Robotica innovativa – L’esigenza di aumentare l’efficienza nella produzione unita allo sviluppo di software di simulazione dei processi e metodologie di programmazione innovative, hanno fatto sì che la robotica raggiungesse un’importanza tale per cui oggi risulta quasi impossibile immaginare di svolgere alcune lavorazioni e movimentazioni di componenti senza il suo aiuto.
di Patrizia Ricci
Il continuo sviluppo tecnologico sta trasformando le macchine in alleati importanti per il miglioramento della qualità e la salvaguardia degli operatori in ottica “smart production”. E in un’industria sempre più 4.0, l’automazione e i suoi strumenti – robot e cobot, algoritmi e intelligenza artificiale – cambiano il modo di produrre e lavorare, aprono nuove opportunità, diventano sempre più ‘capaci’ e potenti. Mentre l’Artificial intelligence aiuta a trasformare le idee in prodotti. Nella robotica innovativa robot e cobot vengono sempre più utilizzati in settori come la logistica, automotive, industria ‘pesante’, dei metalli, della meccanica, ma anche nella chimica e nel comparto aeroportuale. Secondo quanto dichiarato da Domenico Appendino, presidente di Siri, “l’automazione riduce i costi di produzione, quindi riduce i costi finali dei prodotti, e questo porta a un aumento della domanda dei prodotti, che richiede più produzione, quindi più lavoro, per cui l’automazione ha effetti positivi e diretti sull’occupazione. Come sappiamo bene, la robotica elimina i lavori meno qualificati, più faticosi e usuranti, ma aumenta nel complesso i livelli di occupazione aumentando il livello e il profilo di questa nuova occupazione”. I robot collaborativi rappresentano l’ultimo stadio evolutivo della robotica industriale. Sia perché incorporano sofisticati sistemi di sicurezza e di controllo di forza, sia perché sono automazioni in grado di assecondare il bisogno di flessibilità del mercato odierno adattandosi ai mutamenti in atto.
La robotica collaborativa
La robotica innovativa e collaborativa avanzata sta diventando quindi una prerogativa indispensabile per l’automazione delle fabbriche del futuro. Agili, versatili e di facile programmazione, i robot industriali sono ormai strumenti di lavoro imprescindibili. Secondo le previsioni, a prescindere dalla situazione sanitaria, nel prossimo futuro la domanda di soluzioni di automazione aperte, facili da usare e flessibili continuerà ad aumentare. Le aziende manifatturiere, infatti, saranno costrette a digitalizzare ulteriormente i loro processi per mantenere alta l’efficienza della produzione e le capacità di consegna. In base alle esigenze espresse dai clienti, ci si aspetta che aumenti sensibilmente la richiesta di semplicità, apertura e flessibilità di sistemi di automazione che funzionino come un ecosistema. Sarà sempre maggiore la richiesta di piattaforme di automazione – sistemi composti da soluzioni hardware e software – caratterizzati da un sistema operativo e standard completamente aperti, tecnologia basata su app per la programmazione, engineering basato sul web e connettività IoT completa. La robotica collaborativa permette alle PMI di gestire flussi produttivi in costante cambiamento e ampliare il portfolio dei prodotti senza stravolgere layout e processi. I robot collaborativi hanno inoltre ampliato le possibilità di automazione anche alle aziende piccole e medie e in settori che non si erano mai rivolti prima al mercato della robotica grazie ad una semplicità di programmazione, che li rende accessibili anche ai meno esperti, un costo contenuto, che consente anche ad una piccola azienda locale di sostenere l’investimento, un rapido ritorno dell’investimento, motivo che – sommato al precedente – li rende particolarmente appetibili dalle PMI, una flessibilità operativa, che li rende gli strumenti adatti per aziende che producono su lotti corti ad alto mix, ed infine, alle dimensioni contenute, che li rendono integrabili anche in layout privi di spazio. Oltre ai fattori sopra elencati, un altro elemento che rende i cobot un tassello essenziale della moderna concezione della robotica è la loro capacità di operare in stretta connessione con l’essere umano, una prerogativa definita ‘collaboratività’. In pratica sono strumenti in grado di guidare la transizione all’automazione in maniera socialmente sostenibile in quanto non sostituiscono l’uomo, ma si limitano a sollevarlo da alcune lavorazioni, tipicamente le più ripetitive, sporche e pericolose, e il cui uso facilita l’introduzione di nuove e più qualificate competenze in azienda, supportando la crescita professionale degli operatori. Con l’avvento e l’introduzione della tecnologia robot assistiamo all’ottimizzazione sempre crescente del processo produttivo.
L’automazione robotica industriale
Lo sviluppo dell’Industria 4.0 ha notevolmente diffuso l’impiego di sistemi di automazione robotica industriale, anche in aziende di dimensioni ridotte. Possiamo senza alcun dubbio affermare che l’esigenza di aumentare l’efficienza nella produzione e di sviluppare nuovi percorsi di business ha fatto sì che, nel settore industriale, i robot meccanici abbiano raggiunto un’importanza tale per cui risulta quasi impossibile immaginare di svolgere alcuni lavori senza il loro aiuto. Ma che cos’è l’automazione robotica industriale, in cosa consiste? Porsi questa domanda è indispensabile per comprendere cos’è e come funziona l’automazione robotica industriale. Questo comporta inoltre l’analisi dei termini che la compongono, premessa fondamentale per ragionare anche sugli strumenti che sono alla base dell’innovazione robotica. Un robot è una macchina multifunzione riprogrammabile, autonoma o semi autonoma, capace di svolgere una serie di compiti al fianco o in sostituzione dell’uomo, che può eseguire mansioni esclusivamente meccaniche e ripetitive, gestire oggetti attraverso movimenti programmati precedentemente; oppure può adeguare il proprio comportamento all’ambiente circostante grazie all’intelligenza artificiale che acquisisce dati, li elabora e modifica gli input alla macchina, ottimizzando il lavoro. La robotizzazione dei processi è una strategia di automazione che può essere definita come l’applicazione di tecnologie che consentono la gestione e il controllo del processo, standardizzando le lavorazioni e ottenendo incrementi di produzione, costi inferiori, maggiore precisione e affidabilità. Di conseguenza, è possibile affermare che l’automazione robotica industriale prevede la realizzazione del lavoro industriale attraverso l’utilizzo di sistemi automatici, i robot, e un sistema di automazione che sostituisce l’uomo nella catena di montaggio, realizzando sempre lo stesso lavoro ad un ritmo costante e frenetico.
Il sistema robotico
Il sistema robotico nasce dall’interconnessione di quattro sotto-sistemi: il sistema meccanico, il sistema di attuazione, il sistema di misura ed infine il sistema di controllo.
Il sistema meccanico
Quello che viene solitamente chiamato ‘braccio’ di un manipolatore robotico e che costituisce la struttura meccanica o catena cinematica del sistema è costituito da una serie di corpi rigidi (link) interconnessi da articolazioni meccaniche, i giunti (joint). Un’estremità della catena è costituita dalla base, fissata a terra, mentre al termine dell’ultimo link (flangia) troviamo l’organo terminale (end effector), su cui può essere montata una pinza (gripper) oppure uno strumento di lavoro (tool). La catena cinematica aperta, cioè caratterizzata una sola sequenza di link che connette i due estremi della catena, la base e l’end effector, è la struttura meccanica tipica di un manipolatore robotico industriale. In una catena cinematica aperta ogni giunto prismatico o rotoidale fornisce alla struttura un singolo grado di libertà. I gradi di libertà distribuiti lungo la struttura meccanica sono di fondamentale importanza nella robotica perché ad essi è legato il compito che può essere eseguito da un manipolatore. Per posizionare ed orientare un oggetto in modo arbitrario nello spazio tridimensionale, il robot necessita di 6 gradi di libertà (6 DOF): 3 per posizionare l’oggetto e 3 per orientarlo rispetto ad un sistema di coordinate di riferimento. Per questo, la maggior parte dei robot industriali presenta 6 giunti e 6 link. Qualora il numero di gradi di libertà di cui è dotato un robot sia maggiore del numero di gradi di libertà effettivamente necessari per eseguire un certo compito, il manipolatore si dice ridondante da un punto di vista cinematico. Il tipo e la sequenza dei gradi di libertà permette di distinguere tra Robot Cartesiano, Robot SCARA e Robot antropomorfo. Oltre alla sicurezza intrinseca della struttura meccanica nei confronti di un operatore, la ridondanza cinematica, ha permesso la nascita della robotica collaborativa ed è una caratteristica dei cobot. Bracci ridondanti (7 DOF) garantiscono una maggiore destrezza nell’esecuzione del compito.
Attuatori
Il sistema di attuazione è alla base del moto dei giunti impostato dal sistema di controllo ed è generalmente composto da una sorgente di alimentazione, un amplificatore di potenza, un servomotore e un organo di trasmissione. L’esecuzione del moto dei giunti richiede basse velocità e alte coppie, i servomotori invece producono elevate velocità e basse coppie in condizioni operative ottimali. Servono quindi gli organi di trasmissione la cui funzione è quindi rendere compatibili velocità e coppie dei motori e dei carichi movimentati e realizzare il trasferimento di coppia meccanica dagli uni agli altri. Gli organi di trasmissione permettono inoltre di migliorare le prestazioni statiche e dinamiche alleggerendo la struttura meccanica attraverso il posizionamento dei motori alla base del robot. Le ruote dentate, che consentono la rotazione/traslazione dell’asse di rotazione, le coppie vite-madrevite, che convertono il moto rotatorio in traslatorio, le cinghie dentate e le catene, che consentono di dislocare il motore rispetto all’asse del giunto, gli alberi di trasmissione e gli harmonic drive, costituiscono le trasmissioni tipicamente adottate nei robot industriali. La movimentazione dei giunti è affidata a motori che permettono la realizzazione del moto desiderato della struttura meccanica, classificabili in tre gruppi in funzione del tipo di potenza in ingresso: pneumatici, che trasformano l’energia pneumatica fornita da un compressore in energia meccanica attraverso pistoni e turbine; idraulici, che trasformano l’energia idraulica immagazzinata in un serbatoio di accumulazione in energia meccanica grazie a pompe specifiche; ed elettrici, che utilizzano l’energia elettrica fornita dal sistema di distribuzione e la trasformano in energia meccanica.
Sensori
L’uomo e il robot sono sempre più vicini. In questo contesto i sensori rivestono un ruolo determinante perchè consentono ai robot di percepire la realtà con maggiore precisione, condizione essenziale per una collaborazione alla pari che soddisfi tutte le esigenze della robotica: Robot Vision, Safe Robotics, End-of-Arm Tooling e Position Feedback. Possiamo distinguere in due tipologie principali:
- sensori propriocettivi che misurano lo stato interno del robot, ovvero la posizione e la velocità di giunto, e la coppia al giunto. Il loro utilizzo è necessario per la calibrazione cinematica, per l’identificazione dei parametri dinamici e per il controllo.
- sensori esterocettivi che invece consentono di caratterizzare l’interazione del robot con l’ambiente esterno, aumentandone l’autonomia. Quelli più comuni sono i sensori di forza, i sensori tattili, i sensori di prossimità ed infine i sensori di visione. Il loro utilizzo riveste un ruolo centrale per il controllo dell’interazione con l’ambiente, per l’evasione da ostacoli (obstacle avoidance), per la localizzazione di robot mobili e per la navigazione in ambienti sconosciuti.
Sensori propriocettivi
I sensori di posizione forniscono un segnale elettrico proporzionale allo spostamento (lineare o angolare) di un organo meccanico rispetto a una posizione di riferimento. Gli encoder e i resolver sono quelli più usati in robotica per la determinazione dello spostamento angolare dei giunti prodotto dai servomotori.
L’encoder è un trasduttore di posizione in grado di convertire la posizione angolare in un codice digitale, il cui funzionamento si basa sul principio fotoelettrico. Si distinguono in incrementali, quando i segnali d’uscita sono proporzionali in modo incrementale allo spostamento effettuato e assoluti, quando ad ogni posizione dell’albero corrisponde un valore ben definito. Gli encoder incrementali segnalano unicamente gli incrementi (variazioni) rilevabili rispetto a un’altra posizione assunta come riferimento. Questi incrementi sono indipendenti dal verso di rotazione il quale, non può essere rilevato da questo tipo di trasduttori. È costituito da un disco di materiale plastico, sul quale sono stati ricavati dei fori o, più comunemente, alcune zone particolarmente trasparenti attraverso le quali è possibile il passaggio di un fascio luminoso. Il disco viene calettato sull’albero dell’apparecchiatura di cui si vuole rilevare lo spostamento angolare. Di conseguenza ad ogni spostamento dell’albero si ha uno spostamento uguale dell’encoder. In corrispondenza dei fori, su una superficie del disco, viene applicato un dispositivo fotoemettitore, mentre sull’altra un dispositivo fotorilevatore. L’attraversamento del fascio luminoso nei fori comporta l’attivazione dell’uscita. La rilevazione dello spostamento angolare avviene mediante il “conteggio” degli impulsi generati dal fotorilevatore alla propria uscita.
L’encoder assoluto permette la codifica della posizione assoluta ed è costituito da un disco con aree trasparenti ed opache, disposte su colone circolari concentriche, esposto ad un fascio di luce infrarossa acquisito da foto-ricevitori. Gli encoder incrementali hanno un uso più comune rispetto a quelli assoluti, poiché sono più semplici da realizzare e quindi meno costosi.
Un resolver è un trasformatore elettrico utilizzato per misurare l’angolo di rotazione. Per lo più i resolver hanno l’aspetto di un motore elettrico con avvolgimenti in rame sullo statore e un rotore di metallo lavorato. L’accoppiamento induttivo tra gli avvolgimenti del trasformatore varia in funzione dell’angolo. Eccitando il trasduttore di posizione angolare con un segnale in corrente alternata, si misura la tensione degli avvolgimenti del trasformatore e si ottiene un segnale elettrico in corrente alternata la cui ampiezza è proporzionale all’angolo.
Sensori esterocettivi
Dato che solitamente un robot interagisce con l’ambiente di lavoro, manipolando oggetti o compiendo operazioni su superfici, quali ad esempio, la finitura, la sbavatura, le lavorazioni di parti meccaniche e l’assemblaggio, è opportuno adottare strategie di controllo che tengano conto delle forze che si generano al contatto. Occorrono quindi dei dispositivi per la misura delle forze (e delle coppie), ricavabile per via indiretta dalla misura della deformazione degli estensimetri, componenti base di un sensore di forza, che sfrutta la variazione di resistenza di un conduttore al variare della lunghezza e della sezione. I sensori esterocettivi forniscono la conoscenza dello stato esterno, come le osservazioni dell’ambiente e dei suoi oggetti. Un sensore di forza comunemente adottato nei manipolatori robotici permette la misura delle tre componenti di forza e le tre componenti di momento rispetto ad un sistema di riferimento solidale al sensore. Oltre ai sensori di forza, il robot è dotato di organi di visione artificiale costituiti da sensori che imitano il senso umano della vista e consentono misure dell’ambiente senza il contatto. Le tecnologie di visione, sorta di occhi intelligenti, sono prive di contatto: l’unica sorgente di informazione è rappresentata dalle immagini e quindi gli oggetti non vengono interessati da nessun tipo di contatto di tipo meccanico. Tutte le informazioni estratte da un’immagine possono essere recuperate tramite un sistema di visione opportunamente programmato. I sistemi di visione, che costituiscono un mercato da 74,9 miliardi di dollari entro il 2027, permettono di svolgere il riconoscimento di errori, di migliorare i processi produttivi e insegnare alle macchine, tramite machine learning, come riconoscere malfunzionamenti e imperfezioni. Si prevede che l’aumento della digital transformation mediante l’adozione di sistemi IoT e AI e di Industria 4.0 forniranno opportunità redditizie per il mercato della machine vision nei prossimi 7 anni. I sistemi di visione artificiale restano infatti una delle tecnologie chiave nel campo dell’automazione industriale, in quanto possono trovare applicazione virtualmente in tutte le industrie sia manifatturiere che di processo, con vantaggi rilevanti sia nell’esecuzione di verifiche di conformità che nell’implementazione di sistemi di guida per robot.
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