistema a un solo giorno. Questo permetterebbe anche alle piccole e medie aziende che lavorano su lotti di produzione molto corti, e che hanno bisogno di lavorazioni diverse per prodotti diversi, di trovare economicamente conveniente l’adozione di una produzione robotizzata. Infatti, non solo il costo dell’intero impianto sarebbe inferiore fino al 50% del costo attuale. Ma la possibilità di riconfigurare in un giorno l’intero impianto permetterebbe di passare quasi automaticamente da un prodotto ad un altro. Inoltre, ciò apre la possibilità per un cambio di paradigma nella gestione economica dei robot, passando dall’acquisto dei robot e degli altri macchinari ad un affitto a breve termine alle aziende manifatturiere. Purtroppo l’obbiettivo di una piena riconfigurazione dei robot in-un-giorno non è stato raggiunto. L’obbiettivo era troppo ambizioso per la tecnologia disponibile nella robotica attuale. Ma il progetto è stato un successo per aver portato alla luce quelli che devono essere le linee di sviluppo dei prossimi anni per l’hardware e per il software dei robot intelligenti. Factory-in-a-day ha realizzato alcuni dimostratori in cui i robot si autocalibravano e si riconfiguravano nel passare dalla lavorazione di pick-and-place di un prodotto alla lavorazione di un altro prodotto semplicemente sfruttando il modello CAD dei prodotti.

Il progetto SPIRIT ha come obiettivo lo sviluppo di una nuova generazione di robot intelligenti per il controllo qualità automatizzato su una linea di produzione. I robot manipolatori infatti già oggi vengono usati per muovere un sensore attorno ad un prodotto per eseguire controlli di conformità in vari punti del prodotto. Il limite degli attuali sistemi è la mancanza di flessibilità: ogni volta che cambia il prodotto da analizzare o la tipologia di controlli da effettuare la cella di controllo qualità deve essere riprogettata da zero e riprogrammata.

L’idea centrale di Spirit è quella di sviluppare gli strumenti software che grazie all’Intelligenza Artificiale permettano di passare dalla programmazione dei movimenti del robot alla definizione delle zone da ispezionare. Il primo risultato del progetto è un framework software composto da un “framework offline” per la pianificazione automatica dei movimenti del robot e un “framework inline” che si occupa della mappatura tridimensionale dei dati acquisiti dai sensori. Nella fase offline, gli algoritmi di pianificazione del moto e calcolano autonomamente tutti i movimenti necessari al robot per coprire tutti i punti da ispezionare sul prodotto basandosi sul modello CAD dei prodotti. Centrale è la modellizzazione del processo di acquisizione dei dati del sensore. Questa modellizzazione permette non solo di calcolare quanti e quali punti di vista siano necessari per coprire completamente la zona da ispezionare, ma anche di gestire in maniera unificata sensori differenti (quali termocamere, profilometri tridimensionali, sensori ad ultrasuoni, ecc.) modellizzando anche il processo fisico di misura.

La possibilità di costruire le nuove applicazioni di controllo qualità su questo framework così avanzato ridurrà lo sforzo di integrazione nella realizzazione di compiti di ispezione complessi e quindi permetterà di aumentare l’utilizzo di robot Intelligenti nel controllo qualità. I due casi d’uso sviluppati nel progetto riguardano compiti di controllo qualità nell’industria automobilistica e in quella aerospaziale. L’Università degli Studi di Padova contribuisce al progetto Spirit con lo sviluppo di tecniche di Intelligenza Artificiale e Computer Vision per la modellizzazione dei differenti sensori e per la ricostruzione tridimensionale dei difetti riscontrati.

Il progetto “Curami”

L’Università di Padova sta sviluppando anche un’altra competenza fondamentale per i robot intelligenti: la capacità di interagire e collaborare con gli operatori umani nella Fabbrica 4.0. Il progetto “Curami” (finanziato dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Verona) ha l’obbiettivo di sviluppare un sistema robotico intelligente che renda semi-autonomi la gestione e l’approvvigionamento delle stazioni di assemblaggio dove operatori umani costruiscono prodotti ad alto valore tecnologico. Il robot dispone i componenti in arrivo dai fornitori nei contenitori sulla stazione di lavoro.

Durante l’assemblaggio, il robot fornisce agli operatori i componenti nella sequenza corretta. Se necessario, il robot può supportare l’operatore durante alcune fasi di assemblaggio, minimizzando lo sforzo dell’operatore. Il sistema di visone tridimensionale che permette di vedere i componenti da assemblare e i movimenti dell’operatore umano è in grado di effettuare una analisi posturale dell’operatore al fine di garantire l’ergonomia della lavorazioni e avvisare il lavoratore nel caso in cui la lavorazione possa dare problemi posturali o di affaticamento muscolare. “Curami” permetterà di migliorare l’efficienza del processo produttivo, garantendo la corretta ergonomia delle postazioni di lavoro e aspira a valorizzare i lavoratori svincolandoli da lavori a basso contenuto intellettivo.

Conclusioni

La robotica intelligente può veramente cambiare il nostro modo di produrre e di concepire il lavoro degli operatori umani nei processi di assemblaggio e controllo qualità. L’obiettivo è ridurre i compiti ripetitivi ed usuranti per i lavoratori, spostando la loro attenzione e le loro capacità su compiti più strutturati e a maggior soddisfazione personale. Riuscire a costruire una nuova generazione di robot intelligenti che sia in grado di adattarsi e riconfigurarsi alle diverse esigenze produttive e alla presenza degli operatori umani permetterà di realizzare lo scenario di industria 4.0 e forse un domani di garantire la produzione dei nostri beni di prima necessità anche durante la prossima pandemia, qualora si presentasse.

@RIPRODUZIONE RISERVATA

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