L'evoluzione e il futuro della robotica nella produzione

I lavori industriali spesso comportano lo svolgimento ripetuto delle stesse attività fisiche, come sollevare e assemblare componenti pesanti. Questo tipo di attività manuale può essere rischioso. Nel 2023, solo negli Stati Uniti sono stati segnalati 5.283 infortuni mortali sul lavoro.

Tuttavia, con il crescente utilizzo di robot industriali intelligenti e tecnologie come l’intelligenza artificiale (AI) e la visione artificiale, molte di queste attività ad alto rischio vengono ora gestite dalle macchine. Oggi i robot nella produzione sono in grado di sollevare materiali pesanti, ispezionare le apparecchiature per individuare problemi e lavorare al fianco delle persone per migliorare la sicurezza e l’efficienza nell’ambiente produttivo.

In questo articolo vedremo come i robot industriali stanno cambiando il modo in cui funzionano le fabbriche e contribuiscono a creare ambienti di lavoro più sicuri e produttivi. Iniziamo!

Cosa sono i robot industriali?#

I robot industriali sono macchine intelligenti progettate specificamente per assistere nelle attività di produzione. In particolare, i robot nella produzione vengono generalmente costruiti per sollevare componenti pesanti dei prodotti, come parti di automobili o aeroplani, oppure per svolgere molto rapidamente attività minute e dettagliate, come assemblare circuiti elettronici o confezionare prodotti.

A differenza dei robot umanoidi che vediamo spesso nei film di fantascienza come The Terminator o I, Robot, i robot industriali sono generalmente stazionari e costruiti con un unico braccio robotico. In genere, questo braccio robotico può muoversi in diverse direzioni ed essere programmato per svolgere vari lavori nella produzione, come saldare, assemblare o spostare materiali.

I robot industriali sono particolarmente efficaci nello svolgere lavori ripetitivi in modo rapido e preciso, senza bisogno di pause, il che li rende ideali per l’utilizzo in fabbriche e magazzini. Di conseguenza, nelle fabbriche di tutto il mondo vengono utilizzati più di 4 milioni di robot.

Tipi di robot industriali#

I robot nelle fabbriche stanno diventando sempre più comuni e svolgono un’ampia gamma di attività. Ecco alcuni tipi di robot industriali e il modo in cui vengono utilizzati per rendere il lavoro in fabbrica più efficiente e sicuro:

• Robot cartesiani: noti anche come robot a portale, si muovono lungo linee rette utilizzando tre giunti scorrevoli lungo gli assi X, Y e Z. Il loro design semplice consente un’elevata precisione, rendendoli ideali per le attività di produzione e automazione.

• Robot articolati: questi robot con braccio articolato imitano il movimento di un braccio umano utilizzando più giunti rotativi. Offrono flessibilità e un’ampia libertà di movimento e vengono comunemente utilizzati nell’assemblaggio, nella verniciatura e nel confezionamento.

• Robot Delta: dotati di tre bracci leggeri collegati a una base triangolare, i robot Delta sono progettati per garantire velocità e agilità. Sono particolarmente adatti alle operazioni di prelievo e deposito ad alta velocità, soprattutto nel settore del confezionamento.

• Robot polari: tra i primi tipi di robot industriali, utilizzano una combinazione di giunti rotativi e lineari per offrire una libertà di movimento sferica. Sono utili per le attività che richiedono un’ampia portata multidirezionale.

• Robot SCARA: abbreviazione di braccio robotico per assemblaggio a conformità selettiva (SCARA), utilizzano due giunti rotativi e un giunto lineare. Sono ideali per le attività che richiedono movimenti orizzontali e verticali rapidi e precisi, come l’assemblaggio di componenti elettronici e la lavorazione degli alimenti.

Storia della robotica nella produzione#

Prima di esaminare esempi specifici di come i robot industriali stanno facendo la differenza, vediamo l’evoluzione dei robot nella produzione per comprendere meglio come la robotica industriale sia cambiata nel corso degli anni:

• Produzione iniziale (era pre-robotica): prima della robotica, la produzione si basava interamente sul lavoro manuale e su strumenti di base. La Rivoluzione industriale introdusse l’energia a vapore, i macchinari e le catene di montaggio, aumentando la produttività, ma lasciando comunque molte attività ripetitive, pericolose o ad alta intensità di lavoro.

• Introduzione dei robot industriali (anni ‘50-‘80): nel 1954, George Devol inventò Unimate, il primo robot programmabile. Nel 1961, General Motors lo aveva già impiegato per la pressofusione e la saldatura, rendendolo il primo robot industriale utilizzato. Questo segnò un cambiamento importante, automatizzando attività pericolose e ripetitive, soprattutto nella produzione automobilistica.

• Espansione e perfezionamento (anni ‘90-2000): i robot divennero più veloci, precisi ed economici. Il loro utilizzo si estese a settori come l’elettronica, l’industria farmaceutica e la lavorazione degli alimenti. L’automazione flessibile rese possibile affidare ai robot più attività con una riprogrammazione minima.

• Ascesa dei robot collaborativi (anni 2010-oggi): i robot collaborativi, o cobot, sono emersi per lavorare in sicurezza al fianco degli esseri umani. Grazie a sensori integrati, AI e sistemi di telecamere, possono adattarsi all’ambiente circostante e assistere nelle attività complesse o delicate.

Fig. 1. Robot Unimate di George Devol. (Fonte)

Guardando al futuro, è probabile che i robot industriali diventino ancora più intelligenti e adattabili. Ricercatori e ingegneri stanno lavorando attivamente a tecnologie che consentano ai robot di apprendere, adattarsi a nuove situazioni e collaborare più strettamente con le persone in modi di supporto e dinamici.

Esempi di robotica industriale#

Ora esploreremo esempi reali di robot nella produzione e il modo in cui vengono utilizzati nell’ambiente produttivo.

Robot industriali nella produzione aeronautica#

La produzione aeronautica prevede processi complessi e delicati, soprattutto per gli aerei di grandi dimensioni come il Boeing 777. Per esempio, per assemblare un singolo 777 servono più di 60.000 rivetti. Tradizionalmente, questa attività richiedeva due lavoratori: uno per azionare la rivettatrice e l’altro per tenere una barra d’acciaio dietro il pannello e fissare il dispositivo di fissaggio.

Questo tipo di attività può essere fisicamente impegnativo e provocare lesioni alle braccia, alla schiena e alle spalle. Inoltre, nella produzione aeronautica la precisione è fondamentale e il margine di errore è minimo.

Per migliorare questi flussi di lavoro, Boeing ha adottato robot industriali. Nella sua fabbrica del 777 a Everett, Washington, l’azienda ha introdotto il sistema Fuselage Automated Upright Build (FAUB), un processo di assemblaggio robotizzato progettato per automatizzare la foratura e la rivettatura delle sezioni della fusoliera.

Fig. 2. Robot FAUB al lavoro sulla fusoliera di un aereo Boeing. (Fonte)

Una volta programmati, questi robot possono realizzare decine di migliaia di fori perfetti per i rivetti. A differenza della configurazione precedente con impianti fissi, i robot FAUB sono mobili e possono muoversi lungo le linee di assemblaggio su veicoli guidati. Dopo che i lavoratori hanno posizionato i pannelli della fusoliera, i robot subentrano per eseguire la foratura e la rivettatura, aumentando sia la velocità sia la precisione. Questo approccio è in linea con i recenti sviluppi nel settore della robotica, che continua a promuovere soluzioni più intelligenti, sicure ed efficienti per la produzione.

Produzione alimentare resa possibile dai robot industriali#

Anche i robot nella produzione vengono ampiamente adottati nell’industria alimentare. Per esempio, nello stabilimento Nestlé in Germania, la produzione di alimenti per bambini è gestita tramite una linea di confezionamento completamente automatizzata. I robot svolgono attività come spostare i vassoi pieni e sigillati nelle casse di sterilizzazione e, successivamente, nelle confezioni per la spedizione. In questo modo, l’intera operazione diventa più rapida, sicura e affidabile.

Nestlé utilizza anche robot mobili come Spot di Boston Dynamics per monitorare i problemi di manutenzione nelle sue strutture. A differenza dei sensori fissi tradizionali, che possono rilevare problemi solo in aree specifiche, Spot può muoversi liberamente nella fabbrica. Questo concetto di automazione mobile e flessibile è una tendenza in crescita nel settore della robotica.

Spot può salire le scale, muoversi in spazi angusti e affrontare pavimenti irregolari. È dotato di sensori speciali che lo aiutano a controllare macchinari della fabbrica, come motori e compressori, per rilevare calore, rumori o altri segnali di allarme. Spot può inoltre individuare facilmente i problemi in fase iniziale, contribuendo a risolverli prima che diventino gravi.

Fig. 3. Spot, un robot industriale, mentre ispeziona uno stabilimento di produzione alimentare. (Fonte)

Produzione automobilistica con l’aiuto dei robot industriali#

I robot industriali sono sempre stati una parte fondamentale della produzione automobilistica. Infatti, il 33% di tutte le installazioni di robot industriali negli Stati Uniti si trova nel settore automobilistico.

Un esempio interessante è rappresentato dallo stabilimento BMW di Spartanburg nel 2013. In questa struttura, persone e robot lavoravano fianco a fianco sulla linea di assemblaggio delle portiere senza recinzioni di sicurezza, rendendola la prima struttura BMW a utilizzare questo tipo di collaborazione diretta uomo-robot nella produzione ordinaria.

Quattro robot venivano utilizzati per installare l’isolamento acustico e antiumidità all’interno delle portiere dei modelli BMW X3. I lavoratori posizionavano prima la pellicola adesiva e la premevano leggermente, dopodiché i robot subentravano utilizzando teste a rullo per completare l’attività con elevata precisione.

Il sistema era completamente automatizzato e poteva misurare l’esatta pressione applicata durante il processo, consentendo un monitoraggio costante della qualità. Se il lavoro del robot veniva interrotto, un lavoratore poteva facilmente intervenire e completare manualmente l’attività, mantenendo la produzione operativa senza ritardi.

Fig. 4. Robot al lavoro fianco a fianco con gli operai in uno stabilimento automobilistico. (Fonte)

Vantaggi della robotica nella produzione#

Ora esaminiamo più da vicino alcuni dei principali vantaggi dell’utilizzo dei robot nella produzione.

• Precisione e accuratezza: i robot industriali offrono livelli elevati di precisione e velocità. Alcuni sono in grado di eseguire attività con una precisione entro un micrometro.

• Affidabilità: con una durata operativa che può raggiungere le 100.000 ore senza guasti, i robot industriali possono funzionare per lunghi periodi senza interruzioni.

• Maggiore sicurezza sul lavoro: i robot gestiscono anche attività pericolose, come lavorare in spazi confinati o in prossimità di materiali pericolosi, contribuendo a ridurre del 35% le giornate lavorative perse a causa di infortuni.

• Aumento della produttività: a differenza degli esseri umani, i robot non hanno bisogno di pause, giorni liberi o riposo. Possono lavorare ininterrottamente, aumentando significativamente la produttività.

• Convenienza economica: anche se l’acquisto e l’installazione di questi robot possono essere inizialmente costosi, nel tempo generano risparmi significativi. Riducono i costi della manodopera, limitano i potenziali errori e diminuiscono le spese legate agli infortuni.

• Scalabilità: una volta configurati i robot, i produttori possono aumentare più facilmente la produzione senza dover assumere altri lavoratori o apportare modifiche rilevanti. Questo consente di rispondere rapidamente alla crescita della domanda e mantenere la flessibilità in un mercato in evoluzione.

Sfide e limiti della robotica nella produzione#

Sebbene i robot industriali offrano numerosi vantaggi, comportano anche alcune difficoltà, soprattutto per quanto riguarda competenze e manutenzione. Questi robot nelle fabbriche richiedono professionisti qualificati per programmarli, utilizzarli e sottoporli a manutenzione.

Sebbene oggi molti robot impiegati nei settori industriali utilizzino l’intelligenza artificiale e il machine learning, richiedono comunque una manutenzione regolare per prevenire i guasti. Se un team di produttori non possiede già queste competenze, formare il personale può essere costoso e richiedere molto tempo.

È interessante notare che la soluzione a queste sfide arriva anch’essa dalla vision AI, più precisamente dalla visione artificiale, un ramo dell’AI che si concentra sulla comprensione dei dati visivi. Per esempio, i modelli di visione artificiale come Ultralytics YOLO11 possono essere addestrati per rilevare e tracciare i robot industriali. Le informazioni ottenute tracciando questi robot con YOLO11 possono essere utilizzate per individuare tempestivamente i problemi, in un processo noto come manutenzione predittiva. Questo riduce la necessità di supervisione da parte di esperti e limita i guasti imprevisti.

Inoltre, la visione artificiale può supportare la creazione di gemelli digitali in tempo reale. I gemelli digitali sono modelli virtuali di macchine e robot fisici, costruiti utilizzando dati visivi raccolti nell’ambiente di produzione.

I gemelli digitali consentono ai produttori di monitorare le apparecchiature in tempo reale, individuare i problemi prima che causino interruzioni e testare miglioramenti dei processi senza interrompere la produzione effettiva. Questa tecnologia garantisce prestazioni più uniformi, migliora il processo decisionale e riduce i costosi tempi di inattività.

Tecnologie di intelligenza artificiale e machine learning#

Parlando delle sfide legate all’utilizzo dei robot industriali, abbiamo visto che molti sono ormai alimentati dall’AI e dal machine learning. Ma come funziona concretamente e qual è il ruolo dell’AI nella robotica?

I robot industriali tradizionali sono limitati ad attività fisse e ripetitive. Seguono istruzioni preprogrammate e non riescono ad adattarsi facilmente ai cambiamenti sulla linea di produzione. Questo li rende meno efficienti negli ambienti in cui flessibilità, velocità e precisione sono essenziali.

Senza l’AI, i robot non possono rilevare i difetti dei prodotti in tempo reale né adattarsi a lievi variazioni nei materiali o nel posizionamento, causando spesso processi più lenti, un maggior numero di errori e tempi di inattività più lunghi. L’AI nella produzione consente ai robot di andare oltre le semplici attività preprogrammate.

In particolare, grazie al machine learning nella produzione, i robot possono analizzare i dati dell’ambiente circostante, riconoscere schemi e migliorare le proprie prestazioni nel tempo. Per esempio, un robot dotato di visione può identificare diversi oggetti su una linea di assemblaggio, adattare i propri movimenti in base a ciò che vede e persino rilevare difetti o anomalie in tempo reale. Dietro le quinte, la visione artificiale è la forza trainante di questa innovazione.

In genere, un robot dotato di visione dispone dell’infrastruttura hardware necessaria per eseguire modelli di visione artificiale come Ultralytics YOLO11. Quando viene integrato con telecamere e visione artificiale, un robot acquisisce le funzionalità del modello sottostante. Nel caso di YOLO11, ciò significa che un robot può eseguire attività di visione artificiale come il rilevamento, il tracciamento e la segmentazione degli oggetti.

L’impatto dell’Internet delle cose (IoT)#

Altri due concetti correlati ai robot industriali sono l’IoT nella produzione e l’edge computing. L’IoT si riferisce a una rete di dispositivi connessi che raccolgono e condividono dati, principalmente tramite Internet. L’edge computing, invece, gestisce i dati direttamente alla fonte, per esempio su un robot o un sensore, senza doverli prima inviare a un server centrale.

Quando i dispositivi IoT industriali (IIoT) raccolgono grandi quantità di dati, inviarli a un sistema centrale nel cloud per analizzarli può causare ritardi, noti come latenza, e rallentare le operazioni. Utilizzando però l’edge computing insieme all’IoT, i produttori possono elaborare i dati istantaneamente, ottenendo risposte in tempo reale e potenziando l’automazione.

Un esempio chiaro della collaborazione tra AI e IoT nella produzione è la manutenzione predittiva. Nelle fabbriche intelligenti, uno degli obiettivi principali dell’Industria 4.0 è anticipare i guasti delle apparecchiature prima che si verifichino.

Per raggiungere questo obiettivo, i dispositivi IIoT devono rimanere completamente funzionali e affidabili. Combinando edge computing, AI e visione artificiale, questi dispositivi possono monitorare continuamente le proprie condizioni, rilevare quando è necessaria la manutenzione o la ricarica e attivare automaticamente le azioni necessarie. In questo modo le macchine continuano a funzionare senza problemi, si riducono i tempi di inattività non pianificati e migliora l’efficienza complessiva.

Come l’automazione e la robotica migliorano l’efficienza della produzione#

Ora che abbiamo compreso meglio tecnologie come AI, visione artificiale, IoT ed edge computing, vediamo come possano collaborare per rendere più efficiente l’automazione della produzione.

L’obiettivo principale dell’automazione è ottimizzare i processi e renderli più rapidi, affidabili e meno soggetti all’errore umano. Prendiamo, per esempio, una fabbrica che assembla dispositivi elettronici di consumo come gli smartphone. I bracci robotici dotati di visione possono gestire con precisione il delicato compito di posizionare minuscoli componenti sulle schede elettroniche.

Allo stesso tempo, i sistemi di visione basati sull’AI possono ispezionare ogni fase dell’assemblaggio, individuando in tempo reale difetti come componenti disallineati o giunti di saldatura difettosi. Nel frattempo, i sensori IoT possono monitorare fattori ambientali come temperatura, polvere e vibrazioni, che potrebbero influire sulla qualità dei componenti sensibili.

Con l’edge computing, il sistema può elaborare istantaneamente questi dati e apportare modifiche sul posto, come mettere in pausa la linea o ricalibrare un robot, senza attendere risposte basate sul cloud. Nel complesso, la produzione automatizzata può creare una linea di produzione più rapida, precisa e altamente adattabile, con una qualità dei prodotti superiore e costi operativi inferiori.

In che modo la robotica sta trasformando il futuro della produzione?#

Il futuro dei robot industriali si sta evolvendo rapidamente, con tecnologie come la vision AI nella produzione e l’IoT che svolgono un ruolo importante. Grazie a questi strumenti, i robot possono vedere su cosa stanno lavorando, individuare difetti, controllare la qualità dei prodotti e prevedere i problemi nel momento in cui si verificano. Molti produttori stanno già utilizzando questi sistemi per rendere le proprie operazioni più efficienti e uniformi.

Il mercato della robotica industriale è cresciuto costantemente, trainato dai continui miglioramenti nella robotica, dal più facile accesso a ingegneri qualificati e dall’utilizzo della simulazione e dei test virtuali. Questi sviluppi rendono più rapida la progettazione e la messa a punto dei robot per l’utilizzo nel mondo reale. Man mano che un numero crescente di fabbriche adotta strumenti digitali e automazione, diventano più flessibili, affidabili e pronte ad affrontare le sfide future.

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