I robot stanno arrivando

...a patto di chiarire alcuni dettagli!

I robot industriali possono essere estremamente efficaci per automatizzare processi ad alto valore, ripetitivi e spesso pericolosi, come la manipolazione di oggetti pesanti o la saldatura dei giunti di carrozzeria sulle linee di produzione dei veicoli. Questi sistemi possono offrire significativi vantaggi anche alle piccole e medie imprese che necessitano di un supporto flessibile in molteplici attività orientate ai processi. L'unico problema legato ai robot industriali è... usarli.

Nonostante le sfide legate a questo aspetto, su cui torneremo a breve, negli ultimi due anni l'adozione dei robot ha beneficiato di una forte accelerazione. Questo vale soprattutto negli Stati Uniti, dove la domanda di robot è in crescita grazie agli investimenti delle aziende nel settore dell'automazione.

Secondo l’associazione americana A3 (Association for Advancing Automation), nel primo trimestre del 2021 gli ordini totali di robot negli Stati Uniti sono cresciuti del 20% rispetto allo stesso trimestre del 2020. Le aziende che lavorano nel trattamento dei metalli hanno investito per i robot l'86% in più, quelle impegnate nelle scienze biologiche e farmaceutiche il 72% in più e quelle del settore alimentare e dei beni di consumo il 32% in più. Il resto delle industrie non-automotive ha investito complessivamente il 12% in più. I dati di A3 suggeriscono anche che il 2020 sia stato il primo anno in cui le aziende non-automotive hanno speso per la robotica di più rispetto alle case automobilistiche.

Parlando in occasione della pubblicazione dei risultati, avvenuta nel maggio 2021, Jeff Burnstein, Presidente di A3, aveva dichiarato:

“I progressi nella tecnologia, la facilità d'uso e le nuove applicazioni restano fattori chiave nell'adozione dei robot. Tuttavia, un fattore significativo nell'attuale espansione dell'uso di questi sistemi è la carenza di personale in campo manifatturiero, nella logistica e in altri settori. Il COVID non ha determinato il passaggio all'automazione, ma ha sicuramente accelerato le tendenze già in atto."

Uno sguardo alle tecnologie

Hagen Götze

Senior Director Marketing, Avnet Abacus

VISIONE E INDUSTRY 4.0

Una delle ragioni per cui esiste un divario tra la nostra visione del valore dei robot industriali e la loro effettiva utilità potrebbe derivare dalla strategia Industry 4.0, introdotta dal governo tedesco nel 2011 e presentata per migliorare la produzione creando dei ponti tra il mondo fisico delle linee produttive e il mondo digitale della pianificazione del lavoro, del monitoraggio delle apparecchiature, del controllo statistico della qualità e della manutenzione predittiva.

Secondo i dettami della strategia Industry 4.0, gli impianti manifatturieri evolvono inesorabilmente verso le "fabbriche intelligenti", in cui ogni azione fisica sulle linee di produzione è abbinata all'acquisizione di dati in tempo reale, ad analisi avanzate e a richieste di azione gestite da computer basati sul cloud, collegati tramite solide reti di comunicazione.

Per molti, questa è ancora una visione lontana nel futuro. Una ricerca sullo stato e le prospettive della robotica industriale, presentata dall’Interactive Robotics Group al MIT nel novembre 2020, ha esposto alcuni motivi alla base di questa situazione.

LA SFIDA DELL'INTEGRAZIONE

Una delle maggiori sfide legate all'utilizzo dei robot industriali è l'integrazione nelle linee di produzione. I robot industriali sono spesso macchine grandi, veloci e potenti, che devono essere isolate per proteggere i lavoratori introducendo effetti distorsivi nei flussi di lavoro esistenti.

I robot industriali possono essere difficili da programmare. Nell'industria manca un linguaggio comune con cui definire le traiettorie di movimento dei robot e ogni produttore tende ad avere la propria interfaccia utente. Anche i controller manuali differiscono tra loro. Ciò rende la programmazione dei robot una competenza così specialistica da essere spesso affidata a terze parti, il cui lavoro di integrazione può costare più dello stesso robot. Se una funzione già programmata deve essere modificata, ad esempio perché una parte è cambiata, potrebbe essere necessario l'intervento dell'integratore. Alcuni operatori del settore hanno persino lanciato l'idea di offrire i robot sotto forma di servizio, mettendo a disposizione delle aziende un modo per esternalizzare gli oneri necessari per far funzionare al meglio le macchine.

Uno sguardo alle tecnologie

LA SFIDA DELLA FABBRICA INTELLIGENTE

Anche le aziende che adottano i robot industriali possono essere scettiche su determinati elementi della strategia "smart-factory". Uno di questi riguarda l'Industrial Internet of Things (IIoT). Le perplessità principali considerano la privacy, la sicurezza e il mantenimento del controllo dei propri dati. Per raggiungere tutti i sensori e gli attuatori distribuiti, le fabbriche che utilizzano l'IIoT per monitorare le linee di produzione robotizzate devono implementare delle reti di comunicazione estremamente robuste.

Ad esempio, quando Ocado (società di automazione dei centri di distribuzione e consegna di generi alimentari) ha dovuto gestire le comunicazioni per i suoi immensi magazzini robotizzati, ha installato una rete 4G privata.

In tema di fabbrica intelligente non mancano le problematiche dovute all'utilizzo del cloud computing per raccogliere, archiviare, pulire e analizzare i dati. I presupposti del cloud computing prevedono la fornitura di potenza di elaborazione "su richiesta", come avviene per le utility. La realtà è che quando vengono utilizzati per gestire una linea di produzione, i sistemi di cloud computing possono comportare dei problemi che diventano "mission critical". Il vero fraintendimento, tuttavia, riguarda il fatto che raccogliere molti dati non equivale a creare informazioni utili. Il senior management spesso considera il costo dell'implementazione dell'infrastruttura che trasforma un robot autonomo in un elemento di una fabbrica intelligente e si chiede: "Dov'è il ritorno sul mio investimento?"

L'ALTERNATIVA COBOT

Un'alternativa è il robot collaborativo, o cobot. Si tratta di un sistema che consente alle persone e ai robot di lavorare a stretto contatto senza mettere in pericolo la reciproca sicurezza.

I cobot tendono ad essere bracci robotici più piccoli e leggeri, progettati per gestire meno massa e muoversi più lentamente rispetto ai robot standalone. Molti di questi "bracci" includono strutture di rilevamento che arrestano il movimento se incontrano un ostacolo, come ad esempio un arto umano. All'interno dell'area di lavoro, tali strutture possono includere sensori di contatto passivi, barriere fotoelettriche o laser, sensori di prossimità o persino "pelli" capacitive.

Questo approccio, utilizzato da Bosch Rexroth nei suoi cobot APAS Production Assistant, permette di rilevare le persone che gravitano nell'area di lavoro senza entrare in contatto e rallentare o interrompere il funzionamento del cobot. A tale proposito, non sorprende il fatto che esista uno standard (ISO/TS 15066) che definisce i requisiti di sicurezza per i robot collaborativi.

Alcuni operatori del settore hanno persino lanciato l'idea di offrire i robot sotto forma di servizio, mettendo a disposizione delle aziende un modo per esternalizzare gli oneri necessari per far funzionare al meglio le macchine.

Un cobot che lavora parallelamente a un operatore su una catena di montaggio per aumentare la produttività.

I cobot sono soggetti a problemi di programmazione simili a quelli dei robot più grandi, tuttavia le loro dimensioni e la loro accessibilità possono semplificare l'acquisizione di una familiarità sufficiente per adattarli rapidamente alle nuove attività.

VEICOLI A GUIDA AUTOMATIZZATA

I veicoli a guida automatizzata (AGV - Automated Guided Vehicles) rappresentano un'importante sottospecie di robot. Si tratta di sistemi in grado di navigare negli stabilimenti per trasferire il materiale sotto il proprio controllo, utilizzando dei sensori per trovare la strada ed evitare gli ostacoli. La buona notizia è che il lavoro di sviluppo di auto a guida autonoma sta facendo progredire lo stato dell'arte relativo a concetti chiave come la localizzazione e la mappatura simultanee, incoraggiando inoltre lo sviluppo di tecnologie di rilevamento più sofisticate come i sensori di tempo di volo e i LiDAR.

La notizia meno buona è che la mancanza di standard rende più ardua la gestione collettiva delle flotte di AGV di più produttori.

TECNOLOGIE ABILITANTI

Come dimostra l'esempio AGV, una delle tecnologie abilitanti fondamentali per la robotica del futuro saranno gli standard, che permetteranno un approccio comune a questioni chiave come la programmazione, le comunicazioni e il co-working. Per raggiungere questo obiettivo sono già in atto delle iniziative. Per esempio, il Robot Operating System (ROS) è una raccolta opensource di strumenti, librerie e convenzioni apprezzata e utilizzata da tecnici e accademici per creare comportamenti robotici complessi e affidabili sfruttando un'ampia varietà di piattaforme robotiche.

Gli sviluppatori del ROS motivano il progetto in questo modo: “Come mai? Perché creare software per robot veramente robusti e generici è difficile. Dal punto di vista del robot, problemi che sembrano banali per gli esseri umani spesso sono basati su istanze di task e ambienti che variano enormemente. Affrontare queste variazioni è così difficile che nessun singolo individuo, laboratorio o istituzione può sperare di farlo da solo. Di conseguenza, ROS è stato creato da zero per incoraggiare lo sviluppo di software di robotica collaborativa." Uno sguardo alle tecnologie

Uno sguardo alle tecnologie

L'altra grande categoria di tecnologie abilitanti fa riferimento ai sensori. Questi elementi possono rilevare qualsiasi aspetto, dallo stato della batteria di un AGV al microposizionamento di un manipolatore di un robot per raccogliere un componente.

OMRON EMC’s B5L sensor

L'altra grande categoria di tecnologie abilitanti fa riferimento ai sensori. Questi elementi possono rilevare qualsiasi aspetto, dallo stato della batteria di un AGV al microposizionamento di un manipolatore di un robot per raccogliere un componente. I sensori devono essere robusti, precisi, avere una lunga vita operativa e produrre risultati omogenei in condizioni ambientali in rapido cambiamento.

Ad esempio, gli autori del rapporto del MIT hanno scoperto che alcuni sofisticati sistemi di visione robotica funzionavano perfettamente in condizioni di laboratorio ma non funzionavano affatto con l'illuminazione variabile di una linea di produzione reale. Una risposta potrebbe essere l'utilizzo di rilevatori del tempo di volo a infrarossi, come il sensore B5L di OMRON EMC (sopra). Tali rilevatori vengono utilizzati per misurare le distanze degli oggetti e creare modelli 3D della loro posizione nello spazio. Il rilevatore è progettato per ignorare gli effetti legati alla variazione della luce ambientale variabile ed è protetto contro le interferenze reciproche in modo che in un ambiente di lavoro possano convivere fino a 17 unità.

Come discusso in precedenza, tuttavia, dei sensori con caratteristiche superiori sono utili solo se supportati da un'infrastruttura di comunicazione, elaborazione e attuazione decisionale in grado di assorbire, analizzare e agire abbastanza velocemente per offrire un vantaggio pratico al modo in cui opera il robot.

Conclusione

La robotica industriale vanta una lunga storia di applicazioni di successo, soprattutto nell'industria automobilistica. Tuttavia, deve ancora affrontare alcuni dei problemi cui è soggetta da sempre, come comprendere la posizione degli oggetti nello spazio e sviluppare dei programmi che mettano in grado i sistemi di manipolare tali oggetti a distanza. Sebbene esistano percorsi e strategie che hanno l'obiettivo di favorire una diffusione più ampia della robotica, trasformare questa tecnologia in realtà comporterà la definizione di molti dettagli su più fronti.

GIROSCOPIO XYZ A 6 GRADI DI LIBERTÀ E ACCELEROMETRO XYZ CON INTERFACCIA SPI DIGITALE

Murata offre un sensore inerziale basato su MEMS e dotato di interfaccia SPI digitale. Il dispositivo è rivolto al controllo delle macchine industriali ad alta precisione e al supporto del posizionamento GNSS. Per misurare l'angolo di inclinazione rispetto al centro della terra viene utilizzato un accelerometro; per misurare la velocità con cui cambia un determinato angolo viene utilizzato un giroscopio. Il prodotto offre le massime prestazioni disponibili in termini di parametri chiave quali la stabilità della polarizzazione e il rumore.

CARATTERISTICHE

• Componente single-package a 6 gradi di libertà (DOF) • Calibrazione dell'asse incrociato per un errore di ortogonalità migliore di 0,14° • Instabilità della polarizzazione giroscopica fino a 1°/h • Livello di densità del rumore giroscopico 0,0015°/s/√Hz • Offset e sensibilità stabili su tutta la gamma di temperature • Eccellenti prestazioni di linearità e vibrazione • Funzioni estese di autodiagnostica • Intervallo di misurazione della velocità angolare ±300°/s • Intervallo di misurazione dell'accelerazione ±6g • Intervallo di temperatura di esercizio da −40°C a +110°C • Tensione di alimentazione da 3,0V a 3,6V. • Alloggiamento del componente SOIC robusto e conforme RoHS

Dimensioni: 19,71mm x 12,15mm x 4,6mm (l × w × h), 32 pin • Può essere utilizzato in applicazioni critiche per la sicurezza

APPLICAZIONI

Il dispositivo SCHA63T è destinato alle applicazioni che richiedono prestazioni elevate a fronte di severi requisiti ambientali.

Le applicazioni tipiche includono:

• Unità di misurazione inerziale (IMU) • Navigazione e posizionamento • Controllo e guida macchine • Inclinazione dinamica • Controllo robotico e UAV

SIZE 19.71 X 12.15 X 4.6MM

1000 Varianza di Allan Media X, Y, Z canale giroscopico, temperatura +23°C Deviazione di Allan (°/h)

+3 sigma media X, Y, Z

t i o n [°/h] A l l a n d e v i a 100

10

1

TIPOLOGIA DI PRODOTTO

SCHA63T-K03

Ω XYZ ACC XYZ

±300 °/s ±6g

0.1 0.01 1 10 100

Tau [sec.] 1000 10000

CARATTERISTICHE METROLOGICHE Ω XYZ ACC XYZ

Gamma

Filtro passa basso selezionabile dall'utente ±300°/s ±6g

13, 20, 46 or 300Hz 13, 20, 46 or 300Hz

Sensibilità (tipica) 80LSB/°/s 4905LSB/g Dipendenza dalla temperatura di offset (XY) ±0.65°/s (Z) ±0.85°/s ±7.3mg Densità del rumore (tipica, filtro 13Hz) 0.0015 °/s/ √Hz 59.5mg/√Hz

30 Output giroscopico in caso di vibrazione durante la guida

25 Z-Gyro, nuova generazione Z-Gyro, generazione precedente

Uscita giroscopica (dps) 20

15

10

5

0

-5

-10 Old gen: 40ms x 8dps> 0.32˚ heading error New gen: No drift

-15

0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2

Tempo (s)

NUTRIRE IL MONDO CON L’AGRICOLTURA INTELLIGENTE

Il settore agricolo sta affrontando una serie scoraggiante di sfide legate a una popolazione globale che si prevede raggiungerà quasi 10 miliardi entro la metà del 21° secolo. L’agricoltura deve competere per l’uso del suolo, poiché una popolazione in crescita si traduce in una maggiore urbanizzazione. A ciò si aggiunge il fatto che la ricerca di fonti rinnovabili vedrà i terreni agricoli occupati da infrastrutture dedicate alla produzione di energia solare ed eolica.

PRODURRE DI PIÙ CON MENO

In tale contesto, gli agricoltori sono alla ricerca di nuovi modi per aumentare la produzione alimentare utilizzando sempre meno terra e meno risorse. L’agricoltura, comunque, è sempre stata un’industria innovativa e pronta ad adottare le più attuali tecnologie. La necessità di produrre più cibo per una popolazione in costante crescita può essere soddisfatta dai più recenti sviluppi nelle comunicazioni ad alta velocità, che stanno offrendo agli agricoltori delle soluzioni inedite.

L’ULTIMA TECNOLOGIA

Nell’industria, le comunicazioni 5G presentano un enorme potenziale di utilizzo. Le capacità dei sistemi 5G offrono un potente strumento anche per il settore agricolo. Il 5G non solo compete con le alternative cablate, ma permette anche di collegare aree rurali che, tradizionalmente, non hanno mai avuto grandi possibilità di accesso alle comunicazioni ad alta velocità.

LA FATTORIA INTELLIGENTE

Ciò ha favorito lo sviluppo di un’agricoltura intelligente o di precisione. Le comunicazioni 5G forniscono risorse di connettività sulle vaste aree coperte dalla smart farm, consentendo l’integrazione in una rete unificata delle aree più remote. Una rete di questo tipo può sfruttare le più recenti tecnologie di rilevamento, elaborazione e connettività, utilizzando i dati raccolti per consentire agli agricoltori di massimizzare i loro sforzi. I dati raccolti possono essere sfruttati anche per aiutare a decidere una strategia. Lo studio delle condizioni del suolo o il monitoraggio dello stato di salute del bestiame consentono all’agricoltore di gestire al meglio le risorse massimizzando la produttività. Le nuove tecnologie sono quindi fondamentali per gestire queste informazioni. I sistemi elettronici di nuova generazione offrono dimensioni ridotte, costi di produzione inferiori e un uso più efficiente delle risorse energetiche. Ciò consente di dislocare sensori e dispositivi collegati anche nelle aree più remote.

UN AMBIENTE DIFFICILE

Questo nuovo approccio tecnologico sarà utilizzato in una varietà di applicazioni comprendenti sensori statici e macchinari pesanti di ultima generazione. L’agricoltura è un’attività ostica e le attrezzature devono essere in grado di resistere alle condizioni meteorologiche più estreme. L’ampia escursione, l’umidità e l’esposizione prolungata alla luce solare implicano per le attrezzature agricole una progettazione estremamente accurata.

COMUNICAZIONI RF

Le comunicazioni a radiofrequenza sono al centro di molte di queste innovazioni. Nell’era delle tecnologie digitali, è facile dimenticare che i sistemi wireless dipendono ancora da trasmettitori e ricevitori radio ad alta frequenza. Con le apparecchiature più recenti, che inviano dati a velocità e con volumi sbalorditivi, i progettisti dipendono da connettori RF ad alte prestazioni.

IL VANTAGGIO DI MOLEX

Molex ha al proprio attivo molti decenni di esperienza nella produzione di soluzioni complete per applicazioni RF. Abbracciando la più recente tecnologia 5G e caratterizzati da un’integrità di segnale superiore, i cavi e i connettori Molex sono disponibili per frequenze fino a 65 GHz e possono operare anche nelle difficili condizioni del settore agricolo. In collaborazione con Avnet, Molex è leader nell’innovazione dell’agricoltura intelligente, fornendo soluzioni di connettività per gli agricoltori di domani.

Per maggiori informazioni è possibile visitare il sito avnet-abacus.eu/molex