ROBOTICA COLLABORATIVA: INTELLIGENTE ED EMPATICA

Negli ultimi anni i robot stanno mutando il loro ruolo, da semplici strumenti a compagni di lavoro con cui condividere compiti, idee e spazi, tutto questo grazie alla robotica collaborativa. I robot collaborativi, o cobot, non mirano a sostituire l’uomo nelle attività ripetitive ma a lavorare al suo fianco in maniera armoniosa, potenziando le sue capacità e rendendo più sicuri ed efficienti i processi produttivi. Con sensori avanzati, intelligenza artificiale e un design pensato per la sicurezza, i cobot si integrano nei flussi di lavoro umani, combinando forza e precisione meccanica con la flessibilità e la creatività umana. In questo articolo esploreremo come la robotica collaborativa stia trasformando l’industria, la sanità e oltre.

L’origine della robotica collaborativa

I cobot sono stati inventati nel 1996 da J. Edward Colgate e Michael Peshkin della Northwestern University e brevettati nel 1997 come strumenti per l’interazione diretta tra uomo e robot controllati da computer. Sviluppati inizialmente su iniziativa della General Motors nel 1994, i primi cobot erano sicuri per l’uomo poiché privi di forza motrice autonoma, la quale era fornita dall’operatore umano. Successivamente, sono stati dotati di forza motrice limitata.

La General Motors ha introdotto il termine “Intelligent Assistant Device” (IAD) per descrivere i cobot in contesti industriali, come il trasporto e l’assemblaggio, pubblicando standard di sicurezza nel 2002 e aggiornandoli nel 2016.

Diverse aziende hanno contribuito allo sviluppo dei cobot:

• Cobotics, acquisita da Stanley Assembly Technologies nel 2003, ha lanciato vari modelli nel 2002.
• KUKA, pioniera della robotica industriale, ha introdotto il cobot LBR 3 nel 2004, seguito da versioni successive come LBR 4 (2008) e LBR iiwa (2013).
• Universal Robots ha lanciato il cobot UR5 nel 2008, seguito da UR10 (2012), UR3 (2015) e UR20 (2022).
• FANUC ha rilasciato il cobot CR-35iA nel 2015, con un carico di 35 kg, e una linea più piccola di modelli collaborativi.
• ABB ha presentato nel 2015 YuMi, il primo cobot a doppio braccio.

Principali differenze tra robot e cobot

L’evoluzione dei robot collaborativi è stata mossa, oltre dalla volontà di far lavorare uomo e macchine a stretto contatto, anche dalla necessità di superare i limiti dei sistemi robotici tradizionali. Confrontando le due tecnologie si possono notare le seguenti differenze:

• COLLABORAZIONE E SICUREZZA: i robot tradizionali sono progettati con l’intento di sostituire l’uomo, operano in spazi separati e protetti da recinzioni per garantirne la sicurezza, mentre i cobot sono progettati per lavorare a stretto contatto con gli esseri umani, integrando misure di sicurezza avanzate per evitare incidenti.
• DIMENSIONI E MOBILITÀ: i robot industriali sono più grandi, pesanti e sempre ancorati al pavimento per garantire una maggiore stabilità anche durante i movimenti più veloci, mentre i cobot sono più leggeri e si prestano ad eventuali spostamenti lungo la linea produttiva.
• PROGRAMMAZIONE: i robot industriali richiedono sistemi di programmazione complessi e competenze tecniche elevate invece i cobot utilizzano interfacce intuitive che permettono di configurare nuove operazioni in pochi minuti tramite la programmazione per dimostrazione. Questa tecnica consente agli operatori di “insegnare” nuovi movimenti semplicemente guidando le macchine manualmente, senza necessità di competenze avanzate, rendendoli ideali per produzioni a basso volume e alta varietà, un aspetto cruciale in un mercato sempre più orientato alla personalizzazione dei prodotti.
• VELOCITÀ E PRECISIONE: i robot industriali sono più veloci, hanno un volume di lavoro più ampio e sono adatti a processi ad alto volume, mentre i cobot, seppur più lenti, si adattano meglio alle variabilità ed eccellono in compiti che richiedono maggiore collaborazione e precisione grazie a sensori avanzati e all’algoritmi di controllo. Sensori di forza, telecamere 3D e algoritmi di intelligenza artificiale consentono ai cobot di rilevare la presenza degli operatori e reagire in tempo reale per evitare collisioni. Questi sistemi interrompono automaticamente il movimento quando rilevano una forza superiore al limite preimpostato, garantendo un ambiente di lavoro sicuro e collaborativo.

Progressi tecnologici dei cobot

Lo sviluppo e l’integrazione dei sistemi cobotici continuano a progredire, guidati dai progressi nell’intelligenza artificiale, nel machine learning e nelle tecnologie dei sensori. Man mano che i progressi tecnologici spingono il campo della robotica collaborativa, i cobot si evolvono diventando sempre più sofisticati, adattabili e capaci di svolgere una vasta gamma di compiti in vari ambienti. Le evoluzioni tecnologiche sono in gran parte dovute a queste tre aree:

• Integrazione dell’intelligenza artificiale: i cobot stanno incorporando sempre più tecnologie di intelligenza artificiale per migliorare le loro capacità decisionali. Come evidenziato in recenti studi, come «The Expanding Role of Artificial Intelligence in Collaborative Robots for Industrial Applications: A Systematic Review of Recent Works», di Karna Vishnu et all. del 2023, l’integrazione della AI alla robotica ha permesso di individuare soluzioni innovative alle sfide affrontate da imprese di diverse dimensioni e settori industriali. I robot basati sull’intelligenza artificiale giocano un ruolo fondamentale nel colmare il divario tra esseri umani e tecnologia, affrontando problematiche e adattando le strategie aziendali per soddisfare le aspettative dei clienti in evoluzione. L’impiego del machine learning, componente fondamentale dell’AI, consente ai cobot di ottimizzare continuamente le proprie prestazioni, sviluppando nuovi metodi e competenze attraverso l’elaborazione di dati contestuali e l’esperienza acquisita in tempo reale.
• Sistemi sensoriali avanzati: l’evoluzione dei cobot è caratterizzata dall’incorporazione di tecnologie sensoriali più sofisticate, tra cui sistemi di visione, sensori tattili e capacità di percezione ambientale. Questa maggiore consapevolezza e capacità di risposta contribuiscesignificativamente alla creazione di un ambiente di lavoro più sicuro, eliminando così la necessità di barriere fisiche rigide tra esseri umani e robot. Pertanto, l’integrazione di sistemi sensoriali avanzati non solo incoraggia una coesistenza più sicura tra esseri umani e robot, ma apre anche numerose opportunità per soluzioni innovative e collaborative in diversi settori.
• Sistemi di comunicazione e controllo: i progressi nelle interfacce di comunicazione e nei sistemi di controllo hanno reso la collaborazione tra operatori e cobot più fluida e intuitiva. Queste innovazioni favoriscono un’interazione armoniosa tra esseri umani e robot, consolidando il ruolo dei cobot come partner essenziali nei processi di produzione collaborativa.

Comunicazione non verbale e interazione uomo-cobot

Gli autori di M.H. Mustapha et all. nell’articolo «Human–robot interaction in industrial collaborative robotics: a literature review of the decade 2008–2017» pubblicato nella rivista Advanced Robotics del 2019 hanno sottolineato che gli esseri umani interagiscono naturalmente con il mondo utilizzando molteplici risorse in parallelo. La comunicazione non verbale, che include il contatto visivo, i gesti e il linguaggio del corpo, riveste un ruolo fondamentale nelle interazioni umane, di conseguenza, risulta essenziale per coordinare le azioni, indicare l’intenzione di effettuare un passaggio e creare un processo di interazione fluido.

Per ottimizzare l’interazione uomo-robot (Human-Robot Interaction) in contesti industriali, il robot deve essere in grado di gestire una vasta gamma di comportamenti e azioni, tra cui voci, gesti ed espressioni facciali.

Mappa della Collaborazione Uomo-Robot come integrazione di interazione, cognizione e metriche. Schematizzata da Santos Castro Silva et all. nell’articolo «Trends of Human-Robot Collaboration in Industry Contexts: Handover, Learning, and Metrics» nella rivista Sensor del 2021

Inoltre, le dinamiche cognitive giocano un ruolo cruciale nel definire il modo in cui avviene l’interazione tra esseri umani e robot. Questi aspetti influenzano profondamente l’efficacia della comunicazione e della collaborazione e devono essere attentamente considerati per garantire un’interazione congeniale e funzionale:

• Comandi vocali: i sistemi avanzati di riconoscimento vocale consentono ai robot di comprendere istruzioni verbali, migliorando la comunicazione e il coordinamento e contribuendo alla creazione di interazioni più naturali, amichevoli ed efficienti.
• Riconoscimento facciale: la capacità di riconoscere le espressioni facciali permette al robot di adattare la propria risposta emotiva durante i passaggi di oggetti, aumentando la comprensione e la fiducia dell’utente.
• Riconoscimento delle azioni: comprende l’identificazione e l’interpretazione delle azioni umane attraverso sistemi di intelligenza artificiale o elaborazione di immagini. Spesso associato alla visione artificiale e all’analisi del comportamento umano, questo processo è fondamentale per la comprensione delle intenzioni.
• Riconoscimento dei gesti: si riferisce alla capacità dei sistemi informatici di identificare e interpretare i gesti umani, come i movimenti delle mani, delle braccia o di altre parti del corpo. I risultati hanno evidenziato una preferenza per la comunicazione gestuale in ambito industriale, con gesti progettati tenendo conto delle esigenze sia dei lavoratori che dei robot.
• Sguardo sociale: si riferisce all’uso dello sguardo come segnale comunicativo nelle interazioni sociali, comprese quelle tra umani e robot. Lo sguardo sociale del robot può migliorare la comunicazione e la comprensione durante l’interazione con gli utenti umani. Fischer et al. nell’articolo «The effects of social gaze in human-robot collaborative assembly» presentato alla  International Conference Social Robotics (2015), hanno studiato gli effetti dello sguardo del robot verso un tutor umano in un contesto di assemblaggio. I risultati hanno dimostrato che lo sguardo sociale del robot aumenta il coinvolgimento e la responsabilità percepita degli individui nei confronti delle prestazioni del compito.

Conclusione

La robotica collaborativa non è soltanto una tendenza tecnologica, ma una vera e propria rivoluzione che sta trasformando il settore della produzione meccanica. Grazie alla loro flessibilità, precisione e sicurezza, i cobot stanno ridefinendo il modo in cui le fabbriche operano, offrendo nuove opportunità di innovazione e crescita. Si può trovare un valido supporto nel miglioramento e nell’integrazione di queste macchine nei fornitori di componenti come R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

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