Robot collaborativi (cobot), cosa sono, come sono fatti

La collaborazione uomo-robot è destinata a imporsi sempre più in futuro, dato che i robot collaborativi (i.e. cobot) permettono ai dipendenti di evitare di svolgere compiti particolarmente faticosi, pericolosi o monotoni e, al contempo, consentono loro maggiore libertà e svolgere attività di maggior valore, rendendo il lavoro più snello e sicuro. Un trend confermato anche dal Rapporto della società di ricerca inglese IDTEchEx e pubblicata a settembre 2022.

Fonte immagine: www.idtechex.com

Cosa sono i robot collaborativi o cobot

Molte aziende stanno cercando di “orchestrare” un ambiente in cui i robot assistono i lavoratori. Questi robot, noti anche come robot collaborativi o cobot, sono una categoria emergente che ha guadagnato “terreno” significativo negli ultimi dieci anni. Fino a tempi relativamente recenti, infatti, i robot industriali convenzionali e gli esseri umani tendevano a mantenere una distanza di sicurezza all’interno degli ambienti di fabbrica. Essi erano confinati in celle dedicate o posizionati dietro recinzioni di sicurezza reali o virtuali. I cobot, invece, possono lavorare fianco a fianco con gli operatori umani senza una separazione fisica, occupando così meno spazio. Inoltre, essi hanno costi vantaggiosi, sono tecnologicamente avanzati e quindi più facili da programmare e usare. Di fatto, la possibilità che hanno di lavorare a fianco degli umani nella stessa area offre possibilità nuove e un ventaglio più ampio di possibili applicazioni. I cobot possono, infatti, essere inseriti nelle linee preesistenti senza modifiche radicali (a differenza dei robot in gabbia che sono più veloci e produttivi ma, di fatto, più invasivi).

La macchina non sostituisce l’uomo ma vi si affianca

Ne consegue che i robot collaborativipossono essere soluzioni ideali per le PMI grazie ai loro bassi costi, ingombro ridotto, facilità d’uso, flessibilità e basso consumo energetico. Si tratta di “macchine” che non stanno sostituendo gli esseri umani, bensì completano le loro capacità e svolgono i compiti faticosi o pericolosi, permettendo ai lavoratori di concentrarsi maggiormente su attività che richiedono destrezza manuale e ingegno umano, in sicurezza.

Così facendo è possibile ottenere una riduzione degli infortuni e una diminuzione dell’assenteismo del personale dato che i cobot sono dotati di una tecnologia di sensori avanzata che consente loro di interagire in sicurezza con gli esseri umani. Questi sensori, oltre a monitorare la posizione e la velocità del cobot lo arrestano e lo ritraggono in caso di contatto con un essere umano e ulteriori caratteristiche di sicurezza impediscono al cobot di intrappolare parti del corpo come arti e dita.

Siamo dinanzi a un nuovo mondo di possibilità per un lavoro più efficiente e flessibile su attività che generano valore. Vere e proprie “leve strategiche” di lavoro che permettono all’uomo – che deve rimanere sempre al centro dell’attenzione – di vivere e di lavorare meglio e, in quest’ottica, sono da considerare come una tecnologia evolutiva al servizio degli esseri umani.

Attualmente, il numero dei robot collaborativi è molto inferiore a quella dei robot, nonostante rappresentino uno dei grandi fattori di crescita della robotica.

Dove vengono utilizzati i cobot e fasi di implementazione

I robot collaborativi possono essere utilizzati per varie attività, tra cui l’imballaggio, la pallettizzazione, l’asservimento macchine e l’ispezione della qualità in diversi settori come la produzione automobilistica, quella alimentare e delle bevande, l’elettronica, l’ospitalità e la sanità.

I cobot possono ridurre gli errori di produzione soprattutto nei processi che richiedono un elevato grado di precisione. Inoltre, essi tendono ad essere più compatti e leggeri rispetto ai modelli di robot convenzionali e possono essere integrati con strumenti diversi per compiti diversi, rendendoli più adattabili sul posto di lavoro.

È doveroso sottolineare che le soluzioni di automazione nelle versioni precedenti richiedevano ingegneri o programmatori esperti per stabilire le operazioni, mentre i robot collaborativi più recenti sono più facili da usare e i lavoratori in prima linea possono imparare a programmarli con moduli di formazione online.

Solitamente l’implementazione dei robot collaborativi prevede tre fasi e, precisamente:

• Progettazione – La fase di progettazione consiste nel tradurre un’attività manuale in un’attività robotica. I principali attori in questa parte sono i fornitori di bracci robotici come Universal Robots, ABB, Fanuc, KUKA, YASKAWA e molti altri.
• Integrazione – In questa fase un integratore di sistemi provvede a installare, programmare il robot e renderlo adatto alle applicazioni di destinazione. La facilità di programmazione è determinante, essendo la parte più critica e dispendiosa, in quanto è il momento in cui una macchina o un processo viene fermato per introdurre il robot. Secondo quanto scaturisce dal report della società inglese di ricerca IDTechEx, la scelta dei marchi di end-effector è essenzialmente determinata dalle applicazioni e dai portafogli dei fornitori. Ad oggi, l’integrazione risulta essere un compito ancora difficile per un certo numero di PMI in quanto i requisiti di progettazione/integrazione variavano a seconda del contesto e molte PMI non hanno ancora una sufficiente esperienza nell’integrazione dei robot nelle loro linee di produzione. Pertanto, la proposta di valore unica di un integratore è quella di personalizzare i robot collaborativi standard realizzati dai fornitori di bracci robotici e integrarli nei sistemi dei loro clienti (utenti finali).
• Operation – La fase operativa si riferisce all’ambiente dove il cobot lavora autonomamente ed esegue i compiti per cui è stato programmato. Di fatto si tratta, attraverso il cobot, di fornire un prodotto di alta qualità, in grado di aumentare la capacità produttiva, quale calibrata sintesi tra produttività e sicurezza. È doveroso notare che la produttività è solitamente inversamente proporzionale alla sicurezza poiché più diventa sicura, più lentamente si muovono i robot collaborativi, il che porta a una minore produttività. Ne consegue che l’operazione è solitamente decisa dagli utenti finali stessi che possono modificare la velocità operativa predefinita secondo le loro esigenze, assumendosi, ovviamente, le responsabilità delle scelte.

Previsioni e trend futuri 2023-2043 IDTechEx Report

L’ultimo rapporto della società inglese di ricerche IDTechEx “Collaborative Robots (Cobots) 2023-2043: Technologies, Players and Markets” approfondisce le applicazioni e le attività sopra menzionate attraverso un’analisi approfondita delle principali tecnologie, degli attori e dei mercati abilitanti, fornendo previsioni granulari per i prossimi 20 anni.

Dal report si evince che il costo dei robot collaborativi è variabile a seconda dell’azienda produttrice ed in base al grado di specializzazione delle attività svolte. Pertanto, esso varia in un range compreso tra meno di 20.000 dollari e più di 35.000 dollari come si può evincere dalla figura sotto riportata.

Fonte Immagine: IDTechEx report – Analisi granulare dei cobot disponibili in commercio

Cobot nel settore automobilistico

I cobot vengono utilizzati largamente per attività quali l’assemblaggio di automobili e la lucidatura delle superfici. Ebbene, le grandi case automobilistiche spesso si trovano a gestire problematiche derivate dal non corretto funzionamento dei robot industriali che impattano sull’intera linea di produzione fino a comportarne la chiusura per garantire la sicurezza degli operatori umani durante l’ispezione, con conseguente ingente costo dell’inattività.

Attualmente alcune grandi case automobilistiche (i.e. Audi, Volkswagen, ecc.) stanno realizzando vere e proprie “fabbriche intelligenti” in modo da migliorare la flessibilità della loro produzione e garantire una migliore interazione uomo-robot. Secondo IDTechEx i cobot, grazie alla loro flessibilità, saranno sempre più impiegati nel settore automobilistico e, nei prossimi due devenni, si assisterà a un a tasso medio annuo di crescita composto (CAGR – Compound annual growth rate) del 27,2% .

Cobot nell’industria alimentare e delle bevande

La moderna industria alimentare sta passando alla produzione HMLV – High-Mix Low-Volume che richiede una maggiore flessibilità produttiva. La produzione HMLV – nota anche come produzione make-to-order – si caratterizza per il processo di produzione di un’elevata varietà di prodotti in piccole quantità. Inoltre, il crescente mix di prodotti alimentari porta anche a un’impennata della domanda di imballaggi. È doveroso ricordare che, ad oggi, il confezionamento viene in gran parte ancora eseguito manualmente, ma, a causa del COVID, della chiusura di molte frontiere, della carenza di manodopera e di materie prime, molti fornitori di prodotti alimentari hanno iniziato a prendere in considerazione l’automazione del processo di confezionamento alimentare adottando i robot collaborativi, dato che l’imballaggio richiede robot con un basso carico utile e un’elevata flessibilità.

Sebbene l’industria alimentare e delle bevande non sia stata finora l’industria target principale per i robot collaborativi, dal report di IDTechEx si evince che molti produttori di robot collaborativi stanno attuando una strategia a lungo temine e a compiere sforzi crescenti per penetrare il settore dell’industria alimentare e delle bevande.

Cobot nell’industria elettronica

Quest’ultima è un’applicazione emergente per i cobot che vengono soprattutto impiegati per l’attività d’ispezione della qualità dell’elettronica (i.e. l’ispezione dei chip del telefono e dei Printed Circuit Board- PCB e del processore del PC). Nonostante si ritenga che la produzione annuale di smartphone e PC rimarrà stabile o diminuirà leggermente nei prossimi due decenni, dal report si evince che la domanda globale di PCB continuerà ad aumentare a causa della crescente domanda di altri dispositivi elettronici. È doveroso evidenziare che l’utilizzo di robot collaborativi per l’ispezione elettronica vs. l’ispezione manuale, potrebbe aumentare significativamente l’efficienza e la precisione, riducendo al minimo i potenziali errori umani. Pertanto, nonostante una naturale crescita, si ritiene che l’aumento dell’adozione di cobot in questo settore non sarà così veloce come nelle aree di applicazione sopra menzionate.

Cobot nel settore sanitario

Il settore sanitario è un mercato emergente per i robot collaborativi e si sta assistendo ad un aumento degli investimenti. Essi possono essere impiegati con successo negli interventi chirurgici, permettendo ai chirurghi di operare a distanza. Inoltre, i cobot mobili possono anche essere ampiamente utilizzati nelle case di cura per supportare gli operatori sanitari.

Tecnologie emergenti – sensori

I sensori sono una delle tecnologie abilitanti più importanti per i robot collaborativi, soprattutto per quelli utilizzati per la sicurezza, ovvero: i sensori di coppia, in cui un intervallo di valori del sensore è preimpostato e, se per esempio si verifica una collisione, i valori rilevano un superamento dell’intervallo che comporta l’arresto di emergenza del robot.

Inoltre, recentemente, sono stati sviluppare alcune serie di sensori emergenti di tipo tattile o di prossimità per fornire maggiore sicurezza, anche se non sono stati ancora ampiamente adottati sul mercato.

Tecnologie emergenti – end-effector

Gli end-effector o end-of-the-arm-tooling, sono progettati per consentire ai robot di interagire in base ai compiti assegnati. Di fatto, gli end-effector possono essere classificati come componenti meccanici o elettromeccanici quali: pinze a vuoto, pinze meccaniche, pinze pneumatiche e pinze magnetiche oltre a strumenti di processo e sensori.

È doveroso evidenziare che l’alto costo degli end-effector e di altri accessori è un ostacolo alla loro maggiore diffusione in quanto, sebbene i cobot costino in genere meno dei robot industriali tradizionali, hanno bisogno di diversi tipi di end-effector per eseguire vare attività. Inoltre, l’integrazione dei cobot nelle linee di produzione risulta ancora difficile per molte aziende che hanno un’esperienza limitata nell’adozione dell’automazione e necessitano, quindi, della consulenza di integratori di robot il che porta inevitabilmente ad un aumento dei costi di investimento.

Alcuni dei benefici vs. l’impiego dei cobot

• Miglioramento della forza lavoro – I cobot automatizzano i processi ripetitivi mantenendo un alto livello di qualità in modo tale da assegnare agli esseri umani altri lavori di più alto valore aggiunto. Inoltre, automatizzando le attività altamente ripetitive, essi lasciano ai lavoratori più tempo per pensare in modo critico, innovare e utilizzare meglio le risorse esistenti. Ne consegue che si ottengono prestazioni migliori e livelli più elevati di soddisfazione e fidelizzazione da parte dei lavoratori.
• Rapido ritorno sull’investimento (ROI) per determinate attività – L’implementazione dei cobot richiede una programmazione meno specializzata e minor impegno in termini di codifica o di investimenti di capitale rispetto ai robot industriali tradizionali, garantendo un periodo di ammortamento più breve e un ROI più elevato. Inoltre, l’interazione uomo-robot consente di calibrare vari livelli di automazione e di intervento umano. Ovvero, le attività possono essere parzialmente automatizzate se una soluzione completamente automatizzata risulta poco economica o troppo complessa, consentendo una maggiore flessibilità…
• Maggiore sicurezza – Come abbiamo prima accennato, l’impiego dei cobot riduce gli incidenti egli infortuni, offrendo protezione in applicazioni irraggiungibili dai robot tradizionali e dalle attrezzature di produzione.
• Ideale per il cosiddetto lavoro step-by-step – L’impiego dei cobot è particolarmente vantaggioso quando un gran numero di fasi di lavoro vengono eseguite alternativamente, in parte da persone ed in parte da macchine.

Progetto EU – HORSE

A partire dal 2019 l’Unione Europea ha avviato diversi progetti di fabbrica intelligente. In particolare, il progetto HORSE ha lanciato una “call” per la creazione di sistemi di robotica integrata intelligente per le PMI controllate da Internet of Things e basato su processi di produzione dinamici: un tentativo di collaborazione tra vari attori istituzionali, decision maker e mercato per avviare un momento di ricerca & sviluppo pubblico/privato e creare casi pilota di successo che possano fungere da volano al processo di innovazione in atto.

A tale “call” hanno partecipato in modo congiunto l’Università di Modena, l’Università di Lugano Supsi – Dipartimento di Tecnologie Innovative, Holonix (azienda italiana produttrice di tecnologie e prodotti software Internet of Things & Augmented Intelligence) e Ghepi srl (azienda italiana che opera nel settore delle materie plastiche con particolare attenzione alla tecnologia dello stampaggio ad iniezione).

Nell’azienda Ghepi srl è stato avviato un progetto sfidante che si prefigge di fornire soluzioni di robotica collaborativa soprattutto per la fase di stampaggio ad iniezione dei componenti con magneti. Il progetto nonostante fosse già completamente automatizzato, richiedeva, comunque, una lavorazione a bordo macchina per la fase di finitura. È doveroso evidenziare che il ritmo di produzione era dettato dal tempo ciclo della pressa di formatura (45 secondi), costringendo l’operatore a lavorare a determinati ritmi molto veloce, con conseguenti effetti sulla domanda cognitiva e sulla qualità del prodotto.

Inoltre, il lavoratore era responsabile di due compiti rilevanti, ovvero: l’inserimento dei magneti e il controllo della qualità. Per questo motivo lo stress fisico e mentale del lavoratore aveva un impatto rilevante sulle prestazioni del processo produttivo e sulla qualità del prodotto.

Di fatto il progetto si prefiggeva di:

• Migliorare la soddisfazione sul lavoro istituendo un sistema che monitorasse continuamente le condizioni di lavoro degli operatori e promuovesse azioni di miglioramento che affrontino elevati oneri fisici o cognitivi e riducano le situazioni di rischio.
• Ridurre la comparsa di condizioni di stress mentale uniformando i picchi della domanda cognitiva attraverso l’effetto combinato dell’adattamento del sistema produttivo alle caratteristiche statiche e dinamiche degli operatori e del supporto del cobot nell’esecuzione dei compiti.
• Migliorare la qualità e la sostenibilità economica del processo attraverso l’effetto combinato di supporto all’automazione e interventi organizzativi.

Sistema Complemant

Grazie al progetto si è studiato e sviluppato il sistema Complemant per supportare il processo di finitura di componenti in plastica assegnato all’operatore umano.

L’utilizzo del cobot introdotto dall’esperimento Complemant è propedeutico a supportare l’operatore nei diversi compiti del processo. Di fatto, l’introduzione del cobot garantisce un incremento sia dell’efficienza sia della qualità, oltre che un miglioramento di benessere per l’operatore.

Grazie al sistema Complemant è possibile, dunque, monitorare continuamente i parametri sia fisiologici sia psicologici del lavoratore e integrarli con le informazioni di contesto in modo tale da rilevare disallineamenti potenzialmente ascrivibili a elevate esigenze cognitive o fisiche e che possono portare a una riduzione del benessere e della sicurezza dei lavoratori e/o delle prestazioni del sistema.

COMPLEMANT experiment: an effective implementation of the HORSE Human-Cobot collaboration

Guarda questo video su YouTube

Video: Progetto Complemant

Inoltre, diverse configurazioni del sistema di produzione – caratterizzate dall’assegnazione variabile dei compiti di processo all’operatore e al cobot, i.e. il cosiddetto approccio step-by-step – consentono di effettuare interventi in tempo reale ogni volta che il comportamento dell’operatore e del sistema si discosta da prestazioni ottimali e sicure. Un vero e proprio “continuum” tra le capacità del cobot e quelle possedute dal lavoratore per far fronte da un lato alle caratteristiche specifiche del lavoratore – in termini di abilità, capacità fisiche e intellettive, stress mentale, perdita di attenzione e affaticamento – e dall’altro lato al sistema condizioni che si sta sperimentando.

Iniziativa EU – KITT4SME

Il progetto sopra descritto è stato propedeutico alla partecipazione di un’ulteriore iniziativa europea denominata Kitt4sme (KIT di intelligenza artificiale abilitati alla piattaforma per una facile adozione da parte delle PMI) da parte dell’Università di Lugano Supsi – Dipartimento di Tecnologie Innovative e dell’azienda italiana Ghepi Srl.

Tale iniziativa si rivolge specificamente alle PMI e alle società a media capitalizzazione europee che non dispongono né delle risorse dedicate né delle competenze necessarie specifiche in AI per poter sviluppare internamente delle soluzioni concrete. Attualmente sono molte le PMI che non dispongono delle conoscenze di base per scegliere tra le proposte disponibili sul mercato quelle più idonee alle proprie esigenze e, grazie a questa iniziativa, sarà possibile fornire loro hardware, software e kit organizzativi su misura e pronti per il settore, attraverso una piattaforma digitale modulare personalizzabile per introdurre – senza problemi – l’intelligenza artificiale nei sistemi di produzione.

In particolare, KITT4SME si prefigge di:

• Definire una pianificazione e una metodologia concordate, che aiuti ogni pilota nella preparazione delle risorse umane e fisiche da impegnare per la validazione, nell’identificazione e nella misurazione dei KPI, nell’esecuzione degli esperimenti e nell’estrazione di risultati preziosi.
• Eseguire esercizi di validazione precoce, su prototipi preliminari delle soluzioni e valutarne l’usabilità.
• Eseguire la convalida in 4 diversi piloti e per ciascuno di ottenere risultati specifici, feedback per migliorare gli strumenti valutati, identificare punti di forza e di debolezza.
• Astrarre i risultati e creare lezioni apprese che verranno utilizzate per migliorare l’offerta della piattaforma.

L’Iniziativa KITT4SME supporta e accompagna le PMI nella diagnosi delle problematiche nascoste che sottendono il processo di automazione con il cobot e che ostacolano il raggiungimento delle prestazioni del sistema desiderate.

Partendo dai risultati di questo processo di formalizzazione, le aziende accedono al configuratore di piattaforma che consente loro di “comporre” gli elementi di piattaforma modulari e pronti per l’assemblaggio disponibili sul mercato per modellare un kit digitale basato su AI su misura per le loro esigenze specifiche.

Dopo aver implementato e attivato la piattaforma digitale personalizzata inizia la fase di monitoraggio “sense” per rilevare in tempo reale l’insorgere di problemi di qualità, prestazioni e influenza umana e di qualsiasi conseguente comportamento del sistema produttivo vs. quello progettato.

Grazie all’impiego dell’AI vengono identificate le dipendenze nascoste tra i parametri osservati e gli effetti indesiderati del sistema e, conseguentemente la fase “intervenire” per ripristinare il comportamento del sistema progettato, applicando riconfigurazioni di singoli elementi o intere linee volte a risolvere o mitigare i problemi riscontrati.

Fonte immagine : https://kitt4sme.eu/objetives/

Esempio: progetto Pilota Kitt4SME- Settore stampaggio a iniezione

Questo progetto pilota vede coinvolti i seguenti attori:

• Azienda: Ghepi Srl (Italia)
• Allenatore: CRIT (Italia)
• Fornitori di tecnologia: HOL (IT) e SUPSI – Dipartimento di Tecnologie Innovative (Svizzera)

Il mercato è molto ampio e comprende prodotti finiti, semilavorati e componenti, cosmetici o tecnici, per le più svariate applicazioni. La dimostrazione pilota ha come obiettivo una cella di lavoro dotata di una pressa per stampaggio a iniezione da 500 tonnellate, per produrre componenti in plastica pesante, attraverso un processo di produzione in più fasi che coinvolge due operatori.

Attualmente la cella di lavoro non adotta alcun sistema di automazione, come i robot, lasciando agli operatori umani lo sforzo di movimentare oggetti molto pesanti e di gestire il complesso processo produttivo.

KITT4SME introduce variazioni di lavoro estrinseche e intrinseche nella cella di lavoro assegnando dinamicamente compiti a operatori, cobot o robot cartesiani specificamente installati nella cella di lavoro aggiornata di KITT4SME.

Ovvero, si tratta di applicare l’AI in azienda al fine di conseguire il miglioramento della qualità dei sistemi produttivi, la semplificazione dell’interazione fra uomo e macchine e la facilitazione della riconfigurazione dei sistemi produttivi, fondamentale per le Pmi che spesso lavorano su piccoli lotti con cambi molto frequenti di tipologia produttiva.

Grazie alla piattaforma KITT4SME gli utenti/aziende potranno attingere a soluzioni commisurate alle loro esigenze. Ovvero: non più mega pacchetti estremamente complessi e molto costosi, ma applicazioni customizzate, focalizzate sugli specifici problemi con cui la singola azienda si confronta realmente.

Conclusioni 

I decision maker a livello aziendale sono sempre più coinvolti nella trasformazione digitale del business e sono chiamati a identificare gli investimenti necessari in termini di nuove tecnologie digitali basate sull’AI come i cobot. Pertanto, le organizzazioni dovranno considerare attentamente le sfide che le tecnologie comportano e garantire un flusso di lavoro olistico considerando che l’innovazione deve essere armonica, ovvero una calibrata sintesi di tecnologia e uomo, come i cobot, che rappresentano una soluzione di automazione industriale estremamente innovativa che si caratterizza per una notevole flessibilità operativa.