Il cuore dei robot nelle smart factory

Una nuova rivoluzione industriale è alle porte, si chiama Industria 4.0 e, come le tre precedenti, sta per modificare radicalmente i processi di produzione. L’Industria 4.0 e i cambiamenti nella produzione hanno dato vita a un nuovo tipo di stabilimento chiamato fabbrica intelligente o “smart factory”. Il cuore di una smart factory è l’uso di robot autonomi e collaborativi che lavorano in simbiosi tra loro e al fianco degli esseri umani, con grandi vantaggi per l’efficienza e la produttività dello stabilimento. Ciò che ha permesso la nascita di questa nuova generazione di robot è una serie di sensori innovativi, che offrono un movimento preciso degli arti, la visione 3D e altre tecnologie di rilevamento volte a migliorare la capacità e la qualità produttiva di una fabbrica. La terza rivoluzione industriale, nota come Industria 3.0 e compiutasi tra gli anni ‘60 e la fine del XX secolo, ha portato i computer e Internet in fabbrica, oltre a introdurre i primi robot industriali nei sistemi di convogliamento. Il settore automotive è stato pioniere nell’uso di questa nuova tecnologia, la cui applicazione pratica più frequente è stata il braccio robotico. Questi strumenti erano in grado di sollevare carichi pesanti e di spostare rapidamente degli oggetti da un punto A a un punto B su una catena di montaggio. Potevano anche svolgere attività specifiche e ripetitive come le saldature. La rivoluzione in questione ha visto nascere anche i primi veicoli automatizzati in strutture come stabilimenti e magazzini. Questi robot industriali difettavano però di precisione e intelligenza, oltre che della capacità di adattarsi ai cambiamenti nella disposizione della fabbrica. L’Industria 4.0 sta raccogliendo il testimone della terza rivoluzione industriale ed è in corsa per aumentare la produttività e la qualità degli stabilimenti e ridurre i costi. Lo sta facendo con l’integrazione di diverse nuove tecnologie in un sistema informatico centralizzato, dove tutti i componenti delle fabbriche intelligenti sono collegati tra loro tramite una rete Ethernet industriale. Grazie a questa nuova infrastruttura di produzione, uno stabilimento può registrare, monitorare e avviare le azioni necessarie per massimizzare la produttività in fabbrica. Tuttavia, a differenza dell’Industria 3.0, dove i robot industriali erano dei sottoprodotti di altre tecnologie dalle capacità limitate, qui sono il cuore pulsante della rivoluzione dell’Industria 4.0. In questa quarta rivoluzione, i robot autonomi e collaborativi eseguono compiti complessi con una precisione più elevata e sono capaci di adattarsi ai cambiamenti delle operazioni produttive. Inoltre, grazie al rilevamento di presenza più efficace dell’ambiente circostante, possono lavorare in sicurezza al fianco degli umani. I progressi nei circuiti integrati di controllo e comunicazione sono stati fondamentali per lo sviluppo degli attuali robot industriali. Tuttavia, l’avvento di questi robot autonomi, collaborativi e sofisticati è stato possibile grazie a numerose tecnologie di rilevamento innovative, di dimensioni ridotte e a basso costo. Ed è proprio la tecnologia dei sensori che, in ultima analisi, è alla base della realizzazione dei robot per le smart factory e dell’avvento della prossima rivoluzione industriale.

Sensori di posizione

Uno dei requisiti fondamentali di un braccio robotico industriale era la capacità di muoversi rapidamente e con precisione in due o tre dimensioni. Per fare questo, il braccio robotico doveva essere strutturato in più segmenti e articolazioni, oltre a essere dotato di un attuattore finale per afferrare e raccogliere gli oggetti. I robot autonomi e collaborativi di oggi non sono strutturati molto diversamente, tuttavia spesso hanno più di un braccio e si stanno diffondendo i modelli dotati di mobilità autonoma, con le gambe o un busto posizionati su un piedistallo con le ruote. Inoltre molti tipi di robot sono dotati di testa in grado di muoversi e ruotare su un collo. Sia nel braccio robotico industriale tradizionale sia nel moderno robot industriale di oggi, ogni articolazione all’interno del robot necessita di un motore e di un ruotismo per consentire il movimento degli arti, che si tratti di un braccio, di una gamba o di una testa. E ogni motore o ruotismo dev’essere dotato di uno o due sensori di posizione o encoder per fornire la retroazione necessaria alla commutazione del motore e la posizione dei ruotismi dell’articolazione. I robot industriali più arcaici in genere utilizzavano i resolver per fornire informazioni sulla posizione rotatoria delle articolazioni e dei ruotismi robotici. Tuttavia, nei robot impiegati nelle smart factory, oggi si usano in massima parte i sensori di posizione magnetici rotativi. I sensori di posizione magnetici rotativi, come l’AS5047P di ams, forniscono informazioni di posizione ad elevatissima precisione per la retroazione necessaria alla commutazione del motore e la posizione dei ruotismi. Queste soluzioni sono ideali anche per lavorare in ambienti ostici, inclusi quelli con elevato rumore magnetico, piuttosto comuni negli stabilimenti produttivi. Senza dimenticare che i sensori di posizione magnetici consumano pochissima energia, sono leggeri e di dimensioni estremamente contenute, oltre a costare notevolmente meno rispetto ai resolver.

Sensori di presenza

Il rilevamento di presenza svolge un ruolo fondamentale, consentendo ai robot delle smart factory di eseguire le attività con rapidità e in sicurezza. Il rilevamento visivo è la componente più importante del rilevamento spaziale. È fondamentale per far sì che un robot possa eseguire le attività in modo sicuro e affidabile, identificando gli oggetti, navigando ed evitando gli ostacoli. Il rilevamento visivo nei robot delle smart factory include diversi tipi di tecnologie, tra cui i sensori di immagine Cmos per le telecamere digitali 2D e 3D e il Lidar (telerilevamento laser). Il mercato dei robot industriali si è affidato per anni alle telecamere 2D, considerando il loro costo relativamente contenuto. Tuttavia, negli ultimi anni sono stati compiuti molti progressi nella tecnologia delle telecamere 2D, sia in termini di miniaturizzazione sia di miglioramento qualitativo delle immagini che hanno consentito ai robot delle smart factory di ottenere una visione decisamente migliore e di eseguire attività sempre più complesse. Per esempio, i sensori di immagine Cmos di ams offrono una risoluzione molto elevata, accompagnata da una dinamica ampia in condizioni di luminosità non ottimali, e supportano frame rate fino a 8K per la qualità di registrazione dei filmati. Anche le telecamere ottiche 3D stereoscopiche e la tecnologia di rilevamento Lidar sono integrate sempre più di frequente nei robot delle smart factory, consentendo loro di creare mappe tridimensionali dinamiche degli ambienti circostanti. Questo tipo di imaging 3D permette ai robot di lavorare e di muoversi con maggiore precisione e sicurezza, evitando gli ostacoli sul loro percorso ed eseguendo le loro attività primarie, come raccogliere e spostare oggetti, con maggior efficacia. I sensori per la visione 3D stereoscopica sono realizzati posizionando due videocamere 2D convenzionali ad angolazioni diverse sul robot, oppure integrando degli scanner laser (per esempio il Lidar). Il Lidar offre funzionalità di mappatura 3D ad alta risoluzione, ma allo stato attuale è una soluzione molto costosa. Tuttavia, i costi del Lidar stanno diminuendo e numerose aziende lavorano con attenzione per offrire soluzioni Lidar ancora più economiche. Le soluzioni di rilevamento stereo 3D basate sulle videocamere 2D, d’altra parte, sono ritenute ancora molto valide per le soluzioni di mappatura 3D a fronte del loro costo contenuto. Il tempo dirà chi avrà la meglio, ma con molta probabilità entrambe le soluzioni saranno presenti nei robot per le smart factory del futuro. Anche i sensori ad ultrasuoni sono ampiamente impiegati nei robot delle smart factory per il rilevamento delle presenze. Come le loro controparti utilizzate nei veicoli per la retromarcia, i sensori a ultrasuoni sono usati nei robot per il rilevamento degli ostacoli nelle vicinanze, evitando urti con muri, oggetti, altri robot ed esseri umani nelle smart factory. Inoltre possono essere usati anche per far svolgere ai robot le loro attività primarie. Pertanto, i sensori a ultrasuoni svolgono un ruolo importante nella navigazione a corto raggio e nell’aggiramento degli ostacoli, garantendo in definitiva un miglioramento generale delle prestazioni e della sicurezza dei robot. I sensori a ultrasuoni sono caratterizzati da una portata limitata compresa tra un centimetro e un paio di metri, e hanno un cono direzionale massimo di circa 30 gradi. Sono relativamente economici e garantiscono una buona precisione a distanza ravvicinata che, però, si riduce in proporzione alla distanza e all’angolo di misurazione. Inoltre sono sensibili alle variazioni di temperatura e di pressione, nonché alle interferenze provenienti da altri robot nelle vicinanze che usano sensori a ultrasuoni sintonizzati sulle stesse frequenze. Tuttavia, quando sono usati in combinazione con altri sensori di presenza, forniscono informazioni utili e affidabili sulla posizione. I sensori di posizione magnetici sono usati anche per la percezione spaziale all’interno dei sistemi di rilevamento visivi robotici. Sono utilizzati per consentire un controllo preciso delle videocamere con l’ingrandimento e la stabilizzazione dell’immagine.

Sensori di coppia

Il sensore di coppia è un’altra tecnologia di rilevamento utilizzata massicciamente nei robot delle smart factory. In origine i sensori di coppia erano integrati principalmente negli attuatori finali dei robot industriali, ossia le loro “mani”, per aiutare a raccogliere e spostare gli oggetti. Garantivano l’applicazione corretta di pressione o forza alle pinze dell’attuattore finale per far sì che i robot non rompessero o lasciassero cadere accidentalmente gli oggetti durante la presa e la movimentazione. I sensori di coppia continuano a essere usati nei robot delle smart factory per la stessa funzione. Tuttavia, oggi sono impiegati anche in altre parti del robot, come braccia, gambe e busto. Questi particolari sensori di coppia sono impiegati per monitorare la velocità di movimento degli arti, rilevare gli ostacoli e trasmettere avvisi di sicurezza al processore centrale del robot. Quando un sensore di coppia, posto per esempio in un braccio robotico, rileva una forza improvvisa e imprevista dovuta all’urto del braccio contro un oggetto, il software di controllo di sicurezza può interrompere il movimento del braccio e recuperarlo. I sensori di coppia lavorano anche in combinazione con i sensori di presenza, come i sistemi visivi, a ultrasuoni e Lidar, nonché con altri sensori di monitoraggio di sicurezza, per esempio i sensori ambientali, per monitorare l’area di lavoro e garantirne la totale sicurezza.

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