Robotics

La robotica è il campo dell'ingegneria che progetta, costruisce e programma i robot: macchine che rilevano ciò che le circonda, decidono cosa fare e agiscono sul mondo fisico tramite motori e altri attuatori. Combina ingegneria meccanica ed elettrica, teoria del controllo e informatica. I robot industriali classici ripetono movimenti preprogrammati all'interno di celle recintate, mentre l'intelligenza artificiale (AI) consente ai modelli più recenti di affrontare le variazioni: individuare componenti che non si trovano mai esattamente nello stesso punto, aggirare le persone e apprendere abilità di manipolazione da dimostrazioni invece che da codice scritto a mano.

Come funziona un robot: rileva, pianifica, agisce#

La maggior parte del software per robot segue una struttura rileva-pianifica-agisce, eseguita continuamente:

• Rilevamento: Telecamere, sensori di profondità, lidar, unità di misura inerziale (IMU), encoder dei giunti e sensori di forza e coppia misurano il mondo e il robot stesso.
• Percezione: I modelli di visione artificiale trasformano le immagini grezze in oggetti, persone, superfici e distanze tramite rilevamento degli oggetti, segmentazione, stima della posa e stima della profondità.
• Stima dello stato e mappatura: La fusione dei sensori con filtri come il filtro di Kalman stima la posizione e il movimento del robot, mentre la SLAM visiva crea una mappa degli spazi sconosciuti e localizza il robot al loro interno.
• Pianificazione: I pianificatori di attività decidono cosa fare successivamente, mentre i pianificatori del movimento calcolano percorsi privi di collisioni per ruote o bracci.
• Controllo: I controllori di basso livello, dai loop PID al controllo predittivo basato su modello, azionano i motori per seguire il piano, spesso centinaia di volte al secondo.

Il middleware come ROS 2 (Robot Operating System) collega questi componenti in processi separati che si scambiano messaggi tramite topic denominati. Il ciclo si chiude perché ogni azione modifica ciò che i sensori rilevano in seguito:

La visione nel ciclo di controllo#

La percezione deve produrre risultati abbastanza rapidamente da consentire la pianificazione sul computer del robot, spesso un modulo GPU integrato come NVIDIA Jetson. La guida rapida ROS di Ultralytics esegue Ultralytics YOLO26 come nodo ROS che sottoscrive un topic della telecamera e pubblica rilevamenti e segmentazioni annotati, nomi delle classi rilevate e distanze degli oggetti ricavate dalle immagini di profondità, a disposizione degli altri nodi. Lo stesso passaggio dalla percezione all'azione richiede poche righe di Python; in questo esempio, un robot mobile si ferma non appena appare una persona nel flusso della telecamera:

from ultralytics import YOLO

model = YOLO("yolo26n.pt")
video = "https://github.com/ultralytics/assets/releases/download/v0.0.0/decelera_portrait_min.mov"

# Sense-act loop: read frames as they arrive and stop as soon as a person is detected
for frame_idx, result in enumerate(model.predict(video, stream=True, classes=[0])):
    if len(result.boxes) > 0:
        print(f"Person detected in frame {frame_idx}: sending stop command")
        break

Con stream=True, il modello produce un risultato per fotogramma man mano che viene letto il video, secondo lo stesso schema usato con un indice di telecamera live come source=0.

Robotica basata sull'apprendimento#

La percezione appresa è ormai uno standard e l'apprendimento si estende sempre più anche alla pianificazione e al controllo:

• Apprendimento per imitazione: I robot apprendono da dimostrazioni teleoperate tramite il clonaggio comportamentale. Tecniche come il raggruppamento delle azioni e le politiche di diffusione hanno reso questo approccio pratico per la manipolazione di precisione, ad esempio piegare il bucato o inserire connettori.
• Apprendimento per rinforzo in simulazione: Le politiche addestrate con l'apprendimento per rinforzo attraverso milioni di prove simulate vengono trasferite all'hardware reale con l'aiuto della randomizzazione del dominio, che varia la fisica e l'aspetto, facendo apparire il mondo reale come un'ulteriore variazione. I controllori per la camminata e la corsa agili di quadrupedi e umanoidi vengono comunemente addestrati in questo modo.
• Modelli di base per la robotica: I modelli visione-linguaggio-azione trasformano le immagini delle telecamere e un'istruzione in linguaggio naturale direttamente in comandi per i motori. Tra gli esempi figurano π0 di Physical Intelligence, Gemini Robotics di Google DeepMind e i modelli aperti Isaac GR00T di NVIDIA per gli umanoidi. I dati di addestramento vengono raccolti da più robot, come nel dataset Open X-Embodiment, che contiene oltre un milione di traiettorie di 22 tipi di robot.

Questi metodi vengono spesso raggruppati sotto i termini AI incarnata e AI fisica, i campi di ricerca sull'AI che studiano gli agenti capaci di percepire e agire attraverso un corpo.

Robotica e automazione robotica dei processi#

L'automazione robotica dei processi (RPA) condivide il termine, ma non implica alcun hardware: i "bot" RPA sono software che automatizzano attività digitali ripetitive, come copiare dati tra applicazioni aziendali o elaborare fatture. La robotica comporta sempre una macchina fisica, come il quadrupede Spot di Boston Dynamics, che attraversa un cantiere per acquisire immagini di ispezione.

Applicazioni#

• Produzione: I bracci articolati saldano, verniciano e assemblano, mentre i robot collaborativi (cobot) lavorano accanto alle persone a velocità e forze inferiori. La visione guida il prelievo dei componenti dai contenitori e controlla che non presentino difetti.
• Logistica: I robot mobili autonomi (AMR) si orientano nei magazzini usando mappe e sistemi di percezione a bordo, ricalcolando il percorso per aggirare gli ostacoli; i più datati veicoli a guida automatica (AGV) seguivano invece percorsi fissi tracciati con nastro o filo.
• Agricoltura: I robot eliminano le erbacce, diradano le colture e raccolgono i prodotti, usando la visione per distinguere le piante.
• Sanità: I sistemi chirurgici teleoperati trasformano i movimenti della mano del chirurgo in movimenti precisi degli strumenti e i robot mobili consegnano materiali negli ospedali.
• Trasporti: I veicoli autonomi e i droni sono robot mobili che eseguono lo stesso ciclo rileva-pianifica-agisce a velocità più elevate.

Secondo la Federazione internazionale di robotica, nel 2024 sono stati installati 542.000 robot industriali in tutto il mondo, il 54% dei quali in Cina, portando il numero di robot in funzione a circa 4,66 milioni.