L'evoluzione e il futuro della robotica nella produzione

I lavori industriali spesso comportano l'esecuzione ripetuta delle stesse attività fisiche, come il sollevamento e l'assemblaggio di parti pesanti. Questi tipi di attività manuali possono essere rischiosi. Nel 2023, solo negli Stati Uniti sono stati registrati 5.283 infortuni mortali sul lavoro.

Tuttavia, grazie al crescente utilizzo di robot industriali intelligenti e di tecnologie come l'intelligenza artificiale (AI) e la visione computerizzata, molti di questi compiti ad alto rischio vengono ora gestiti dalle macchine. I robot nel settore manifatturiero sono ora in grado di sollevare materiali pesanti, ispezionare le attrezzature per individuare eventuali problemi e lavorare a fianco delle persone per migliorare la sicurezza e l'efficienza in fabbrica.

In questo articolo vedremo come i robot industriali stanno cambiando il modo di lavorare nelle fabbriche e contribuiscono a creare luoghi di lavoro più sicuri e produttivi. Iniziamo!

Cosa sono i robot industriali?

I robot industriali sono macchine intelligenti progettate specificamente per assistere le attività di produzione. In particolare, i robot industriali sono solitamente costruiti per sollevare componenti di prodotti pesanti, come parti di automobili o aerei, o per gestire in modo molto rapido attività minime e dettagliate, come l'assemblaggio di circuiti elettronici o l'imballaggio di prodotti. 

A differenza dei robot umanoidi che spesso vediamo nei film di fantascienza come Terminator o Io, 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 diversi lavori di produzione, come la saldatura, l'assemblaggio o lo spostamento di materiali. 

I robot industriali sono particolarmente bravi a svolgere lavori ripetitivi in modo rapido e preciso, senza bisogno di pause, il che li rende ideali per l'uso in fabbriche e magazzini. Di conseguenza, oltre 4 milioni di robot sono utilizzati nelle fabbriche di tutto il mondo. 

Tipi di robot industriali

I robot nelle fabbriche stanno diventando sempre più comuni e si occupano di un'ampia gamma di compiti. Ecco alcuni tipi di robot industriali e come vengono utilizzati per rendere il lavoro in fabbrica più efficiente e sicuro: 

• Robot cartesiani: Conosciuti anche come robot a portale, questi robot 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 a braccio articolato imitano il movimento di un braccio umano utilizzando più giunti rotanti. Offrono flessibilità e un'ampia gamma di movimenti e sono comunemente utilizzati per l'assemblaggio, la verniciatura e l'imballaggio.

• Robot Delta: Caratterizzati da tre bracci leggeri collegati a una base triangolare, i robot delta sono costruiti per garantire velocità e agilità. Sono particolarmente adatti alle operazioni di pick-and-place ad alta velocità, soprattutto nel settore dell'imballaggio.

• Robot polari: Tra i primi tipi di robot industriali, i robot polari utilizzano una combinazione di giunti rotanti e lineari per fornire un raggio di movimento sferico. Sono utili per compiti che richiedono un ampio raggio d'azione multidirezionale.

• Robot SCARA: Acronimo di Selective Compliance Assembly Robot Arm, i robot SCARA utilizzano due giunti rotanti e un giunto lineare. Sono ideali per 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 addentrarci in esempi specifici di come i robot industriali stiano facendo la differenza, diamo uno sguardo all'evoluzione dei robot nella produzione e comprendiamo 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 ha introdotto l'energia a vapore, i macchinari e le catene di montaggio, che hanno aumentato la produttività, ma hanno lasciato molte attività ripetitive, pericolose o ad alta intensità di lavoro.

• Introduzione dei robot industriali (anni '50-'80): Nel 1954 George Devol inventa Unimate, il primo robot programmabile. Nel 1961, la General Motors lo utilizzò per la pressofusione e la saldatura e divenne il primo robot industriale in uso. Questo segnò un cambiamento importante, con l'automazione di attività pericolose e ripetitive, soprattutto nella produzione di automobili.

• Espansione e perfezionamento (anni '90 - 2000): I robot sono diventati più veloci, più precisi e più convenienti. Il loro uso si è esteso a settori come l'elettronica, la farmaceutica e la lavorazione degli alimenti. L'automazione flessibile ha reso possibile ai robot la gestione di più compiti con una riprogrammazione minima.

• L'ascesa dei robot collaborativi (anni 2010 - oggi): I robot collaborativi, o cobot, sono emersi per lavorare in sicurezza accanto agli esseri umani. Grazie a sensori, intelligenza artificiale e sistemi di telecamere integrati, sono in grado di adattarsi all'ambiente circostante e di assistere in compiti complessi o delicati.

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In prospettiva, 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 modo dinamico e solidale.

Esempi di robotica industriale

Poi esploreremo esempi reali di robot nella produzione e di come vengono utilizzati in fabbrica.

Robot industriali nella produzione di aeromobili

La produzione di aeromobili comporta processi complessi e delicati, soprattutto per gli aerei di grandi dimensioni come il Boeing 777. Per esempio, l'assemblaggio di un singolo 777 richiede più di 60.000 rivetti. Tradizionalmente, questo compito richiedeva due operai: uno per azionare la pistola per rivetti e un altro per tenere una barra d'acciaio dietro il pannello per fissare il dispositivo di fissaggio. 

Questo tipo di attività può essere fisicamente impegnativa e portare a lesioni alle braccia, alla schiena e alle spalle. Inoltre, la precisione è fondamentale nella produzione di aeromobili e c'è poco spazio per gli errori.

Per migliorare questi flussi di lavoro, Boeing ha adottato dei robot industriali. Nello stabilimento 777 di 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.

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Una volta programmati, questi robot possono praticare decine di migliaia di fori perfetti per i rivetti. A differenza della vecchia configurazione con impianti fissi, i robot FAUB sono mobili e possono spostarsi lungo le linee di assemblaggio su veicoli guidati. Dopo che gli operai posizionano i pannelli della fusoliera, i robot si occupano della foratura e della rivettatura, aumentando la velocità e la precisione. Questo approccio è in linea con i recenti sviluppi dell'industria robotica, che continua a spingere per soluzioni più intelligenti, sicure ed efficienti nella produzione.

La produzione alimentare abilitata dai robot industriali

I robot nella produzione sono ampiamente adottati anche nell'industria alimentare. Nello stabilimento Nestlé in Germania, ad esempio, la produzione di alimenti per l'infanzia è gestita attraverso una linea di confezionamento completamente automatizzata. I robot si occupano di attività quali lo spostamento di vaschette di cibo riempite e sigillate in casse di sterilizzazione e, successivamente, nell'imballaggio per la spedizione. Questo rende l'intera operazione più veloce, sicura e affidabile.

Nestlé utilizza anche robot mobili come Spot di Boston Dynamics per monitorare i problemi di manutenzione nei suoi stabilimenti. A differenza dei tradizionali sensori fissi che possono rilevare i problemi solo in aree specifiche, Spot può muoversi liberamente all'interno della 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 ristretti e gestire pavimenti irregolari. È dotato di speciali sensori che gli consentono di controllare le macchine di fabbrica, come i motori e i compressori, alla ricerca di calore, rumore o altri segnali di allarme. Spot è anche in grado di individuare facilmente i problemi in anticipo, aiutando a risolvere i problemi prima che diventino gravi. 

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Produrre automobili con l'aiuto di 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 riguarda l'industria automobilistica. 

Un esempio interessante è rappresentato dallo stabilimento BMW di Spartanburg nel 2013. In questo stabilimento, persone e robot hanno lavorato fianco a fianco sulla linea di assemblaggio delle porte senza recinzioni di sicurezza, diventando così il primo stabilimento BMW a utilizzare questo tipo di collaborazione diretta uomo-robot nella produzione regolare.

Quattro robot sono stati utilizzati per installare l'isolamento acustico e dall'umidità all'interno delle portiere dei modelli BMW X3. Gli operai hanno dapprima posizionato e leggermente pressato la pellicola adesiva, poi sono subentrati i robot, che hanno utilizzato teste a rullo per completare il lavoro con grande 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 operatore umano poteva facilmente intervenire e completare il lavoro manualmente, mantenendo la produzione senza ritardi.

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Vantaggi della robotica nella produzione

Vediamo quindi da vicino alcuni dei principali vantaggi dell'uso dei robot nella produzione.

• Precisione e accuratezza: i robot industriali offrono alti livelli di precisione e velocità. Alcuni sono in grado di eseguire compiti con una precisione di un micron.
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• Affidabilità: Con una durata di vita che raggiunge le 100.000 ore senza guasti, i robot industriali possono operare per lunghi periodi di tempo senza interruzioni.
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• Maggiore sicurezza sul posto di lavoro: I robot gestiscono anche compiti pericolosi, come lavorare in spazi ristretti o intorno a materiali pericolosi, contribuendo a ridurre il 35% delle giornate lavorative perse per infortunio.

• Aumentare la produttività: A differenza degli esseri umani, i robot non hanno bisogno di pause, giorni di riposo o di riposo. Possono lavorare 24 ore su 24, il che può aumentare notevolmente la produttività. 

• Economicità: Sebbene l'acquisto e l'installazione di questi robot possano essere costosi all'inizio, nel tempo consentono di ottenere risparmi significativi. Abbassano i costi di manodopera, riducono i potenziali errori e riducono le spese legate agli infortuni.

• Scalabilità: Una volta installati i robot, i produttori possono aumentare la produzione più facilmente senza dover assumere altri lavoratori o apportare modifiche importanti. Ciò significa che i produttori possono rispondere rapidamente alla crescita della domanda e rimanere flessibili in un mercato in continua evoluzione.

Sfide e limiti della robotica nel settore manifatturiero

Se da un lato i robot industriali offrono molti vantaggi, dall'altro comportano alcune sfide, soprattutto per quanto riguarda la competenza e la manutenzione. Questi robot nelle fabbriche richiedono professionisti qualificati per la programmazione, il funzionamento e la manutenzione. 

Anche se oggi molti robot utilizzati nell'industria utilizzano l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, richiedono comunque una manutenzione regolare per evitare guasti. Se un team di produttori non possiede già queste conoscenze, la formazione del personale può essere costosa e richiedere molto tempo.

È interessante notare che la soluzione a queste sfide arriva anche sotto forma di Vision AI, più precisamente di computer vision, una branca dell'AI che si concentra sulla comprensione dei dati visivi. Ad esempio, modelli di computer vision come Ultralytics YOLO11 possono essere addestrati per rilevare e seguire i robot industriali. Le informazioni ricavate dal tracciamento di questi robot con YOLO11 possono essere utilizzate per individuare tempestivamente i problemi (la cosiddetta manutenzione predittiva). In questo modo si riduce la necessità di una supervisione esperta e si riducono i guasti imprevisti.

Oltre a questo, la computer vision può anche supportare la creazione di gemelli digitali in tempo reale. I gemelli digitali sono modelli virtuali di macchine fisiche e robot, costruiti utilizzando i dati visivi raccolti dall'ambiente di produzione. 

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

Tecnologie di intelligenza artificiale e apprendimento automatico

Discutendo delle sfide legate all'utilizzo dei robot industriali, abbiamo visto che molti di essi sono ora dotati di intelligenza artificiale e apprendimento automatico. Ma come funziona effettivamente e qual è il ruolo dell'IA nella robotica?

I robot industriali tradizionali sono limitati a compiti fissi e ripetitivi. Seguono istruzioni pre-programmate e non possono adattarsi facilmente ai cambiamenti della linea di produzione. Questo li rende meno efficienti in ambienti in cui flessibilità, velocità e precisione sono essenziali. 

Senza l'intelligenza artificiale, i robot non sono in grado di rilevare i difetti dei prodotti in tempo reale o di adattarsi a leggere variazioni dei materiali o del posizionamento, il che spesso porta a processi più lenti, a un maggior numero di errori e a un aumento dei tempi di inattività. L 'intelligenza artificiale nel settore manifatturiero consente ai robot di andare oltre i semplici compiti pre-programmati. 

In particolare, con l'apprendimento automatico nel settore manifatturiero, i robot possono analizzare i dati provenienti dall'ambiente circostante, riconoscere gli schemi e migliorare le proprie prestazioni nel tempo. Ad esempio, un robot abilitato alla visione può identificare diversi oggetti su una catena di montaggio, regolare i propri movimenti in base a ciò che vede e persino rilevare difetti o anomalie in tempo reale. Dietro le quinte, la computer vision è la forza trainante di questa innovazione.

In genere, un robot abilitato alla visione è dotato dell'infrastruttura hardware necessaria per eseguire modelli di visione computerizzata come Ultralytics YOLO11. Se integrato con telecamere e computer vision, il robot acquisisce le capacità del modello sottostante. Nel caso di YOLO11, ciò significa che un robot può eseguire attività di visione computerizzata come il rilevamento, il tracciamento e la segmentazione degli oggetti.

L'impatto dell'Internet degli oggetti (IoT) 

Un altro paio di concetti legati 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). D'altra parte, l'edge computing gestisce i dati direttamente alla fonte, come un robot o un sensore, senza doverli inviare prima a un server centrale. 

Quando i dispositivi IoT industriali (IIoT) raccolgono grandi quantità di dati, l'invio a un sistema centrale su cloud per l'analisi può causare ritardi (noti come latenza) e rallentare le operazioni. Ma utilizzando l'edge computing insieme all'IoT, i produttori possono elaborare i dati istantaneamente, rendendo possibile ottenere risposte in tempo reale e potenziare l'automazione. 

Un chiaro esempio di collaborazione tra AI e IoT nel settore manifatturiero è la manutenzione predittiva. Nelle fabbriche intelligenti, uno degli obiettivi principali dell'Industria 4.0 è anticipare i guasti alle apparecchiature prima che si verifichino. 

Per raggiungere questo obiettivo, i dispositivi IIoT devono rimanere pienamente funzionali e affidabili. Combinando l'edge computing, l'intelligenza artificiale e la computer vision, 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 funzionano senza problemi, si riducono i tempi di inattività non pianificati e si migliora l'efficienza complessiva.

Come l'automazione e la robotica migliorano l'efficienza produttiva

Ora che abbiamo una migliore comprensione di tecnologie come l'IA, la computer vision, l'IoT e l'edge computing, analizziamo come queste possono lavorare insieme per rendere più efficiente l'automazione della produzione. 

L'obiettivo principale dell'automazione è quello di snellire i processi e renderli più veloci, più affidabili e meno soggetti a errori umani. Prendiamo ad esempio una fabbrica che assembla prodotti elettronici di consumo come gli smartphone. I bracci robotici abilitati alla visione possono gestire il delicato compito di collocare con precisione minuscoli componenti sulle schede dei circuiti. 

Allo stesso tempo, i sistemi di visione alimentati dall'intelligenza artificiale possono ispezionare ogni fase dell'assemblaggio, identificando in tempo reale difetti come parti disallineate 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 ed effettuare regolazioni in loco, come mettere in pausa la linea o ricalibrare un robot, senza attendere le risposte del cloud. Insieme, la produzione automatizzata può creare una linea di produzione più veloce, più accurata e altamente adattabile, con conseguente aumento della qualità dei prodotti e riduzione dei costi operativi.

Come la robotica sta trasformando il futuro della produzione

Il futuro dei robot industriali si sta muovendo rapidamente, con tecnologie come Vision AI in manufacturing e l'IoT che svolgono un ruolo importante. Grazie a questi strumenti, i robot possono vedere ciò che stanno lavorando, individuare i 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 loro operazioni più efficienti e coerenti.

Il mercato della robotica industriale è in costante crescita, grazie ai costanti miglioramenti della robotica, al più facile accesso a ingegneri qualificati e all'uso di simulazioni e test virtuali. Questi sviluppi rendono più veloce la progettazione e la messa a punto dei robot per l'uso nel mondo reale. Con l'adozione di strumenti digitali e di automazione, le fabbriche diventano sempre più flessibili, affidabili e pronte a gestire le sfide future.

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