Robotica: la collaborazione uomo-macchina per creare nuovo valore
Fabbriche con macchine connesse in grado di modificare i modelli produttivi tradizionali dell’industria manifatturiera.
È il paradigma dell’Industria 4.0 in cui i robot diventano collaborativi condividendo lo spazio di lavoro con l’uomo.
di Paolo Rocco, Andrea Maria Zanchettin
Internet of Things, Industria 4.0, Fabbrica intelligente, Sistemi cyber-fisici: sono tutti elementi di una rivoluzione che sta pian piano modificando i tradizionali modelli produttivi dell’industria manifatturiera. Pensiamo a fabbriche in cui tutte le macchine sono connesse in rete, dialogano tra loro, con i livelli più alti della gestione della produzione e con il magazzino. Macchine che sono anche in grado di autodiagnosticarsi perché dialogano a loro volta con i propri componenti e di prevedere in anticipo la propria manutenzione. E soprattutto macchine in grado di adattarsi rapidamente a nuove esigenze della produzione, elementi essenziali di fabbriche veloci e flessibili. Lontane dalla fabbrica dell’industria tradizionale, caratterizzata da grandi lotti di produzione con poche varianti di prodotto.
In questo scenario in rapida evoluzione, i robot industriali sono gli strumenti che meglio si integrano nei sistemi di automazione flessibili, quelli cioè in grado di adattarsi rapidamente alle mutevoli esigenze della produzione. In virtù del loro progetto meccanico e della loro programmabilità, i robot industriali sono infatti particolarmente versatili e adatti allo svolgimento di grandi varietà di compiti. Tutti gli studi del settore concordano nell’individuare nel robot un componente chiave di Industria 4.0, ovvero della fabbrica intelligente del futuro. Ma i robot che vedremo nella fabbrica del futuro saranno gli stessi che siamo abituati a vedere nelle attuali linee di produzione automatizzate? Sta cambiando qualcosa anche nella robotica, sia come disponibilità di prodotti sul mercato sia come tipologia di utilizzo? In queste note cercheremo di delineare i connotati di una piccola rivoluzione in atto in seno alla quarta rivoluzione industriale: la rivoluzione che vede i robot collaborare con l’uomo.
Uno sguardo al quadro economico
È utile cominciare cercando di mettere a fuoco lo stato del mercato attuale della robotica industriale e i trend economici in atto.
Dai dati recentemente pubblicati dall’International Federation of Robotics, maggiore organizzazione internazionale di settore, emerge un quadro economico della robotica industriale estremamente dinamico e in forte crescita. Nel 2014 sono stati infatti venduti circa 229mila robot industriali nel mondo, con una crescita del 29% rispetto all’anno precedente, di gran lunga l’incremento percentuale più elevato mai registrato. Il valore del mercato mondiale della robotica, in termini di puro costo dei robot, è stimato intorno ai 10,7 miliardi di dollari, ma tenendo conto anche dei costi associati a softwaindustriare, periferiche e ingegnerizzazione dell’applicazione robotica, il valore sale a circa 32 miliardi di dollari. Come prevedibile, l’industria che fa maggior uso dei robot industriali è quella automobilistica, seguita dall’industria elettrica ed elettronica.
In termini di aree geografiche, in Europa sono stati venduti 45.600 robot nel 2014 mentre in Italia (secondo mercato europeo, settimo mondiale) 6.200, con una notevolissima crescita del 32% rispetto all’anno precedente. È del resto noto che in ambito manifatturiero l’Italia in Europa è seconda solo alla Germania, ma con un trend di crescita migliore. Una situazione che va di pari passo con la crescita del mercato dell’automazione (i dati provvisori di ANIE Automazione per il 2015 parlano di una crescita di fatturato del 7%).
È tuttavia in Asia che nel 2014 si sono registrati i tassi di crescita nella vendita di robot industriali più impetuosi, con un incremento pari al 41% rispetto all’anno precedente. In particolare il mercato della robotica industriale sta esplodendo in Cina dove si registrano tassi di crescita impressionanti: +56% di vendite rispetto al 2013, con una crescita del 78% del fatturato delle aziende cinesi produttrici di robot e del 49% dell’export delle altre aziende verso la Cina.
Per valutare il potenziale futuro di installazione dei robot industriali nelle varie aree geografiche, gli analisti dell’International Federation of Robotics fanno uso di un indicatore denominato “densità di robot”. Si tratta del numero di robot industriali installati nell’industria manifatturiera ogni 10mila lavoratori. Il valore medio di questo indicatore è 66, ma, sebbene ci siano mercati fortemente automatizzati dove la densità di robot è elevata (478 in Corea del Sud, 314 in Giappone, 292 in Germania), ve ne sono altri incui l’indicatore assume ancora valori molto bassi. In particolare la Cina ha una densità di robot di sole 36 unità, il che rivela un potenziale enorme di installazione di robot in questo mercato. Per il futuro gli analisti prevedono una crescita del mercato globale della robotica industriale a doppia cifra (almeno 15% per il 2015 e per il triennio a seguire).
Arrivano i robot collaborativi
Se fino al recente passato il paradigma universalmente adottato per la robotica industriale prevedeva la rigida segregazione dei robot in ambienti protetti per mezzo di infrastrutture fisiche (cancellate o barriere ottiche), oggi emerge con sempre maggiore forza la consapevolezza dei vantaggi che si possono ottenere da una collaborazione diretta tra uomo e robot. Vi sono infatti operazioni troppo complesse per poter essere eseguite dal robot e viceversa operazioni ripetitive in cui la precisione e l’affidabilità del robot non possono essere eguagliate dall’uomo. Avere quindi la possibilità di condividere gli spazi tra uomo e robot, e in una certa misura anche di farli collaborare nell’esecuzione di sequenze di operazioni, è considerato uno degli obiettivi più importanti della fabbrica del futuro. Facendo riferimento a tipiche operazioni di assemblaggio di parti, la robotica collaborativa si colloca in una fascia intermedia tra assemblaggi completamente automatizzati, tipici degli scenari di produzione con grandi lotti e piccole varianti, e gli assemblaggi completamente manuali, tipici degli scenari con piccoli lotti di produzione ed elevato numero di varianti.
Enunciato il principio della robotica collaborativa, si tratta di capire quali siano le tecnologie abilitanti per la realizzazione di questi nuovi scenari. Anzitutto i robot collaborativi di nuova generazione (si veda per esempio il robot LBR iiwa di KUKA) sono più leggeri, privi di spigoli, talvolta coperti da imbottiture che attutiscono gli effetti di eventuali impatti. I robot sono anche più sensorizzati che in passato: possono riconoscere la presenza di ostacoli e interrompere l’operazione in corso in caso di pericolo di collisione, oppure fermarsi in caso di avvenuta collisione, per evitare lo schiacciamento della parte in contatto. Molti di questi robot sono anche dotati della cosiddetta ridondanza cinematica, ossia hanno un numero di giunti (articolazioni) superiore a quello strettamente necessario, un po’ come avviene per il braccio umano. Questo conferisce maggiore naturalezza ai movimenti del braccio e può consentire di eseguire certe operazioni incrementando ulteriormente la sicurezza. Inoltre diversi robot industriali di nuova generazione hanno una configurazione a due braccia (si veda per esempio lo YuMi, recentemente messo sul mercato da ABB). La capacità di questi nuovi manipolatori di eseguire con destrezza operazioni bimanuali apre la strada a innumerevoli nuove applicazioni, in particolare nell’assemblaggio di componenti elettronici.
Si tenga presente che i robot di nuova generazione sono anche più facilmente programmabili, addirittura mediante interazione fisica con l’operatore che guida manualmente il braccio robotico, insegnandogli a compiere determinate operazioni, allo stesso modo con cui lo si farebbe con un bambino. Esempi interessanti di queste modalità di programmazione sono dati dai robot della danese Universal Robots e dell’americana Rethink Robotics.
È opinione comune che tra i driver della crescita a doppia cifra della robotica industriale prevista nei prossimi anni, la collaborazione uomo-robot svolgerà un ruolo di primo piano. Oggi è difficile quantificare il mercato della robotica collaborativa (qualcuno parla ancora solo di qualche punto percentuale del complessivo mercato della robotica industriale). Gli investimenti di ricerca e sviluppo dispiegati dai maggiori player internazionali della robotica industriale, diversi dei quali hanno già sul mercato robot industriali certificati per l’uso in applicazioni di robotica collaborativa, fanno tuttavia ritenere che il mercato sia destinato a crescere più che proporzionalmente rispetto al mercato complessivo della robotica industriale. Il passaggio da un modello di produzione di massa a un modello di “personalizzazione di massa”, con elevati numeri di varianti e ridotto ciclo di vita dei prodotti, comporta delle significative sfide all’industria manifatturiera, che se oggi sono affrontate principalmente con la produzione manuale (in particolare in Asia), necessariamente evolveranno verso una produzione collaborativa tra uomo e robot.
Per leggere l’articolo completo (totale battute: 26000 circa – acquista la versione .pdf scrivendo a daniela.bobbiese@este.it (tel. 02.91434419)
Uno sguardo al quadro economico
È utile cominciare cercando di mettere a fuoco lo stato del mercato attuale della robotica industriale e i trend economici in atto.
Dai dati recentemente pubblicati dall’International Federation of Robotics, maggiore organizzazione internazionale di settore, emerge un quadro economico della robotica industriale estremamente dinamico e in forte crescita. Nel 2014 sono stati infatti venduti circa 229mila robot industriali nel mondo, con una crescita del 29% rispetto all’anno precedente, di gran lunga l’incremento percentuale più elevato mai registrato. Il valore del mercato mondiale della robotica, in termini di puro costo dei robot, è stimato intorno ai 10,7 miliardi di dollari, ma tenendo conto anche dei costi associati a softwaindustriare, periferiche e ingegnerizzazione dell’applicazione robotica, il valore sale a circa 32 miliardi di dollari. Come prevedibile, l’industria che fa maggior uso dei robot industriali è quella automobilistica, seguita dall’industria elettrica ed elettronica.
In termini di aree geografiche, in Europa sono stati venduti 45.600 robot nel 2014 mentre in Italia (secondo mercato europeo, settimo mondiale) 6.200, con una notevolissima crescita del 32% rispetto all’anno precedente. È del resto noto che in ambito manifatturiero l’Italia in Europa è seconda solo alla Germania, ma con un trend di crescita migliore. Una situazione che va di pari passo con la crescita del mercato dell’automazione (i dati provvisori di ANIE Automazione per il 2015 parlano di una crescita di fatturato del 7%).
È tuttavia in Asia che nel 2014 si sono registrati i tassi di crescita nella vendita di robot industriali più impetuosi, con un incremento pari al 41% rispetto all’anno precedente. In particolare il mercato della robotica industriale sta esplodendo in Cina dove si registrano tassi di crescita impressionanti: +56% di vendite rispetto al 2013, con una crescita del 78% del fatturato delle aziende cinesi produttrici di robot e del 49% dell’export delle altre aziende verso la Cina.
Per valutare il potenziale futuro di installazione dei robot industriali nelle varie aree geografiche, gli analisti dell’International Federation of Robotics fanno uso di un indicatore denominato “densità di robot”. Si tratta del numero di robot industriali installati nell’industria manifatturiera ogni 10mila lavoratori. Il valore medio di questo indicatore è 66, ma, sebbene ci siano mercati fortemente automatizzati dove la densità di robot è elevata (478 in Corea del Sud, 314 in Giappone, 292 in Germania), ve ne sono altri incui l’indicatore assume ancora valori molto bassi. In particolare la Cina ha una densità di robot di sole 36 unità, il che rivela un potenziale enorme di installazione di robot in questo mercato. Per il futuro gli analisti prevedono una crescita del mercato globale della robotica industriale a doppia cifra (almeno 15% per il 2015 e per il triennio a seguire).
Arrivano i robot collaborativi
Se fino al recente passato il paradigma universalmente adottato per la robotica industriale prevedeva la rigida segregazione dei robot in ambienti protetti per mezzo di infrastrutture fisiche (cancellate o barriere ottiche), oggi emerge con sempre maggiore forza la consapevolezza dei vantaggi che si possono ottenere da una collaborazione diretta tra uomo e robot. Vi sono infatti operazioni troppo complesse per poter essere eseguite dal robot e viceversa operazioni ripetitive in cui la precisione e l’affidabilità del robot non possono essere eguagliate dall’uomo. Avere quindi la possibilità di condividere gli spazi tra uomo e robot, e in una certa misura anche di farli collaborare nell’esecuzione di sequenze di operazioni, è considerato uno degli obiettivi più importanti della fabbrica del futuro. Facendo riferimento a tipiche operazioni di assemblaggio di parti, la robotica collaborativa si colloca in una fascia intermedia tra assemblaggi completamente automatizzati, tipici degli scenari di produzione con grandi lotti e piccole varianti, e gli assemblaggi completamente manuali, tipici degli scenari con piccoli lotti di produzione ed elevato numero di varianti.
Enunciato il principio della robotica collaborativa, si tratta di capire quali siano le tecnologie abilitanti per la realizzazione di questi nuovi scenari. Anzitutto i robot collaborativi di nuova generazione (si veda per esempio il robot LBR iiwa di KUKA) sono più leggeri, privi di spigoli, talvolta coperti da imbottiture che attutiscono gli effetti di eventuali impatti. I robot sono anche più sensorizzati che in passato: possono riconoscere la presenza di ostacoli e interrompere l’operazione in corso in caso di pericolo di collisione, oppure fermarsi in caso di avvenuta collisione, per evitare lo schiacciamento della parte in contatto. Molti di questi robot sono anche dotati della cosiddetta ridondanza cinematica, ossia hanno un numero di giunti (articolazioni) superiore a quello strettamente necessario, un po’ come avviene per il braccio umano. Questo conferisce maggiore naturalezza ai movimenti del braccio e può consentire di eseguire certe operazioni incrementando ulteriormente la sicurezza. Inoltre diversi robot industriali di nuova generazione hanno una configurazione a due braccia (si veda per esempio lo YuMi, recentemente messo sul mercato da ABB). La capacità di questi nuovi manipolatori di eseguire con destrezza operazioni bimanuali apre la strada a innumerevoli nuove applicazioni, in particolare nell’assemblaggio di componenti elettronici.
Si tenga presente che i robot di nuova generazione sono anche più facilmente programmabili, addirittura mediante interazione fisica con l’operatore che guida manualmente il braccio robotico, insegnandogli a compiere determinate operazioni, allo stesso modo con cui lo si farebbe con un bambino. Esempi interessanti di queste modalità di programmazione sono dati dai robot della danese Universal Robots e dell’americana Rethink Robotics.
È opinione comune che tra i driver della crescita a doppia cifra della robotica industriale prevista nei prossimi anni, la collaborazione uomo-robot svolgerà un ruolo di primo piano. Oggi è difficile quantificare il mercato della robotica collaborativa (qualcuno parla ancora solo di qualche punto percentuale del complessivo mercato della robotica industriale). Gli investimenti di ricerca e sviluppo dispiegati dai maggiori player internazionali della robotica industriale, diversi dei quali hanno già sul mercato robot industriali certificati per l’uso in applicazioni di robotica collaborativa, fanno tuttavia ritenere che il mercato sia destinato a crescere più che proporzionalmente rispetto al mercato complessivo della robotica industriale. Il passaggio da un modello di produzione di massa a un modello di “personalizzazione di massa”, con elevati numeri di varianti e ridotto ciclo di vita dei prodotti, comporta delle significative sfide all’industria manifatturiera, che se oggi sono affrontate principalmente con la produzione manuale (in particolare in Asia), necessariamente evolveranno verso una produzione collaborativa tra uomo e robot.
Per leggere l’articolo completo (totale battute: 26000 circa – acquista la versione .pdf scrivendo a daniela.bobbiese@este.it (tel. 02.91434419)
Industry 4.0, Internet of Things, robot collaboratici, Robotica