Perfezionare l’interazione diretta tra persone e robot: è questo l’obiettivo del progetto NeurOSmart a cura dell’Istituto Fraunhofer.
L’obiettivo dei ricercatori è quello di migliorare la collaborazione tra gli operatori umani e i robot all’interno delle fabbriche. La robotica collaborativa è infatti uno dei pilastri dell’industria moderna, ma la collaborazione richiede una sempre maggiore autonomia dei robot impiegati negli ambienti di fabbrica – che devono essere in grado di padroneggiare movimenti complessi ed eseguire comandi – e standard di sicurezza elevati.
Il progetto NeurOSmart affronta proprio queste esigenze attraverso lo sviluppo di una piattaforma tecnologica che combina la tecnologia dei sensori con l’elaborazione dei dati supportata dall’intelligenza artificiale e chip ad alta efficienza energetica che imitano il funzionamento del cervello umano.
I ricercatori stanno combinando diverse tecnologie:
- un sistema di sensori con laser LIDAR che monitora continuamente l’area di lavoro condivisa da esseri umani e robot
- chip supportati dall’intelligenza artificiale che valutano i segnali direttamente nel sistema di sensori
- tecnologia dei chip neuromorfici che funziona come il cervello umano ed è quindi altamente efficiente dal punto di vista energetico.
Oltre all’Istituto Fraunhofer per la tecnologia al silicio ISIT, coordinatore del progetto, tra i partecipanti al progetto figurano anche: l’Istituto Fraunhofer per i microsistemi fotonici IPMS; l’Istituto Fraunhofer per i circuiti e i sistemi microelettronici IMS; l’Istituto Fraunhofer per le macchine utensili e la tecnologia di formatura IWU; l’Istituto Fraunhofer per i sistemi di analisi e informazione intelligenti IAIS.
“Insieme ai nostri partner di progetto, abbiamo ulteriormente sviluppato le tecnologie e le abbiamo integrate in un sistema globale. La collaborazione con la macchina è priva di rischi per l’uomo”, spiega Shanshan Gu-Stoppel, responsabile dei sistemi ottici presso il Fraunhofer ISIT e professore onorario di microtecnologia presso l’Università di Scienze Applicate FH Westküste di Heide.
Indice degli argomenti
Sicurezza e precisione nella collaborazione tra uomo e robot: come funziona il sistema LIDAR impiegato nel progetto
L’innovazione del progetto NeurOSmart si affida a un sistema di monitoraggio con prospettiva a volo d’uccello che supervisiona l’area di lavoro condivisa tra operatori e macchine attraverso la tecnologia LIDAR.
Il dispositivo emette impulsi nel vicino infrarosso e analizza i riflessi per mappare lo spazio in tre dimensioni. La proiezione del fascio laser sull’intera superficie è affidata a specchi mobili di tipo MEMS (sistemi microelettromeccanici), capaci di restituire immagini 3D ad alta risoluzione con un consumo energetico ridotto.
“Per questi componenti utilizziamo nitruro di alluminio e scandio piezoelettrico con uno spessore di appena 1 micrometro”, chiarisce Shanshan Gu-Stoppel, responsabile dei sistemi ottici presso il Fraunhofer ISIT e docente di microtecnologia alla FH Westküste di Heide.
Secondo Gu-Stoppel, l’impiego di materiali avanzati ha permesso di incrementare sensibilmente le prestazioni dei microsistemi elettromeccanici.
Una caratteristica fondamentale di NeurOSmart è l’integrazione diretta dell’elaborazione dei dati nel sistema di sensori.
La grande quantità di dati immagine generati dall’ampio campo visivo del sensore viene prima pre-elaborata. Gli algoritmi basati sull’intelligenza artificiale sviluppati dal Fraunhofer IMS raggruppano i segnali in arrivo e identificano le aree di particolare interesse nella scena.
Il sensore può quindi essere allineato con precisione per le analisi successive, risparmiando energia e riducendo la velocità di trasmissione dei dati.
Elaborazione integrata e chip neuromorfici per l’industria
Il processo di analisi dei dati necessari al controllo del robot avviene direttamente all’interno del sistema di sensori. Sotto la guida di Thomas Kämpfe, responsabile dell’unità operativa presso il Center Nanoelectronic Technologies (CNT), i ricercatori del Fraunhofer IPMS si sono concentrati sul concetto di neuromorphic computing (calcolo neuromorfico), sviluppando uno speciale chip acceleratore.
Il processore è composto da numerose unità di calcolo interconnesse su un wafer secondo una struttura a matrice. Ogni chip opera come una cellula pensante ed è in grado di prendere decisioni autonome. Questa tecnologia si ispira al funzionamento del cervello umano, da cui deriva appunto il termine neuromorphic computing.
Lo sviluppo dei modelli di AI necessari a supportare questa architettura è affidato al Fraunhofer IAIS.
Grazie a tali sistemi, il tempo che intercorre tra la rilevazione di un segnale e la risposta meccanica del braccio robotico si riduce a pochissimi millisecondi. Una reattività così elevata garantisce la massima sicurezza anche nell’impiego di robot per carichi pesanti, che vengono rallentati o arrestati istantaneamente dall’intelligenza artificiale non appena viene rilevata la presenza ravvicinata di un operatore.
La simulazione integrale della cella robotica ha permesso ai ricercatori di testare scenari di rischio estremi, impossibili da riprodurre nel mondo reale, perfezionando così l’addestramento dei sistemi di controllo.
“Il neuromorphic computing rappresenta un passo fondamentale verso un’architettura hardware per l’elaborazione di applicazioni di AI ad alta intensità di risorse che sia non solo veloce, ma anche estremamente efficiente dal punto di vista energetico”, afferma Thomas Kämpfe, responsabile dell’unità operativa presso il CNT del Fraunhofer IPMS.
Secondo Kämpfe, questo approccio risolve le criticità legate ai consumi dei sistemi tradizionali.
“Le tecnologie di NeurOSmart non rendono solo la produzione industriale più agile ed efficiente, ma trasformano la fabbrica in un luogo sicuro, creativo e a misura d’uomo per tutti i dipendenti”, aggiunge Gu-Stoppel.
Applicazioni personalizzate per migliorare la collaborazione uomo-robor nell’industria
I componenti e i metodi NeurOSmart costituiscono una piattaforma tecnologica standardizzata.
I clienti industriali possono sviluppare applicazioni personalizzate per i propri scenari specifici.
In futuro, le tecnologie ad alta efficienza energetica di NeurOSmart e la conseguente maggiore durata delle batterie potrebbero trovare applicazione anche nei droni o nei sistemi di sensori per l’agricoltura.
