La robotica, quale settore di punta del XXI secolo, si occupa tra l’altro della progettazione, del controllo, ma anche della produzione e dell’utilizzo dei robot. L’area tematica della robotica non è solo rappresentativa del progresso tecnico compiuto nell’arco di più decenni, ma si rivela anche estremamente complessa. Di conseguenza racchiude, unisce e richiede in egual misura l’interazione di diverse scienze, discipline e specialità. Soprattutto l’elettrotecnica, la costruzione meccanica e la matematica, ma anche l’informatica e in particolare il settore di ricerca dell’Intelligenza Artificiale rivestono grande importanza per la robotica. Le suddette discipline sono integrate dalle scienze cognitive, dalla psicologia e dalla biologia, per non perdere di vista la dimensione morale e sociale nell’interazione tra uomo e macchina.
In base all’attuale livello di sviluppo la robotica sta focalizzando l’attenzione tra l’altro sui robot collaborativi, i cosiddetti cobot. Questi si differenziano dai tradizionali robot industriali per il fatto che collaborano direttamente con l’uomo e non sono pertanto separati dal suo ambiente mediante dispositivi di sicurezza fisici. Per garantire la sicurezza dell’uomo in questo contesto serve l’integrazione di vari sensori esterni. Questi raccolgono diversi dati che forniscono al robot, o più precisamente alla sua unità di controllo, informazioni sull’ambiente circostante – e quindi anche sull’esatta posizione dell’uomo. Tra le tematiche di tendenza della robotica rientrano anche i robot mobili autonomi, l’apprendimento automatico, il software basato sul cloud e l’interconnessione di componenti meccanici ed elettronici grazie alle tecnologie della comunicazione e dell’informazione.
I risultati e il successo della robotica sono molto sfaccettati e hanno un enorme impatto sull’umanità. I settori coinvolti sono quelli dell’economia e della scienza, ma anche la sanità, i trasporti e il settore militare. Non ultimo gli effetti della robotica vanno visti in funzione della società nel suo insieme e cambieranno radicalmente la vita dell’uomo, sia in ambito pubblico che privato.
Robotica e automazione quali pilastri della rivoluzione industriale
Allo scopo di ottimizzare i processi e le fasi di lavoro mediante dispositivi e sistemi che operano in autonomia, l’automazione rappresenta una componente essenziale della cosiddetta Industria 4.0. I processi di produzione industriali vengono prevalentemente combinati con le innovazioni digitali della tecnologia della comunicazione e dell’informazione. Questa interconnessione si basa tra l’altro su soluzioni di automazione intelligenti, quali la robotica e i suoi prodotti. In questo contesto l’automazione, la robotica e la trasformazione digitale dipendono direttamente l’una dall’altra – ad esempio un robot sviluppato per un’attività specifica può eseguire una determinata fase di lavoro senza l’intervento dell’uomo e automatizzare quindi il processo.
La scelta e il numero delle fasi di lavoro da automatizzare all’interno di una catena di creazione del valore sono variabili. A seconda dell’entità dell’impiego di macchine e robot autonomi o semiautonomi, si distingue tra un’automazione parziale o totale. Se il processo è completamente o quasi completamente automatizzato, si parla di automazione.
Le ragioni alla base del processo di automazione continuo sono vari, ma sono prevalentemente di natura economica. L’impiego industriale della robotica, dei processi di digitalizzazione e di altre soluzioni di automazione favorisce un aumento della produttività e della qualità del prodotto, ma anche una riduzione degli scarti e dei tempi. Mentre dal punto di vista economico diventa in ogni caso indispensabile attuare una gestione efficace dell’energia e delle risorse, ne beneficiano al tempo stesso l’ecosistema e la società. Accanto all’ottimizzazione generale dei processi produttivi, i sistemi intelligenti consentono inoltre di risparmiare sul costo del personale. La somma di questi fattori permette agli imprenditori di reagire in modo flessibile e dinamico al mercato, alla concorrenza e alle condizioni sociali. In primo luogo, nei rami industriali quali l’industria metallurgica o automobilistica, le macchine e i robot sgravano l’uomo da attività fisicamente pesanti o monotone.
Di conseguenza, l’automazione, la digitalizzazione e la robotica hanno un impatto sul mercato del lavoro e sulla posizione dell’uomo all’interno di molte catene di creazione del valore. Nell’ambito della produzione i settori di attività talvolta variano enormemente. Poiché i robot industriali perfezionano la manipolazione, il montaggio e la lavorazione di pezzi, i compiti dell’uomo si spostano prevalentemente su progettazione, controllo e manutenzione. Aumenta inoltre costantemente la collaborazione tra uomo e robotica, visto che nonostante i sistemi avanzati e le tecnologie innovative, l’uomo, con le sue capacità specifiche, la sua creatività e il suo sapere implicito, rimane insuperabile. Con l’automatizzazione di singoli processi di lavoro aumenta contestualmente il valore di quelli eseguiti dall’uomo.
La gamma di prestazioni dell’automazione non si limita agli stabilimenti produttivi, ma si spinge ben oltre. Tra le numerose applicazioni rientrano ad esempio la regolazione costante di temperatura e umidità dell’aria negli edifici abitativi privati. Nei trasporti vengono impiegati, ai fini della sicurezza e del comfort, cambi automatici e l’assistente di parcheggio. È previsto presto l’arrivo sulle nostre strade di veicoli autonomi, mentre viene automatizzato il trasporto di beni di consumo e droni consegnano le merci ordinate in brevissimo tempo. L’automazione, la robotica e la digitalizzazione trovano quindi un impiego utile nei campi di applicazione più disparati.
I riduttori nella robotica – composizione e struttura
Dinamismo, precisione e autonomia – i requisiti richiesti per i robot aumentano continuamente e pongono i ricercatori, gli sviluppatori, ma anche gli ingegneri dinanzi a sfide sempre più importanti. Il successo della robotica e il crescente consenso nei loro confronti si basano prevalentemente su prestazioni tecniche e meccaniche. I robot industriali, che da molti anni occupano un posto fisso negli impianti produttivi di tutto il mondo, permettono di capire la struttura complessa e la composizione della robotica.
Sebbene i robot industriali svolgano attività diverse e di conseguenza si differenzino tra loro per ampliamenti specifici o modelli, essi sono accomunati tutti da una struttura di base molto simile. Questa è costituita da una catena di membri cinematici, tra questi diversi assi ed elementi di congiunzione quali giunti rotoidali, rotanti e prismatici. Tali membri costituiscono la base affinché i robot, chiamati anche manipolatori, o piuttosto il suo braccio o sistema prensile possa muoversi liberamente nello spazio ed entrare in contatto con i pezzi da lavorare.
Il movimento dei suddetti elementi è reso possibile da un azionamento integrato. Questo ha un ruolo decisivo e un’importanza fondamentale per la funzionalità del robot – la trasmissione sicura e affidabile di potenza. I riduttori di precisione delle serie SHG-2UH/2SO/2SH di Harmonic Drive AG sono predestinati a un impiego dinamico e preciso nei robot industriali. Con il cuscinetto d’uscita rigido consentono di realizzare una costruzione semplice e compatta e l’albero cavo offre lo spazio per il passaggio di tubi di alimentazione, alberi e altri fluidi.
Accanto alla cinematica, al sistema prensile e all’azionamento, anche i sensori interni ed esterni costituiscono elementi importanti della robotica. Mentre i sensori interni registrano informazioni sull’attuale posizione e il posizionamento degli assi e dei giunti del robot, i sensori esterni forniscono dati sull’ambiente esterno, ovvero sulle condizioni ambientali a cui è esposto il robot. I dati raccolti vengono utilizzati dall’unità di controllo, che indica e controlla i movimenti e le azioni del robot in base alla sua programmazione.
Storia della robotica
I robot sono considerati l’innovazione del XX e del XXI secolo e per molti incarnano la sintesi tra informatica, elettrotecnica e costruzione meccanica. Anche se lo sviluppo dei robot ha compiuto enormi passi avanti nel periodo in questione, precursori degli attuali robot moderni esistevano già diversi secoli fa. Già nell’antichità furono compiuti i primi tentativi con automi – tra cui macchine da musica e porte dei templi che si aprivano da sole. Nell’anno 1737 l’ingegnere e inventore francese Jacques de Vaucanson sviluppò un flautista meccanico in grado di suonare dodici brani diversi e un’anatra meccanica. Quest’ultima era in grado di muovere le ali e di bere acqua; de Vaucanson la costruì con oltre 400 componenti. Per questi e altri automi e modelli basati sull’automazione si trattava di norma di prototipi, che non furono moltiplicati a livello commerciale. Erano per lo più l’opera di ricercatori e inventori.
La svolta della robotica a livello industriale arrivò infine nel 1960, quando i primi robot industriali iniziarono a lavorare nelle catene di montaggio. I robot statici ad azionamento idraulico furono utilizzati inizialmente tra l’altro per le saldature di pezzi pressofusi e avrebbero rivoluzionato l’attività negli stabilimenti produttivi di tutto il mondo. Già negli anni 1980 i robot industriali si affermarono nel settore dell’industria, soprattutto in quello automobilistico. Lo sviluppo della robotica progrediva a un ritmo accelerato, tanto che furono concepiti, prodotti e impiegati i primi robot mobili. Con i progressi tecnici aumentarono costantemente anche i settori di impiego della robotica. Oggigiorno l’automazione e la digitalizzazione avanzano inarrestabilmente in quasi tutti i settori – e di conseguenza anche la robotica.
Robot industriali: garanzia di redditività ed efficienza
L’impiego dei robot costituisce nel settore industriale un elemento estremamente importante, anzi irrinunciabile. Mentre i robot industriali rivestivano tradizionalmente una grande importanza nelle catene di montaggio del settore automobilistico, grazie alle innovazioni e al progresso tecnico si sono evoluti costantemente e oggi sono parte integrante della catena di creazione del valore in campo industriale. Grazie ai progressi dell’automazione e agli sforzi continui volti ad assicurare redditività, efficienza e sostenibilità, la robotica manterrà la sua posizione fondamentale anche in futuro.
Fondamentalmente, le possibilità d’impiego del robot industriale sono molto ampie e variano da settore a settore. I settori di applicazione tipici della produzione sono i dispositivi di manipolazione per il montaggio, l’imballaggio e l’equipaggiamento di macchine. I robot industriali sono utilizzati anche nell’ambito di processi quali la verniciatura, la misurazione, il taglio, la rettifica e la saldatura. I requisiti dei robot industriali variano – soprattutto per quanto riguarda la struttura tecnica e meccanica – in funzione del portafoglio di compiti richiesto. Nell’ambito di fasi di lavoro e processi semplici che si ripetono in modo invariato si utilizza spesso la robotica che non è dotata né di mobilità né di sensori. Molti settori comprendono invece catene di produzione del valore che dipendono prevalentemente da robot complessi. In questo caso servono sensori, tecnologie intelligenti e ampie possibilità di programmazione e di controllo.
Anche i robot autonomi mobili incidono fortemente sull’ampliamento della gamma di applicazioni della robotica nel contesto industriale. Grazie al collegamento con tecnologie intelligenti e alla modalità di lavoro autonoma che ne deriva, i robot in questione agevolano in molti stabilimenti produttivi il trasporto e la logistica. Se ad esempio devono essere trasportati materiali per il caricamento di macchine, speciali robot si occupano del trasporto. Questi ultimi fungono da elemento di congiunzione tra le singole fasi di lavoro e sono parte della cosiddetta fabbrica intelligente.
Robot medico – Assistent 2.0
In medicina la robotica svolge prevalentemente un ruolo di assistenza e serve al personale specializzato analogamente alla mano di un aiutante. Grazie alle loro prestazioni di lavoro costanti, i robot medici riducono i tempi degli interventi e gli errori operativi causati, tra l’altro, dall'affaticamento. Ma la robotica non è impiegata solo in sala operatoria. Ne trae vantaggio anche il settore dell’assistenza nelle strutture residenziali, che risente particolarmente dei cambiamenti demografici. Mentre aumenta il numero delle persone bisognose di cure o che non sono più in grado di vivere senza assistenza, continua ad intensificarsi la carenza di personale. I robot medici assistono il personale occupandosi del trasporto delle riserve di sangue o del riempimento di provette. In questo contesto le tecnologie intelligenti della robotica consentono di liberare del tempo, che può essere utilizzato dal personale infermieristico per fornire un’assistenza più intensiva e attenta ai pazienti.
Contrariamente a quanto descrivono gli scenari fantascientifici, nel campo della tecnologia medica la robotica non persegue l'obiettivo primario di rimpiazzare il chirurgo, l’internista o l’infermiere. I robot medici di norma non agiscono autonomamente, bensì sono controllati da personale specializzato qualificato. In questo senso la robotica e la tecnica rappresentano piuttosto una manipolazione positiva o un’ottimizzazione delle capacità umane e rivestono quindi un’importanza per tutta la società. Importanza che diventa evidente, tra l’altro, nel settore della riabilitazione, grazie all’impiego di cosiddetti esoscheletri. Le strutture di supporto in questione sono dotate di servomotori e aiutano le persone malate a eseguire i movimenti quotidiani e a riacquistare la loro mobilità.
Robot di servizio nell’ambiente domestico
Nel contesto industriale e in molti sottosettori dell’economia e delle scienze la robotica ci accompagna già quotidianamente. Mentre l’uomo, la macchina e il robot lavorano gomito a gomito, la gamma di applicazioni della robotica nell’ambiente domestico è limitato attualmente a un numero relativamente basso di attività. I robot di servizio, chiamati anche robot domestici, si contraddistinguono per la loro mobilità e la loro autonomia. Sono in grado di svolgere soprattutto lavori di pulizia, come il taglio dell’erba e l’aspirazione della polvere, senza l’influenza o l’intervento dell’uomo. Grazie a specifici sensori e a una programmazione basata sul compito, i suddetti robot riescono a navigare autonomamente e sono estremamente adattabili alle variazioni dell’ambiente esterno.
La complessità fondamentale dell’impiego della robotica nell’ambiente domestico costituisce tuttavia un grande ostacolo per la ricerca e lo sviluppo. L’ambiente in questione si definisce come molto sensibile e dinamico. In particolare, i robot mobili operano qui a stretto contatto con l’uomo, pertanto per sistemi o tecnologie in fase di perfezionamento non sussiste alcun margine d’azione ed è indispensabile che funzionino in modo preciso e senza errori. Molte attività richiedono inoltre schemi di movimento, fasi di lavoro e condizioni quadro ampi e spesso variabili. I sistemi robotici devono pertanto essere in grado di rispondere ai loro sistemi periferici in modo preciso, dinamico e basandosi sull’esperienza. Alla componente sociale viene attribuito al riguardo un interesse centrale.
Nonostante le problematiche citate, la robotica acquisisce sempre più importanza nella vita privata e il numero di robot utilizzati nelle case registra un netto aumento. Per questo processo è determinante in primo luogo il progresso tecnico, ma anche il crescente consenso nella popolazione. Una parte fondamentale del successo e del progresso della robotica – compresa la robotica in ambito privato – è dovuta inoltre all’intelligenza artificiale e all’elaborazione sistematica del flusso di informazioni. Grazie all’automazione del comportamento intelligente i robot di servizio sono chiamati ad elaborare i problemi autonomamente, tra l’altro mediante valori empirci e informazioni acquisite internamente o esternamente. In questo contesto è proficua l’idea centrale di ottimizzare efficacemente la comunicazione e l’interazione tra uomo e robot.
La robotica in ambito militare
Tra i numerosi campi di applicazione della robotica rientrano anche la prevenzione del terrorismo, la protezione civile e il settore militare. I robot sviluppati per applicazioni militari, i cosiddetti robot militari o sistemi militari senza equipaggio, operano prevalentemente nei settori dell’osservazione, della ricognizione, dello spionaggio e del servizio di guardia. Sono già collaudati sul campo soprattutto i droni da combattimento, che contribuiscono all’opera di ricognizione e che in caso di necessità d’intervento possono essere dotati anche di missili – servono, di conseguenza, anche per attacchi mirati. Mentre i compiti citati si svolgono in un settore tattico-operativo ancora fortemente limitato, alla luce dei progressi dell’automazione in futuro la robotica acquisirà sempre più competenze. In questo contesto passa in primo piano l’autonomia della robotica, che può implicare questioni d’ordine etico. Un’altra tendenza della tecnologia militare, accanto all’automazione, all’intelligenza artificiale e all’autonomia, è costituita dalla miniaturizzazione delle strutture.