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 la crescente diffusione dei robot industriali intelligenti e di tecnologie come l’intelligenza artificiale (AI) e la visione artificiale, oggi molte di queste attività ad alto rischio vengono svolte dalle macchine. I robot nelle industrie manifatturiere sono ormai in grado di sollevare materiali pesanti, ispezionare le apparecchiature per individuare eventuali problemi e lavorare al fianco delle persone, migliorando la sicurezza e l’efficienza in fabbrica.

In questo articolo vedremo come i robot industriali stanno cambiando il funzionamento delle fabbriche e contribuiscono a creare luoghi di lavoro più sicuri e produttivi.

Cosa sono i robot industriali?#

I robot industriali sono macchine intelligenti progettate appositamente per assistere nelle attività di produzione. In particolare, i robot impiegati nella produzione sono in genere progettati per sollevare componenti pesanti, come parti di automobili o aerei, oppure per eseguire molto rapidamente attività minuziose 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 fissi e dotati di un solo braccio robotico. In genere, il braccio robotico può muoversi in più direzioni ed essere programmato per diverse attività di produzione, come saldare, assemblare o spostare materiali.

I robot industriali sono particolarmente adatti a svolgere lavori ripetitivi in modo rapido e preciso, senza bisogno di pause: per questo sono ideali per l’impiego in fabbriche e magazzini. Di conseguenza, nelle fabbriche di tutto il mondo vengono utilizzati oltre 4 milioni di robot.

Tipi di robot industriali#

I robot nelle fabbriche sono sempre più diffusi e svolgono un’ampia gamma di attività. Ecco alcuni tipi di robot industriali e i modi in cui vengono utilizzati per rendere il lavoro in fabbrica più efficiente e sicuro:

• Robot cartesiani: noti anche come robot a portale, si spostano in linea retta grazie a tre giunti scorrevoli lungo gli assi X, Y e Z. Il loro design semplice consente un’elevata precisione, che li rende ideali per le attività di produzione e automazione.
• Robot articolati: questi robot a braccio snodato riproducono i movimenti di un braccio umano grazie a più giunti rotanti. Offrono flessibilità e un’ampia libertà di movimento e sono comunemente utilizzati per l’assemblaggio, la verniciatura e il confezionamento.
• Robot delta: dotati di tre bracci leggeri collegati a una base triangolare, sono progettati per garantire velocità e agilità. Sono particolarmente adatti alle operazioni di prelievo e posizionamento ad alta velocità, soprattutto nel settore del confezionamento.
• Robot polari: tra i primi tipi di robot industriali, utilizzano una combinazione di giunti rotanti e lineari per offrire un raggio di movimento sferico. Sono utili per le attività che richiedono un’ampia portata in più direzioni.
• Robot SCARA: acronimo di braccio robotico per assemblaggio a cedevolezza selettiva (SCARA), utilizzano due giunti rotanti e uno 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, diamo uno sguardo all’evoluzione dei robot nella produzione per capire meglio come la robotica industriale sia cambiata nel corso degli anni:

• Primi anni della produzione (prima dell’era della 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 manodopera.
• 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: fu il primo robot industriale a entrare in servizio. Questo segnò una svolta importante, automatizzando le attività pericolose e ripetitive, soprattutto nella produzione automobilistica.
• Espansione e perfezionamento (anni '90-2000): i robot diventarono più veloci, precisi e convenienti. Il loro utilizzo si estese a settori come l’elettronica, l’industria farmaceutica e la lavorazione degli alimenti. L’automazione flessibile permise ai robot di svolgere più attività con una riprogrammazione minima.
• Diffusione dei robot collaborativi (dal 2010 a oggi): i robot collaborativi, o cobot, sono stati introdotti per lavorare in sicurezza al fianco delle persone. Grazie a sensori integrati, all’AI e ai sistemi di telecamere, possono adattarsi all’ambiente circostante e assistere nelle attività complesse o delicate.

Fig. 1. Il robot Unimate di George Devol. (Fonte)

In 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 da vicino con le persone in modo dinamico e di supporto.

Esempi di robotica industriale#

Ora vediamo alcuni esempi reali di robot nella produzione e come vengono utilizzati in fabbrica.

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 oltre 60.000 rivetti. Tradizionalmente, il lavoro era svolto da due persone: una azionava la rivettatrice e l’altra teneva una barra d’acciaio dietro il pannello per fissare il rivetto.

Attività di questo tipo possono richiedere un notevole sforzo fisico e causare 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. Nel suo stabilimento per il 777 a Everett, nello stato di 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 praticare decine di migliaia di fori precisi per i rivetti. A differenza dei vecchi impianti con attrezzature fisse, i robot FAUB sono mobili e possono spostarsi lungo le linee di assemblaggio su veicoli guidati. Dopo che gli operai hanno posizionato i pannelli della fusoliera, i robot si occupano della foratura e della rivettatura, aumentando sia la velocità sia la precisione. Questo approccio è in linea con i recenti sviluppi del settore della robotica, che continua a puntare su soluzioni più intelligenti, sicure ed efficienti per la produzione.

Produzione alimentare resa possibile dai robot industriali#

I robot sono ampiamente utilizzati anche nella produzione alimentare. Per esempio, nello stabilimento Nestlé in Germania, la produzione di alimenti per neonati è gestita tramite una linea di confezionamento completamente automatizzata. I robot svolgono attività come trasferire i vassoi pieni e sigillati nelle casse per la sterilizzazione e, in seguito, nelle confezioni per la spedizione. Questo rende l’intero processo più rapido, sicuro e affidabile.

Nestlé utilizza anche robot mobili come Spot di Boston Dynamics per monitorare i problemi di manutenzione nei suoi stabilimenti. A differenza dei sensori fissi tradizionali, che possono rilevare problemi solo in aree specifiche, Spot può muoversi liberamente all’interno della fabbrica. Questa 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 gli consentono di controllare macchinari industriali, come motori e compressori, per rilevare calore, rumori o altri segnali di allarme. Spot può anche individuare facilmente i problemi in anticipo, consentendo di risolverli prima che diventino gravi.

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

Produzione automobilistica con l’aiuto dei robot industriali#

I robot industriali sono da sempre una componente fondamentale della produzione automobilistica. Infatti, negli Stati Uniti il 33% di tutte le installazioni di robot industriali riguarda il settore automobilistico.

Un esempio interessante risale al 2013, nello stabilimento BMW di Spartanburg. Qui, persone e robot lavoravano fianco a fianco sulla linea di assemblaggio delle portiere, senza barriere di sicurezza: fu il primo stabilimento BMW a utilizzare questo tipo di collaborazione diretta tra persone e robot nella produzione ordinaria.

Per installare l’isolamento acustico e antiumidità all’interno delle portiere dei modelli BMW X3 venivano impiegati quattro robot. Gli operatori posizionavano la pellicola adesiva e la premevano leggermente; poi intervenivano i robot, che completavano il lavoro con rulli ad alta precisione.

Il sistema era completamente automatizzato e poteva misurare con precisione la pressione applicata durante il processo, consentendo un monitoraggio costante della qualità. Se il lavoro del robot si fosse interrotto, un operatore avrebbe potuto intervenire facilmente e completare l’attività a mano, mantenendo la produzione in funzione senza ritardi.

Fig. 4. Robot al lavoro accanto agli operatori in uno stabilimento automobilistico. (Fonte)

Vantaggi della robotica nella produzione#

Vediamo più da vicino alcuni dei principali vantaggi dell’impiego di robot nella produzione.

• Precisione e accuratezza: i robot industriali garantiscono elevati livelli di precisione e velocità. Alcuni sono in grado di svolgere attività con una precisione di un micron.
• Affidabilità: con una durata che può arrivare a 100.000 ore senza guasti, i robot industriali possono funzionare a lungo senza interruzioni.
• Maggiore sicurezza sul lavoro: i robot svolgono 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 delle persone, i robot non hanno bisogno di pause, giorni liberi o riposo. Possono lavorare senza sosta, aumentando notevolmente la produttività.
• Convenienza economica: l’acquisto e l’installazione di questi robot possono essere inizialmente costosi, ma nel tempo generano risparmi significativi. Riducono i costi della manodopera, limitano i possibili errori e abbassano le spese legate agli infortuni.
• Scalabilità: una volta installati i robot, i produttori possono aumentare più facilmente la produzione senza assumere altro personale né apportare modifiche importanti. In questo modo possono rispondere rapidamente all’aumento della domanda e mantenere la flessibilità in un mercato in evoluzione.

Sfide e limiti della robotica nella produzione#

Sebbene i robot industriali offrano molti vantaggi, presentano anche alcune sfide, soprattutto in termini di competenze e manutenzione. Per programmare, utilizzare e mantenere i robot in fabbrica sono necessarie figure professionali qualificate.

Anche se oggi molti robot utilizzati nell’industria si avvalgono dell’intelligenza artificiale e del machine learning, hanno comunque bisogno di interventi di manutenzione regolari per evitare guasti. Se il team di produzione non possiede già queste competenze, formare il personale può essere costoso e richiedere molto tempo.

È interessante notare che anche l’AI per la visione, più precisamente la visione artificiale, può contribuire a risolvere queste sfide. La visione artificiale è 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 aiutare a individuare i problemi in anticipo (la cosiddetta manutenzione predittiva). Questo riduce la necessità di una supervisione specialistica e limita i guasti imprevisti.

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

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

Tecnologie di intelligenza artificiale e machine learning#

Parlando delle sfide legate all’uso dei robot industriali, abbiamo visto che molti funzionano già grazie all’AI e al 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 della linea di produzione. Questo li rende meno efficienti negli ambienti in cui flessibilità, velocità e precisione sono essenziali.

Senza AI, i robot non possono rilevare in tempo reale i difetti dei prodotti né adattarsi a piccole variazioni dei materiali o del posizionamento, con il rischio di rallentare i processi, aumentare gli errori e prolungare i tempi di inattività. L’AI nella produzione consente ai robot di andare oltre le semplici attività preprogrammate.

In particolare, grazie al machine learning applicato alla 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 oggetti diversi su una linea di assemblaggio, adattare i movimenti a ciò che vede e persino rilevare difetti o anomalie in tempo reale. La visione artificiale è la forza trainante di questa capacità.

In genere, un robot dotato di sistemi di visione dispone dell’infrastruttura hardware necessaria per eseguire modelli di visione artificiale come Ultralytics YOLO11. Integrando telecamere e visione artificiale, il robot acquisisce le capacità del modello utilizzato. Nel caso di YOLO11, ciò significa che il robot può svolgere attività di visione artificiale come il rilevamento, il tracciamento e la segmentazione degli oggetti.

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

Altri due concetti legati ai robot industriali sono l’IoT nella produzione e l’edge computing. L’IoT è una rete di dispositivi connessi che raccolgono e condividono dati, principalmente tramite Internet. L’edge computing, invece, elabora i dati direttamente alla fonte, per esempio su un robot o un sensore, senza doverli inviare prima 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, detti latenza, e rallentare le operazioni. Tuttavia, usando l’edge computing insieme all’IoT, i produttori possono elaborare i dati all’istante, ottenere risposte in tempo reale e potenziare l’automazione.

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

Per riuscirci, i dispositivi IIoT devono rimanere pienamente funzionali e affidabili. Combinando edge computing, AI e visione artificiale, questi dispositivi possono monitorare continuamente il proprio stato, rilevare quando è necessaria la manutenzione o la ricarica e attivare automaticamente le azioni necessarie. In questo modo le macchine funzionano senza intoppi, si riducono i tempi di inattività imprevisti e si migliora l’efficienza complessiva.

In che modo 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 possono collaborare per rendere più efficiente l’automazione della produzione.

L’obiettivo principale dell’automazione è semplificare 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 sistemi di visione possono occuparsi della delicata operazione di posizionare con precisione minuscoli componenti sulle schede elettroniche.

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

Grazie all’edge computing, il sistema può elaborare immediatamente questi dati e apportare modifiche sul momento, per esempio arrestando la linea o ricalibrando un robot, senza aspettare le risposte dal cloud. Insieme, queste tecnologie permettono alla produzione automatizzata di creare una linea di produzione più rapida, precisa e altamente adattabile, con prodotti di qualità superiore e costi operativi inferiori.

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

Il futuro dei robot industriali è in rapida evoluzione e tecnologie come l’AI per la visione nella produzione e l’IoT svolgono un ruolo importante. Grazie a questi strumenti, i robot possono vedere ciò su cui stanno lavorando, individuare i difetti, controllare la qualità dei prodotti e prevedere i problemi man mano che si presentano. Molti produttori utilizzano già questi sistemi per rendere le proprie attività più efficienti e uniformi.

Il mercato della robotica industriale è in costante crescita, grazie ai continui progressi nella robotica, alla maggiore disponibilità di ingegneri qualificati e all’impiego di simulazioni e test virtuali. Questi sviluppi consentono di progettare e mettere a punto più rapidamente robot destinati all’uso nel mondo reale. Con l’adozione di strumenti digitali e dell’automazione da parte di un numero crescente di fabbriche, la produzione diventa più flessibile, affidabile e pronta ad affrontare le sfide future.

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