Robot e cobot: presente e futuro della robotica nell'industria

Articolo pubblicato su L'Industria Meccanica n. 719

L'avanzata dei robot nelle fabbriche sembra non conoscere sosta. Secondo i dati del World Robotics Report dell'Ifr, nel periodo compreso tra il 2013 e il 2017 è stato registrato un incremento del 114% del volume annuale delle vendite di robot. Nel solo 2017 sono stati ben 381mila i nuovi robot industriali venduti, con un aumento del 30% rispetto all'anno precedente. E secondo le stime dell'associazione, nel 2021 il numero annuale di robot forniti alle fabbriche di tutto il mondo raggiungerà le 630mila unità.

Anche in Italia i dati confermano una tendenza più che positiva, con una crescita del mercato del 19%, per un totale di 8 mila unità vendute. Grazie a questi numeri il Belpaese si attesta all'ottavo posto mondiale sia per vendite che per densità di robot.
Gli analisti non hanno dubbi: tra i fattori trainanti dello sviluppo del mercato c'è la crescente adozione del paradigma di Industria 4.0, del quale i robot sono parte fondamentale.

Il ruolo dei robot nell'Industria 4.0
«Industria 4.0 può essere vista come la definizione e il consolidamento di trend che si erano sviluppati da decenni», spiega Alessandro Gasparetto, docente della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Udine. «I concetti di connettività fra macchine e di linea di produzione flessibile erano già presenti all'epoca della prima robotizzazione dell'ambiente industriale, avvenuta a partire dagli anni '70 del secolo scorso. Tuttavia, la tecnologia di quei tempi, sia nell'ambito hardware che nell'ambito software, non era a livello tale da permettere un'implementazione efficiente e diffusa di questi concetti (si pensi solo al fatto che all'epoca non esistevano le con- nessioni wireless). In ogni caso, nell'evoluzione dell'automazione industriale prima di Industria 4.0, i robot sono sempre stati i device che, per le loro caratteristiche intrinseche di versatilità e riprogrammabilità, potevano realizzare la connessione fisica fra parti della linea produttiva e conferire a quest'ultima una certa flessibilità».

Il professor Gasparetto è anche membro del Comitato scientifico di Sps Italia ed è stato tra i principali sostenitori della necessità di portare anche i robot all'interno della fiera di riferimento dell'Automazione e del Digitale in Italia, la cui prossima edizione si terrà dal 28 al 30 maggio a Parma e che vedrà un intero padiglione dedicato proprio ai robot e alle soluzioni meccatroniche.

«I robot sono stati in un certo senso i precursori di Industria 4.0. Ora che l'evoluzione tecnologica ha consentito lo sviluppo del paradigma Industria 4.0, i robot ne costituiscono, per così dire, il "braccio operativo", ovvero quei device che, all'interno della Fabbrica intelligente (e quindi connessi con il resto della linea produttiva ed eventualmente con il cloud) svolgono fisicamente le operazioni connesse alla produzione stessa, oltre a costituire un veicolo di connettività fisica che si affianca alla connettività software tipica dei sistemi cyberfisici di Industria 4.0. Per questo i robot risultano essere totalmente integrati nel paradigma Industria 4.0, e la loro presenza a Sps Italia trova piena giustificazione».

Una tecnologia in continuo sviluppo
La robotica "tradizionale", cioè i robot industriali non collaborativi, prima dell'avvento di Industria 4.0 era considerata un settore pienamente maturo, nel quale sembrava impossibile ipotizzare l'avvento di innovazioni sostanziali. Le cose però stanno cambiando: Industria 4.0, con la connessa evoluzione tecnologica, a livello sia hardware che software, ha fornito nuova linfa e, per così dire, una seconda giovinezza alla robotica tradizionale, aprendole notevoli margini di miglioramento e consentendole di affrontare problemi e sfide che prima non erano nemmeno considerati.

«Le aree in cui i robot hanno dimostrato di sapersi migliorare sono diverse», spiega Gasparetto. «Intanto è migliorata l'efficienza energetica dei robot; poi sono state sviluppate nuove tecniche che consentono al robot di manipolare nuove tipologie di materiali; sono stati messi a punto nuovi sistemi di presa; sono state sviluppate nuove strutture che hanno permesso di migliorare il rapporto fra payload e peso proprio del robot, realizzando robot relativamente leggeri che sono in grado di gestire oggetti di peso rilevante; sono poi state significativamente migliorate le interfacce con l'operatore per rendere più facile e intuitiva la programmazione dei robot».

Ma ci sono ancora due punti importanti: «La piena integrabilità fra robot di produttori diversi e il miglioramento della capacità di autoadattamento del robot a condizioni che variano in tempo reale».

Un robot per ogni applicazione
Nell'industria sono presenti diverse tipologie di robot, Scara, Delta, antropomorfi, ciascuna dotata di caratteristiche tali da renderla maggiormente adatta a una specifica applicazione.

«Storicamente – ricorda Gasparetto – i robot antropomorfi sono stati i primi ad apparire, sin dagli anni '60- ‘70 del secolo scorso. La loro caratteristica principale è quella di essere dotati di una catena cinematica seriale a 6 gradi di libertà, con 6 giunti rotoidali, il che conferisce loro una manipolabilità completa (con ciò intendendo la capacità di muovere l'utensile e gli oggetti manipolati in una qualsiasi posizione dello spazio di lavoro, e orientarli a piacimento). Questa loro caratteristica ha reso i robot antropomorfi protagonisti indiscussi delle linee produttive caratterizzate dall'esecuzione di task complessi (come ad esempio la verniciatura o la saldatura lungo profili irregolari), per i quali l'utilizzo di robot antropomorfi è ancora oggi imprescindibile».

Poi sono arrivati gli altri due tipi. «I robot Scara e i robot Delta sono comparsi più tardi, rispettivamente nel 1978 e nel 1992. Rispetto agli antropomorfi, si tratta di robot strutturalmente più semplici: gli Scara hanno una catena cinematica seriale a 4 gradi di libertà, il che da una parte ne limita la capacità di manipolazione, dall'altra però li rende più semplici da controllare, consentendo così l'esecuzione di operazioni ad alta velocità. Sono pertanto utilizzati in applicazioni relativamente semplici (es. assemblaggio), che non richiedono un orientamento completo del pezzo da manipolare.

I robot Delta hanno invece una catena cinematica parallela anziché seriale, il che consente loro di avere una struttura più leggera, con conseguente aumento della velocità di esecuzione dei task, al prezzo però di una limitazione dello spazio di lavoro, oltre che della capacità di orientamento del pezzo e del carico massimo manipolabile (payload). Anch'essi sono quindi indicati per operazioni semplici (pick & place, per esempio) da eseguire ad alta velocità, in particolare su oggetti leggeri trasportati da un nastro (il che consente di superare la limitazione dello spazio di lavoro)».

L'avvento dei cobot
Da qualche anno sono arrivati sul mercato i robot collaborativi, in grado di vivere anche fuori dalla "gabbia" nella quale, per ragioni di sicurezza, sono sempre stati relegati i robot. La repentina evoluzione dei cobot, da una parte, e lo sviluppo di tecnologie, come le pelli sensorizzate, in grado di rendere collaborativi anche i robot tradizionali rendono però oggi difficile tracciare un netto confine tra robot e cobot.

«Per stabilire in modo certo la differenza fra un robot e un cobot è opportuno fare riferimento alla struttura meccanica e alle caratteristiche del sistema di controllo. In altre parole, i veri cobot sono "nati" cobot, mentre i robot "cobotizzati" mantengono le caratteristiche degli originari robot come struttura meccanica e come nucleo del sistema di controllo, "travestendosi" da cobot grazie all'integrazione di componenti hardware (tipicamente sensori o rivestimenti) e software (moduli di controllo aggiuntivi) che ne permettono un utilizzo più collaborativo (anche se in genere non si possono definire – a differenza dei cobot – pienamente collaborativi)».

D'altro canto, un cobot è, come struttura meccanica e come sistema di controllo, sin dall'origine progettato e costruito per un impiego pienamente collaborativo, cioè quello di lavorare accanto a un operatore umano. «Dal punto di vista del controllore, ad esempio, un cobot ha la gestione della sicurezza implementata nel nucleo del sistema, cioè a basso livello. Inoltre i cobot, a differenza dei robot, non sono progettati per svolgere task ripetitivi, ma sin dall'origine hanno spiccate caratteristiche di riprogrammabilità e di comportamento smart, oltre che "safe"».

Il nodo della sicurezza

Quando si parla di macchine che condividono uno spazio di lavoro con l'uomo il pensiero corre subito al tema della sicurezza. Ma qual è oggi il quadro normativo? «I requisiti di sicurezza per i robot sono attualmente regolati dalle norme ISO 10218 (requisiti di sicurezza per i robot industriali), ISO 10218-1 (requisiti di sicurezza a cui devono attenersi i costruttori di robot) e ISO 10218- 2 (requisiti di sicurezza per gli integratori di robot). Le ultime due, all'interno delle quali sono definiti i requisiti di sicurezza per i sistemi robotici collaborativi, sono tuttavia oggetto di revisione (la nuova versione di tali norme dovrebbe essere completata entro maggio 2021): una revisione necessaria per tenere dietro all'evoluzione tecnologica che vede tra l'altro, come si è già evidenziato in precedenza, una sfumatura della distinzione tra robot e cobot», rileva Gasparetto.

«Si tratterà di meglio definire alcuni aspetti quali ad esempio: una più esplicita definizione delle funzioni di sicurezza implementate nei robot, una definizione di requisiti di sicurezza sia per device aggiuntivi (ad esempio pinze e gripper), sia per tipologie di robot sinora poco normata da questo punto di vista (ad esempio robot mobili). Si dovrà inoltre procedere alla rielaborazione dei valori limite biomeccanici per la limitazione di potenza e forza per contatti quasi-statici e transitori».

La sicurezza nel senso di "safety" è un tema che si incrocia sempre più fortemente con l'altra parola che in italiano traduciamo con "sicurezza" e che in inglese è resa invece con "security".

«Il punto più critico per la sicurezza dei robot nel prossimo futuro è indubbiamente quello relativo alla cyber-security: la connettività estrema dei device (fra cui vi sono i robot) li espone a tentativi di hackeraggio da parte di agenti esterni. Ciò pone dei serissimi problemi in termini di sicurezza, in quanto un tentativo di hackeraggio andato a buon fine potrebbe provocare un'interazione violenta del robot con l'ambiente circostante, mettendo a repentaglio la sicurezza di persone, animali e cose che si venissero a trovare all'interno dello spazio di lavoro».

Non solo assemblaggio
Oggi i cobot si occupano in prevalenza di operazioni di assemblaggio. Ma non è l'unico ambito nel quale li troveremo in futuro. «Potenzialmente i cobot possono essere utilizzati anche per altre applicazioni, purché non richiedano livelli di accuratezza particolarmente elevati, per le quali i cobot non sono stati progettati.

A titolo di esempio, possiamo citare operazioni di pallettizzazione e di packaging, lavorazioni di finitura quali lucidatura, rettifica e sbavatura (che possono risultare particolarmente pesanti per l'operatore umano nel caso di vibrazioni di notevole entità) e task inerenti al controllo di qualità dei prodotti (ad esempio mediante l'utilizzo di telecamere montate sui cobot stessi)».

Ma non finisce qui: Gasparetto pensa che nel prossimo futuro i cobot possano diventare dei veri e propri guardiani della fabbrica. «In tale ruolo, i cobot potranno affiancare (o forse anche sostituire) l'operatore umano nello svolgimento di task che risultano tipicamente noiosi, ripetitivi e anche rischiosi per l'alta probabilità di distrazione dell'operatore (si pensi ad esempio a un operatore che deve rimanere seduto per lungo tempo di fronte a una macchina Cnc, effettuando solamente una breve e infrequente operazione, come ad esempio il cambio dell'utensile o la rimozione degli scarti)».

Quando è giusto scegliere un cobot?
I produttori di cobot sostengono che un robot collaborativo si ripaghi in pochi mesi: una tempistica che in Italia sarebbe poi ulteriormente ridotta grazie agli incentivi fiscali (ricordiamo infatti che robot e cobot possono fruire dell'iperammortamento). Gasparetto però non è iscritto al partito di chi ritiene che investire in un cobot sia sempre la scelta migliore.

«È vero che i cobot sono quasi sempre meno costosi dei robot tradizionali, tuttavia le performance e i campi di applicazione sono diversi: non tutti i task attualmente svolti dai robot tradizionali possono essere eseguiti dai cobot, principalmente perché i cobot hanno prestazioni inferiori ai robot tradizionali in termini di accuratezza e velocità di esecuzione. Pertanto, l'introduzione di cobot in produzione si giustifica soprattutto nel caso di applicazioni a elevata complessità, per le quali un'automazione totale risulta impossibile, mentre una robotizzazzione parziale, con operatore umano e cobot che si interfacciano, è la soluzione ideale. Se invece il processo richiede velocità di esecuzione o precisione elevata, i, robot tradizionali rimangono la scelta corretta», spiega.

Queste considerazioni costituiscono probabilmente il motivo per cui la quota di mercato dei cobot è ancora piccola rispetto a quella dei robot tradizionali: non va comunque assolutamente trascurato il fatto che, in termini assoluti, la rapidità di diffusione dei cobot è molto elevata.

La robotica mobile
Un particolare tipo di robot collaborativo è il robot mobile evoluzione dell'Agv in grado di diventare il vero pivot di una fabbrica nella quale le stazioni di lavorazione non saranno più necessariamente sequenziali.

«La robotica mobile all'interno degli ambienti di produzione non ha ancora sviluppato tutto il suo potenziale», rileva Gasparetto. «Solo negli ultimi anni, infatti, veri robot mobili si sono affiancati agli Agv che erano una presenza nelle fabbriche già da decenni. A differenza di un Agv, un robot mobile può gestire i percorsi in maniera molto più flessibile, anche se necessita di un sistema sensoristico e di controllo molto più avanzato, per poter gestire le problematiche di una navigazione realmente autonoma. Oltre alle classiche applicazioni di logistica di magazzino, i robot mobili possono avere un ruolo anche nelle aree di produzione e supply chain, con la possibilità di avere una flotta di robot mobili che collega la linea produttiva al magazzino, permettendo così di realizzare una produzione pienamente in logica "pull".

Inoltre, possono contribuire al superamento del vincolo della linea di produzione, o quantomeno al conferimento di maggiore flessibilità alla linea stessa: essi possono infatti essere utilizzati per il trasporto di pezzi, utensili o anche robot fra aree di lavoro diverse, consentendo di gestire la produzione in maniera modulare e rapidamente riconfigurabile».

Nuovi processi industriali alla fiera SPS Italia
È a tutti gli effetti la fiera per l'industria intelligente, negli ultimi 9 anni ha seguito l'evoluzione tecnologia industriale del comparto manifatturiero in Italia. Torna Sps Italia, a Parma dal 28 al 30 maggio.
L'edizione 2019 presenterà per la prima volta un percorso dedicato al rinnovamento dei processi industriali (si chiama "District 4.0") suddiviso in tre aree tematiche: automazione avanzata, digital&software, robotica e meccatronica.
Un intero padiglione dimostrativo dedicato alla robotica industriale ospiterà aziende del comparto con demo funzionanti e soluzioni meccatroniche articolate. Tema portante della manifestazione sarà la formazione con una vera e propria competence academy, in collaborazione con università, centri di ricerca, istituzioni, Digital innovation hub e Competence center.