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La Robotica Collaborativa: un nuovo paradigma per l’automazione avanzata di fabbrica

Articolo proprietario - Autore: RICCARDO MASIERO, Technology & Innovation Advisor CRIT. Con patrocinio CRIT e ICIM GROUP

Figura 1 Illustrazione del concept del progetto Rossini (rossini-project.com)

Introduzione

L’affermarsi delle tecnologie robotiche porta con sé entusiasmo, per via dei vantaggi ad esse legate in ambito manifatturiero, ma anche timori, principalmente legati alla possibilità di sostituire il lavoro umano con quello di automi.

In questo contesto nasce un diverso tipo di robotica, orientato non a sostituire ma a lavorare in sinergia con l’operatore umano. Questa branca della robotica è nota come Robotica collaborativa (Human-Robot Collaboration, HRC).

Di seguito discuteremo alcuni aspetti chiave della robotica collaborativa, inclusi vantaggi, dettagli della collaborazione con l’uomo e tecnologie coinvolte per fornire una finestra verso l’industria del futuro.

Il presente lavoro nasce dal lavoro fatto all’interno del progetto finanziato a livello europeo Rossini, che vede coinvolti 13 partner per lo sviluppo di tecnologie innovative per la robotica collaborativa del futuro.

Cosa vuol dire lavorare in squadra con un robot?

Nelle fabbriche, una produzione riconfigurabile e flessibile richiede tipicamente l’impiego dell’uomo. Tuttavia, il lavoro in ambienti industriali è spesso fisicamente faticoso e ripetitivo, mentre l’automazione robotica permette di definire soluzioni in grado di sostenere ottimamente pesanti carichi di lavoro e realizzare efficientemente un elevato numero di cicli di lavorazioni ripetitive.

È proprio in questo contesto (ambienti industriali con linee di produzioni che richiedono flessibilità e riconfigurabilità ma sono caratterizzate da lavori ripetitivi e fisicamente faticosi) che sistemi robotici, guidati fianco a fianco da operatori umani, sembrano poter dare i benefici maggiori: una soluzione in cui l’uomo e il robot “fanno squadra”, necessitando l’uno dell’altro a tal punto da dover interagire in un ambiente di lavoro condiviso, privo di barriere di protezione (presenti, invece, nelle soluzioni di robotica tradizionale).

Si parla dunque di soluzioni di robotica collaborativa o di cobot anche se di fatto, nelle fabbriche moderne, operatori umani e robot possono condividere lo spazio di lavoro in molti modi diversi, determinando quindi altrettante forme di lavoro condiviso. Termini come collaborazione, cooperazione e coesistenza sono così spesso utilizzati per indicare situazioni in cui operatori umani e robot lavorano assieme, che talvolta possono creare qualche fraintendimento o incomprensione.

Una tassonomia tipica delle forme possibili di lavoro condiviso tra uomo e robot si basa su tre aspetti chiave:

  • condivisione dello spazio di lavoro, quando l’operatore deve eseguire un’attività in almeno una parte dell’area di lavoro del robot,
  • simultaneità delle attività, quando l’operatore deve eseguire un’attività in almeno una parte dell’area di lavoro del robot mentre questo è in movimento per eseguire una sua attività
  • contatto fisico, quando l’operatore deve eseguire un’attività venendo in contatto fisico con il robot in movimento.

A seconda della presenza di una o più di queste caratteristiche è dunque possibile definire quattro forme di condivisione del lavoro tra uomo e robot:

  • Coesistenza, caratterizzata da attività indipendenti eseguite in spazi fisici diversi (non separati da barriere di sicurezza)
  • Cooperazione in serie, quando l’operatore e il robot lavorano lo stesso pezzo alternativamente (il robot è fermo quando tocca all’operatore e questi esce dallo spazio di lavoro quando tocca al robot)
  • Cooperazione in parallelo, quando l’operatore e il robot lavorano lo stesso pezzo simultaneamente, ma senza entrare in contatto;
  • Collaborazione quando l’operatore e il robot lavorano congiuntamente in una data attività, simultaneamente e necessitando di venire a contatto fisicamente l’uno con l’altro.

Indipendentemente dalla tipologia specifica di lavoro condiviso, comunque, è possibile identificare tre fattori che permettono all’uomo e al robot di lavorare in squadra: la sicurezza dell’operatore umano (sensori e sistema di controllo), la mutua comprensione sulle intenzioni dell’altro (interfacce uomo-macchina) e la fiducia da parte dell’operatore umano (accettazione).

Per salvaguardare la sicurezza dell’operatore umano, la specifica tecnica ISO/TS 15066 descrive uno o più metodi a seconda del tipo di collaborazione considerata, include le formule per calcolare la distanza di protezione tra l’operatore umano e il robot e le linee guida per i valori soglia dei parametri da non eccedere quando il robot entra in contatto con l’operatore.

Per abilitare la mutua comprensione tra uomo e robot, invece, servono interfacce uomo-macchina ben selezionate e progettate, possibilmente orchestrate efficientemente tra loro per fornire un sistema di input-output coerente, completo, semplice e intuitivo.

Infine, per abilitare una accettazione della forza lavoro che permetta agli operatori umani di vedere i robot come dei veri e propri colleghi o “compagni di squadra”, è importate a livello di cultura aziendale l’avvio di un cambiamento nel processo e nell’ambiente di lavoro rispetto a come gli operatori considerino il proprio lavoro.

Quando un robot diventa un cobot?

Analizzando lo stato dell’arte della robotica industriale e collaborativa, è possibile mettere in evidenza alcune caratteristiche rilevanti che differenziano il cobot dal tradizionale robot industriale:

  • prestazioni (e.g., pesi gestibili e velocità raggiungibili) tipicamente maggiori per robot tradizionali,
  • facilità di programmazione e riconfigurabilità,
  • sensoristica avanzata (sia per fini operativi che specialmente di sicurezza), accompagnata naturalmente a tecniche evolute di analisi ed elaborazioni dati (entrando nel dominio dell’Intelligenza Artificiale).

 

Figura 2 Tipologie di lavoro collaborativo e sistemi di protezione corrispondenti

Oltre alla possibilità di gestire un contatto fisico con l’operatore umano e alle sue peculiarità di interazione con questo, un robot si può vedere come un vero e proprio collega o “compagno di squadra” quando implementa un livello di autonomia (LOA) adeguato a tale ruolo.

I LOA tipici per un robot sono dieci: da quello in cui un operatore che si fa carico di tutto il lavoro, a quelli intermedi in cui il robot comincia ad essere di supporto all’operatore illustrando le possibili azioni tra cui scegliere (o identificando le migliori, o selezionando quella ritenuto ottimale), fino ai livelli in cui è il robot stesso ad eseguire una certa operazione (o previa approvazione dell’operatore, o solamente informandolo, di default o su richiesta o su decisione del robot stesso), per arrivare all’ultimo livello che prevede un robot completamente indipendente dall’operatore.

Tuttavia, i cobot hanno la necessità di andare oltre questa classificazione poiché la natura stessa dell’attività collaborativa implica che in alcuni momenti i robot siano completamente autonomi, mentre in altre agiscano come assistenti a supporto dell’operatore umano. Per questo motivo in ambito di robotica collaborativa si parla di allocazione dinamica di autonomia, la cui implementazione è ancor più sfidante, contenendolo, del raggiungimento al massimo livello di autonomia dei robot.

Tecnologie per la Robotica Collaborativa

Lo sviluppo di una soluzione di robotica collaborativa richiede molteplici tecnologie, per diversi applicativi e livelli architetturali: dal monitoraggio dell’ambiente di lavoro, alla ricostruzione virtuale di questo, fino al controllo del robot e all’interazione uomo-robot, garantendo sempre un alto livello di sicurezza degli operatori.

Tra le tecnologie per il monitoraggio ambientale si hanno:

  • sensori superficiali (tappetini di sicurezza) e capacitivi, per identificare l’ingresso di uno o più operatori in aree pericolose o in prossimità di un elemento da monitorare;
  • stereo e Time of Flight camera, per catturare immagini 3D (le prime via lenti che simulano la visione binoculare dell’occhio umano, le seconde emettendo un impulso di luce e misurando l’onda riflessa);
  • laser scanner, radar e sensori ad ultrasuoni, per un monitoraggio 2D dell’area di lavoro;
  • sensori di pressione, per misurare l’applicazione di forze esterne.

I segnali provenienti da dispositivi di questo tipo vengono elaborati in tempo reale tramite macchine quali PLC per essere trasmessi efficientemente e senza perdite di informazioni rilevanti per controllare il robot, sia a livello operativo (e.g., per decidere la traiettoria ottimale da far eseguire ad un braccio robotico) che a livello di sicurezza (e.g., per ridurre la velocità di un robot).

L’architettura di controllo costituisce di fatto lo strato “cognitivo” dell’implementazione di una soluzione robotica e in molte sue sfaccettature si presta ad essere implementata con algoritmi di Intelligenza Artificiale. Questa dipende dalla tipologia di robot considerata (braccia robotiche, robot mobili o combinazione delle due) e deve abilitare, trasmettendo gli opportuni segnali a livello di interfaccia uomo-robot, una comunicazione efficiente, affidabile e naturale: interfacce insufficienti possono infatti portare ad una minor produttività e qualità, o addirittura generare situazioni che mettono a rischio l’incolumità degli operatori.

Considerando i cinque sensi umani, le interazioni uomo-macchina principalmente utilizzate nell’industria, si basano su visione, udito e tatto: mouse e tastiere, sono ancora la forma più comune di interfacciamento uomo-robot, ma si possono avere anche display, proiettori e occhiali, abilitanti anche soluzioni di realtà aumentata; segnali audio e luminosi, feedback e controlli tattili e anche riconoscimento gestuale e controllo attraverso segnali biologici (ad esempio, segnali celebrali).

Conclusioni

Oggigiorno, la transizione “Industria 4.0”, che permette di collegare assieme gli aspetti fisici e virtuali delle realtà industriali, gioca un ruolo chiave nell’abilitazione del nuovo paradigma produttivo, non più caratterizzato da alti volumi e bassa varietà, ma da bassi volumi e alta varietà. In questo contesto, la robotica avanzata può essere vista come una tecnologia abilitante, utilizzabile in un diversificato spettro di settori, capace di adattarsi a picchi di produzione e garantire una flessibilità di riconfigurazione.

Inoltre, nella sfida quotidiana delle aziende Europee tra mantenere e riportare gli stabilimenti nel nostro continente, o costruirli altrove, la robotica può giocare un ruolo chiave per la competitività. In questo scenario, la robotica collaborativa in Europea si pensa possa diffondersi nei prossimi anni presso realtà industriali caratterizzate da una produzione di volume ridotti e in aree industriali abbandonate nei decenni precedenti. Realtà produttive che richiedono costi contenuti in termini di installazione e gestione, ma un elevato grado di flessibilità, infatti, fanno tipicamente difficoltà ad avvalersi di una soluzione robotica tradizionale, caratterizzata da costi ed ingombri più elevati di una soluzione di robotica collaborativa.

Tuttavia, nei robot collaborativi attualmente presenti sul mercato si hanno vari esempi in cui si preferisce sacrificare accuratezza e flessibilità in favore di una sicurezza intrinseca della soluzione che però impatta sull’affidabilità della stessa a livello produttivo.

In quest’ottica molte aziende stanno investendo nello sviluppo della robotica collaborativa e diversi progetti di ricerca sono fioriti negli ultimi anni per cercare di risolvere alcune delle tematiche ancora aperte in quest’area, come il progetto Rossini, che ha l’obiettivo di realizzare una piattaforma di robotica collaborativa in grado di sfruttare i vantaggi espressi precedentemente sia della robotica tradizionale che della robotica collaborativa: alte prestazioni e sicurezza per l’operatore.