Dal primo modello sviluppato nel 1959 da Devol e Engelberger – una soluzione del peso di oltre 2 tonnellate al tempo avanguardistica ma lenta, ingombrante e imprecisa se confrontata con le versioni più recenti – i robot industriali hanno avuto uno sviluppo notevole e il loro settore ha subìto una rapida evoluzione.
A fare da traino agli sviluppi tecnologici è stato soprattutto il settore dell’Automotive, determinante per la diffusione della robotica in ambito industriale, data la ripetibilità dei suoi processi e la richiesta sempre crescente di qualità e di volumi costanti nella produzione. Oggi, i robot industriali sono parte integrante in molte attività produttive, tanto da essere considerati indispensabili in più di un’applicazione.
L’evoluzione del settore della robotica industriale, così veloce, ha portato a tipologie e applicazioni diverse: non tutti i robot industriali sono uguali. Sebbene siano molto flessibili se confrontati con altri tipi di automazioni, ogni tipologia risulta più adatta a specifici compiti piuttosto che ad altri.
Dunque come scegliere quello più adatto e conforme alle nostre esigenze? Dopo aver fatto un rapido cenno al mercato mondiale dei robot, vedremo come si definiscono i robot industriali, come possono essere classificati e che cosa sono in grado di fare.
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3,5 milioni di robot industriali attivi nel mondo
La crescita della robotica nel mondo è inarrestabile. In base ai dati riportati dall’IFR, la Federazione Internazionale della Robotica, nel report Word Robotics 2022, in sei anni le installazioni annuali di robot sono quasi raddoppiate, arrivando ad oltre mezzo milione (517.385) di nuovi robot installati in un anno, con un tasso di crescita del 31% su base annua. I robot in funzione nelle fabbriche di tutto il mondo hanno superato nel 2021 i 3,5 milioni di unità.
L’Italia si conferma il sesto mercato per importanza mondiale e il secondo in Europa, dietro alla Germania, con 14.083 unità nel 2021, l’anno di maggior successo nella storia del Paese, e un aumento del 65%.
Che cosa sono i robot industriali
Un robot industriale è, nella definizione più generale, una forma di struttura articolata di cui esistono diverse configurazioni. Volendo meglio precisare cosa si intende con “robot industriale” potremmo ricorrere alla definizione riportata nella norma ISO TR/8373-2.3 – tra le tante quella più comunemente accettata – in base alla quale è “un manipolatore con più gradi di libertà, governato automaticamente, riprogrammabile, multiscopo, che può essere fisso sul posto o mobile per utilizzo in applicazioni di automazioni industriali“.
Queste strutture sono ottenute mediante il collegamento di una serie di cinematismi rotatori e/o lineari o giunti. Ciascuno dei giunti fornisce un movimento che, collettivamente, consente di posizionare la struttura del robot, o il braccio del robot, in una posizione specifica.
Per posizionare un utensile, montato all’estremità del robot, in un qualsiasi punto e in una qualsiasi angolazione dello spazio, sono necessari sei giunti o sei gradi di libertà, comunemente noti come sei assi.
L’area di lavoro è il volume all’interno del quale opera il robot ed è definita dalla struttura del braccio del robot, dalla lunghezza di ciascun elemento del braccio e dal tipo di movimento e dall’intervallo che caratterizzano ciascun giunto.
In ambito industriale, si tratta quindi di strumenti multifunzionali, basati sull’interconnessione di sistemi meccanici dotati di sensori e software, che sono progettati in funzione di uno scopo specifico e che consentono di effettuare una serie potenzialmente illimitata di operazioni, sia in modo fisso che mobile, con una precisione e una rapidità superiori a quelle di un operatore umano.
Robot industriali: macchine o quasi-macchine?
Nell’immaginario comune, il robot viene identificato con una macchina che compie attività al posto dell’uomo. Può anche essere definito come una macchina hardware dotata anche di una componente software. Ma per capire se il termine “macchina” venga usato impropriamente per un robot, è bene prima precisare che cosa è una “macchina” e cosa invece viene considerato come “quasi-macchina”.
In sintesi, la Direttiva Macchine 2006/42/CE definisce con il termine “macchina” un insieme di parti e/o componenti, di cui almeno uno è mobile, equipaggiato di un sistema di azionamento diverso dalla forza umana o animale diretta, cioè dotato di forza propria, capace di funzionare in modo indipendente, ad esempio nel sollevare pesi e trasportare del materiale, che rispetti i requisiti di sicurezza dell’Allegato 1 della Direttiva Macchine e sia in possesso di una marcatura CE.
La stessa Direttiva definisce invece con il termine “quasi-macchine” un insieme di parti e/o componenti che, da solo, non è in grado di svolgere alcuna funzione in particolare e che, per farlo, necessita obbligatoriamente di essere incorporato o assemblato ad altre macchine o semi-macchine.
Quindi, la necessità di assemblaggio con altre macchine o quasi-macchine per svolgere la propria funzione è la discriminante per determinare se una macchina possa funzionare in modo indipendente oppure no.
Tornando ai robot industriali, la classificazione come macchina o quasi-macchina dipende da che cosa si intende per robot e soprattutto da quale funzione svolge.
Se infatti il manipolatore o il robot è in grado di svolgere una funzione definita in modo indipendente – per esempio effettuare operazioni di saldatura in una catena di montaggio per la fabbricazione di automobili – e la sua installazione si riduce all’operazione di ancoraggio nella sua postazione definitiva deve essere considerato a tutti gli effetti una “macchina” in quanto soddisfa tutti i requisiti della Direttiva, compresi la dichiarazione di conformità, la marcatura CE, il manuale d’istruzione e il fascicolo tecnico.
Viceversa, se il manipolatore o il robot è in grado di “funzionare nelle condizioni di consegna”, ma preso isolatamente non può avere una funzione definita, come nel caso del movimento nello spazio dei bracci di un robot manipolatore, ed è quindi destinato ad essere “integrato” con altre macchine, deve essere considerato una “quasi macchina” ai sensi dell’articolo 2, paragrafo 1, lettera g della Direttiva Macchine 2006/42/CE. In questo caso, il manipolatore o il robot deve essere accompagnato dalla dichiarazione prevista all’allegato II, punto B della Direttiva, alla quale deve provvedere il fabbricante, cioè chi assembla l’insieme complesso costituito dal robot e dalla macchina in cui viene integrato.
Quindi, sebbene macchine e quasi-macchine siano assoggettate alle stesse direttive e norme tecniche, cambiano alcuni degli adempimenti a cui il fabbricante deve far fronte cambiano a seconda che si tratti delle une o delle altre.
Per le macchine occorre infatti procedere all’iter certificativo di marcatura CE, mentre per le quasi-macchine occorre analizzare i requisiti essenziali di sicurezza pertinenti e applicati, provvedendo ad una diversa e specifica documentazione.
A che cosa serve un robot industriale
Il Robot Institute of America ha definito un robot come “una struttura meccanica multifunzionale e riprogrammabile, progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specializzati secondo movimenti variabili programmati per l’esecuzione di una varietà di compiti diversi”. Si tratta di una definizione vicina, per molti aspetti, a quella che fa riferimento alla norma ISO, riportata nel precedente paragrafo, che tuttavia ci permette di capire per cosa, nella maggior parte dei casi, venga progettato un robot in ambito industriale e a cosa serva.
Sostanzialmente, potendo garantire ritmi più elevati e più attenzione alla qualità del prodotto, sollevare pesi maggiori e movimentare oggetti con estrema ripetibilità, i robot servono ad assicurare maggiori volumi produttivi e processi più coerenti rispetto ad attività che avrebbero performance inferiori se eseguite dalla controparte umana.
In funzione di ciò, i robot possono essere inseriti sia in sistemi di produzione rigidi che flessibili, essendo i primi caratterizzati da una successione di operazioni uguali e ripetitive il cui scopo è l’ottimizzazione della produttività e la ripetibilità del processo, e i secondi da elevata variabilità e customizzazione in risposta alle mutevoli esigenze del mercato.
Le diverse tipologie di robot industriali
Essendo molte le funzioni a cui i robot industriali possono assolvere, è utile in primo luogo distinguerli e classificarli in base alle principali tipologie.
Due sono le categorie fondamentali che consentono una prima suddivisione: la cinematica, ovvero i movimenti e i gradi libertà (DoF, Degrees of Freedom) che sono in grado di eseguire e assicurare, e il numero di assi. Più precisamente, la cinematica si riferisce alla catena meccanica di collegamenti che ci sono tra i vari assi e alle tipologie degli assi, rotativi o lineari.
In riferimento a queste due caratteristiche, vengono individuate 4 macro-categorie di robot industriali:
- Cartesiani
- SCARA
- Antropomorfi (o articolati)
- Picker (Delta).
Robot cartesiani
I robot cartesiani (ICS = Integrated Combination System) sono caratterizzati dalla cinematica più semplice in quanto sono costituiti da una combinazione di assi lineari e rotativi lungo i quali il robot si muove; a ciascuno corrisponde un grado di libertà. Sono detti anche robot lineari, a portale o robot XYZ perché solitamente si muovono in linea retta su 3 assi che fanno riferimento a un sistema di coordinate cartesiane (X, Y e Z) a cui si può aggiungere un polso che consente il movimento rotatorio.
Se facciamo riferimento al numero di assi, in genere, questo tipo di robot è caratterizzato da 2, 3 o al più 4 assi, ma si possono avere robot cartesiani con un numero anche superiore di assi.
Sono progettati e sviluppati soprattutto per applicazioni di Handling e Machining e sono molto diffusi perché offrono una notevole facilità di programmazione e flessibilità di configurazione, oltre alla possibilità di regolare la velocità, la precisione all’interno dello spazio di lavoro, la lunghezza della corsa e le dimensioni del robot, grazie alla loro modularità.
In termini di applicazioni vengono impiegati nelle operazioni di assemblaggio, dove è richiesto un posizionamento preciso, in quelle di carico e scarico di pezzi lavorati e di cambio utensili (asservimento macchine utensili) e di pick-and-place.
In virtù dell’ampia capacità di corsa sugli assi X, Y e dell’escursione verticale lungo l’asse Z, il robot cartesiano può essere vantaggiosamente impiegato anche per la movimentazione o la pallettizzazione degli oggetti su una linea esistente o per il trasporto di carichi elevati, applicazioni tipiche dei cosiddetti robot antropomorfi.
Questo perché, a parità di peso, generando minori momenti, il robot cartesiano riesce a mantenere il carico centrato sotto l’asse Z; vengono quindi garantite maggiore stabilità e dinamiche più elevate per raggiungere uno stesso punto nello spazio rispetto all’articolazione di un robot antropomorfo.
Il mercato dei robot cartesiani riguarda principalmente i settori dell’automotive, elettrico ed elettronico, chimico e petrolchimico e del Food&beverage.
I principali fornitori di robot cartesiani secondo Research & Markets includono ABB, Bosch Rexroth, Brooks Automation, Denso, Gudel Group, Hirata, Iai America , Koganei, Midea Group, Nidec, Omron, Parker Hannifin, Samick Thk, Seiko Epson, Sepro Robotique, Ston Robot, Tm Robotics, Yamaha Motor, Yaskawa Electric , Shibaura Machine, Mks, Kuka, Fanuc, Comau e Yushin Precision Equipment.
Robot SCARA
I robot SCARA – acronimo di Selective Compliant Assembly Robot Arm o Selective Compliance Articulated Robot Arm – sono realizzati con 4 assi (4 DoF) e si muovono lungo assi verticali fissi, effettuando rotazioni su uno stesso piano.
Consentono il posizionamento dell’oggetto in un volume X,Y,Z a cui viene aggiunta la rotazione. In pratica in un piano orizzontale si muovono 2 bracci articolati, incernierati ad una estremità con un asse verticale fisso, mentre all’altra estremità libera si trova un asse Z, rispetto al quale sono consentiti il movimento verticale e la rotazione. Dato che il movimento verticale avviene lungo un solo asse, la struttura è più semplice e quindi più affidabile e meno costosa rispetto ai modelli articolati. Esistono anche SCARA realizzati con soli 3 assi X,Y,Z.
Sono robot molto rapidi e versatili rispetto ai robot cartesiani che eccellono nei movimenti laterali e trovano impiego negli assemblaggi verticali, che non richiedono capacità di orientazione dei pezzi manipolati, nel pick and place e nell’incisione.
Le aziende più importanti nel mercato secondo degli SCARA, secondo Markets and Markets, sono Seiko Epson, Yamaha Motor, Yaskawa, Denso, Staubli, Mitsubishi Electric, Kawasaki Heavy Industries, Abb, Toshiba Machine, Comau, Nachi-Fujikoshi, Kuka, Fanuc, Omron Adept, Durr, Hiwin Technologies, Janome, Hirata, Delta Electronics, Fisnar, Gridbots, Japan Unix e Innovative Robotics, mentre Adtech e Googoltech risultano aziende emergenti del settore.
Robot antropomorfi
I robot antropomorfi o articolati sono così chiamati perché realizzati ad imitazione della capacità di movimento del braccio e della mano dell’uomo. Hanno una struttura molto mobile in quanto sono composti da una serie di giunti che possono variare da 4 a 7, ad ognuno dei quali corrisponde un grado di libertà (DoF), e che consentono al robot di raggiungere qualsiasi posizione e orientazione all’interno del loro volume di lavoro.
Solitamente sono caratterizzati da 6 assi, cioè 6 DoF grazie ai quali svolge movimenti complessi e ad alta variabilità lungo gli assi X,Y e Z. Aggiungendo un ulteriore asse, che può essere lineare o rotativo, si ottiene un robot con ridondanza cinematica, ovvero un manipolatore industriale a 7 DoF, con più assi di quelli necessari per un determinato compito. Una configurazione che consente di eliminare delle singolarità del robot e conferisce al sistema una maggiore rigidità e una migliore distribuzione dei carichi.
Si tratta di robot la cui applicazione è molto diffusa nel settore automobilistico per il montaggio, l’assemblaggio e la saldatura dei pezzi, manipolazione di materiale, carico e scarico macchine e imballaggio.
I principali players operanti sul mercato secondo Markets and Markets sono Abb, Fanuc, Kuka, Yaskawa Electric, Kawasaki Heavy Industries, Omron Adept Technology, Nachi-Fujikoshi, American Robot Corporation, Seiko Epson, Denso e Aurotek Corporation.
Alla categoria dei robot antropomorfi appartengono anche le sottocategorie dei robot collaborativi (cobot), anche se la sequenza dei cinematismi è diversa dal classico e tradizionale robot antropomorfo a 6 assi, e dei cosiddetti robot palletizer o pallettizzatori, utilizzati nelle applicazioni di fine linea. Solitamente questi robot hanno 4 o 5 assi (X,Y,Z + 1/2 rotazioni) e lavorano con la flangia del robot parallela al pavimento.
Robot Picker (Delta)
I robot Picker o Delta (o robot spider) sono anche noti come robot paralleli, perché caratterizzati da una struttura cinematica parallela grazie alla quale sono in grado di eseguire applicazioni di automazione più complesse rispetto ai manipolatori a 6 DoF. Sono realizzati da tre bracci collegati tramite giunti ad un’unica base che sormonta l’area di lavoro, all’interno della quale gli stessi bracci muovono un singolo tool in modo rapido e preciso, controllando direttamente ogni sua articolazione.
Vengono tipicamente impiegati nelle applicazioni di prelievo e posizionamento (pick and place) e packaging nell’industria alimentare, farmaceutica ed elettronica. I robot delta possono avere 3, 4 o 6 assi.
Le aziende produttrici più rappresentative di questo mercato sono, secondo Transparency Market Research, Fanuc, Yaskawa Electric, ABB, Nachi-Fujikoshi, Denso, Mitsubishi Robotics, Epson Robots, Stäubli, B+M Surface Systems GmbH, Omron Adept Technologies, Kuka, Kawasaki, Comau Robotics, Universal Robots, Wittmann Battenfeld Group, Siasun Robot and Automation, Rethink Robotics, Delta Electronics, Hiwin Technologies, Seiko Epson, Midea Group, igus GmbH, ONExia, Panasonic, Robert Bosch GmbH e Schunk.
Robot collaborativi, la tendenza più recente del mercato
I robot collaborativi, meglio noti come cobot (collaborative robot), costituiscono l’apice nell’evoluzione della robotica. Sono robot nati per soddisfare l’esigenza di condividere in sicurezza lo spazio di lavoro con gli esseri umani e sono caratterizzati da un’elevata flessibilità. Generalmente più facilmente programmabili rispetto agli antropomorfi, con i quali hanno in comune i 6 o più gradi libertà, la forma articolare simile al braccio umano e la possibilità di integrazione al polso con svariati tools per l’automatizzazione delle operazioni più diverse, sono caratterizzati da una cinematica snella, decisamente leggera e di dimensioni contenute che consente loro di lavorare in spazi aperti e di interagire con l’ambiente che li circonda.
Il primo modello di cobot è stato sviluppato da Universal Robots nel 2008.
Quello della robotica collaborativa è un mercato in continua crescita. Secondo i dati dello studio Global Collaborative Robots Market Size, Share & Industry Trends Analysis di ReportLinker, le dimensioni del mercato globale dei robot collaborativi dovrebbero raggiungere i 10,8 miliardi di dollari entro il 2028, con una crescita annua del 40,1%.
Tra gli attori di spicco nel mercato globale dei robot collaborativi ritroviamo, secondo Grandview research, ABB, Denso Robotics, Epson Robots, Energid Technologies, F&P Robotics, Fanuc, Kuka, Mrk-Systeme Gmbh, Precise Automation, Rethink Robotics, Robert Bosch, Universal Robots, Yaskawa Electric, Mabi Robotic, Techman Robot, Franks Emika, Aubo Robotics, Comau e Onrobot.
Robot mobili: AGV e AMR
I robot di cui abbiamo parlato finora appartengono alla tipologia dei manipolatori fissi o stazionari. Accanto ad essi, nella classificazione generale, possiamo considerare anche quelli mobili, cioè capaci di muoversi liberamente, su binari oppure su ruote.
Nel primo caso, l’esempio più comune è quello degli AGV (Automated Guided Vehicles), veicoli a guida automatizzata, impiegati soprattutto nel settore della logistica, dove servono per il trasporto e la movimentazione dei pezzi dal magazzino alla linea di produzione o caricare un pallet direttamente sulla linea grazie alla comunicazione wireless.
Per spostarsi seguono dei “marcatori”, delle guide o delle “bande colorate” posti sulla pavimentazione, o utilizzano laser e visori (Laser Guided Vehicle). In base alle tecnologie utilizzate, possono avere un livello di automazione più o meno alto.
I robot mobili a guida automatica (AMR o Autonomous Mobile Robots), più recenti ed evoluti degli AGV, sono in grado di muoversi e navigare senza l’intervento umano. A differenza degli AGV, che devono seguire un percorso obbligato e nel caso di ostacoli presenti sul loro percorso sono costretti a fermarsi, gli AMR, grazie a sensori e software, sono in grado di aggirarli e, identificando l’ambiente circostante, di seguire percorsi predeterminati.
Una nuova generazione dei robot mobili è rappresentata dai robot ambulanti che sono dotati di gambe e piedi con i quali si muovono anche su terreni e superfici irte di difficoltà imitando la camminata degli esseri umani o degli animali. Quello dei robot ambulanti è un campo di ricerca attualissimo e ancora sperimentale, soprattutto su micro-scala, nel quale si stanno studiando mini-robot da utilizzare per riparare o assemblare piccole strutture o macchine nell’industria e come assistenti chirurgici nel medicale, impiegati in procedure minimamente invasive e innovative.
