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Cobot: cosa sono e quali sono i vantaggi dei robot collaborativi

Condividono lo spazio di lavoro con gli esseri umani senza barriere di sicurezza: come sono fatti i cobot, come funzionano, dove vengono applicati e con quali benefici, come programmarli

Che cosa sono i robot collaborativi

I cobot – collaborative robot, sono i robot collaborativi, progettati per condividere lo spazio di lavoro con gli esseri umani senza barriere protettive intorno. Non sostituiscono ma affiancano gli operatori, interagendo in modo funzionale all’esercizio di un compito: la collaborazione deriva dal loro utilizzo, oltre che dalle loro proprietà. Non a caso, per alcuni è più corretto definire come collaborative le applicazioni e non le macchine robotiche vere e proprie.

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I cobot non hanno fattezze umane ma imitano le capacità umane di movimento e percezione: non sono quindi robot umanoidi, ma antropomorfi.

Spesso si configurano come uno o due bracci robotici con almeno sei gradi di libertà, ovvero capaci di compiere movimenti su sei assi perpendicolari: tre di traslazione (avanti-indietro, sopra-sotto, sinistra-destra) e tre di rotazione. Per ogni asse sono previste apposite giunture, soprattutto giunti sferici, così da poter far ruotare il braccio a 360°, con maggiore flessibilità e precisione. Ogni asse è comandato da un motoriduttore, ovvero un riduttore di velocità.

Il cobot è l’insieme del “braccio”, dell’Unità di Controllo e del Terminale di Programmazione.

Cobot - Racer5 Comau - www.comau.com

Cobot – Racer5 Comau – www.comau.com

Un braccio cobot è costituito da una base, fissa e ancorata alla piastra-base o piastra di fissaggio: un cobot può essere installato a pavimento, a parete, su piano inclinato, a soffitto ma sempre su una struttura di supporto tra la piastra-base e il piano. Esistono anche modelli “da tavolo”. Dentro la piastra-base si trovano i connettori dei segnali (encoder, motori, freni) e il connettore Ethernet per la gestione dei dati che sale lungo tutta la struttura meccanica. Sopra la piastra-base, le parti del cobot vengono dette: colonna, braccio, avambraccio, corpo del polso, flangia, polso/testa. Il polso/testa è personalizzabile con le diverse soluzioni EOAT – End-Of-Arm-Tooling, ovvero gli strumenti che costituiscono gli organi di presa del cobot, a partire dai gripper, le “pinze”.

I connettori dentro la piastra-base, talvolta posizionati anche dentro il corpo del polso, vengono collegati tramite appositi fili all’Unità di Controllo, una “centralina di elaborazione” esterna che monitora e gestisce il movimento degli assi attraverso appositi motori e un encoder, cioè un codificatore, ad alta risoluzione. L’Unità di Controllo si interfaccia sia con il “braccio” che con il Terminale di Programmazione da cui ha ricevuto le istruzioni.

Istruzioni che non vengono impartite prima dell’inserimento sulla linea di produzione, ma sulla base dei movimenti e delle operazioni compiuti dall’operatore umano: il cobot li memorizza e li replica grazie ai sistemi di visione e di elaborazione dei dati provenienti dai diversi tipi di sensori, apprendendo sul campo. A seconda delle mansioni assegnate, i cobot possono apprendere movimenti e task diverse e possono essere riprogrammati.

Ideati a metà degli anni Novanta, i cobot sono presenti sul mercato dai primi anni Duemila: secondo Interact Analysis, società specializzata in ricerche di mercato per l’automazione industriale, la robotica collaborativa crescerà tra il 15 e il 20% nel 2021, a fronte del 9,2% dell’intero settore della robotica industriale, e terrà ritmi sostenuti fino al 2028. Tra i principali produttori di cobot: ABB, Aubo Robotics, Automata, Comau, Doosan Robotics, FANUC, Franka Emika, Kuka AG, Precise Automation, Productive Robotics, Techman Robot, Universal Robots e Yaskawa Motoman.

Video – Come funziona un cobot – Universal Robots Italia

I cobot sono regolati dalla specifica tecnica ISO/TS 15006: dedicata esplicitamente alla sicurezza per i robot industriali collaborativi e l’ambiente di lavoro, integra le indicazioni delle norme ISO 10218-1 e 10218-2, rivolte alla sicurezza per i robot industriali, e le armonizza alla luce della Direttiva Macchine 2006/42/EC. Norme che forniscono le linee guida per la progettazione, le misure protettive e le informazioni di utilizzo dei robot, a cui si aggiunge la norma ISO 13849-1, che dettaglia l’analisi del rischio di funzione di una macchina e stabilisce i livelli di prestazione (Performance Level) per la funzione di sicurezza e di protezione dell’operatore.

Su tutti i robot industriali, le norme prevedono sistemi di controllo della velocità e stop di emergenza. Per i cobot, hanno individuato: lo Stop di Sicurezza Monitorato (Safety-rated Monitored Stop), ovvero il fermo-robot alla presenza dell’operatore; la Guida Manuale (Hand Guiding), con in dotazione stop di emergenza, dispositivo di attivazione, riduzione velocità e movimento; il Monitoraggio della Posizione e della Velocità (Speed and Separation Monitoring), con il mantenimento di una distanza definita di separazione dall’operatore con relativa eventuale riduzione della velocità; la Limitazione della Potenza e della Velocità (Power and Force Limitation) sia in fase di progettazione che attraverso un sistema di controllo che valuta la soglia di pressione sui corpi esposti al pericolo di contatto.

Funzioni garantite da sistemi di visione, incorporati nel braccio o nell’area di lavoro, sistemi anticollisione e pellicole sensorizzate che percepiscono la prossimità.

Possono essere considerati cobot anche alcuni particolari tipi di AGV – Automatic Guided Vehicle, veicoli a guida automatizzata, usati come carrelli nella logistica: le soluzioni più avanzate prevedono, ad esempio, una testa rotante che emette periodicamente un raggio laser. Il raggio colpisce i catarifrangenti disposti nell’area di lavoro e permette al cobot non solo di orientarsi e muoversi “liberamente” ma anche di rilevare eventuali ostacoli fissi o mobili. Altri sistemi di localizzazione dei cobot AGV sono: il GPS; il sistema inerziale basato su transponder inseriti nel pavimento dell’area di lavoro e giroscopi montati sul carrello; la guida visuale basata sulla computer vision.

In tutti questi casi, infatti, l’AGV collabora con l’operatore umano: lo segue per raccogliere i colli da caricare, “capisce” il raggiungimento del livello di pieno carico, si avvia autonomamente alla fase successiva trasportando i colli dove necessario. Tra i principali produttori di AGV: Bito, Indeva, Omron, SwissLog. Tra i principali distributori: Alumotion.

Video – L’uso dei cobot in una fabbrica di Shanghai – OMRON Industrial Automation EMEA (Inglese)

Caratteristiche dei cobot e differenze con i robot

I cobot, a differenza dei tradizionali robot industriali, sono progettati per poter condividere lo spazio con gli esseri umani. Non hanno quindi i costi di progettazione, messa in opera, manutenzione, definizione di piani di sicurezza e installazione di celle operative dei robot.

Progettati per carichi di lavoro inferiori, sono soggetti a minor usura, anche per l’operatività in ambienti non ostili, dovuta alla presenza contemporanea degli operatori.

I cobot hanno una capacità di carico dai 0,5 ai 110 chilogrammi, pesano dai 2 agli oltre 1000 chili con estensione del braccio da 50 cm a quasi 3 metri. In generale, sono più leggeri e più compatti dei robot: occupano meno spazio e sono più flessibili, perché riprogrammabili facilmente, anche dagli addetti dell’azienda. Sono quindi particolarmente adatti alle piccole-medie produzioni con frequenti variazioni nella lunghezza del lotto e del mix.

La peculiarità del cobot è la capacità di effettuare una sequenza di attività diverse ad alta precisione, quindi passare da un compito all’altro senza interruzioni. Ma, come il robot, può essere usato anche per una singola operazione ripetitiva grazie al machine tending, l’asservimento macchina, applicabile a numerose tipologie di macchine industriali, dalle CNC – Computerized Numerical Control, ovvero le macchine a controllo numerico, fino alle piegatrici e ai macchinari impiegati nei processi di pressofusione.

Anche in questo caso, non necessita di protezioni e barriere perimetrali di sicurezza perché in grado di fermarsi/ridurre velocità e movimento alla presenza dell’operatore.

Il cobot è altamente personalizzabile in base alle esigenze: sulla sua “testa” possono essere montati diversi strumenti, a seconda dell’attività richiesta.

Quali sono le applicazioni dei robot collaborativi

I cobot vengono usati principalmente nella produzione manifatturiera, nella logistica e nel medicale.

Nell’industria manifatturiera, i cobot automatizzano le operazioni di assemblaggio di precisione: avvitatura, saldatura, inserimento/messa in posizione di parti. Ad esempio, mentre l’operatore tiene il manufatto, il cobot ne avvita le viti, come un “assistente”. I cobot sono impiegati nelle attività di lucidatura/verniciatura, perché lucidano anche superfici irregolari, di incollaggio e dosatura, perché erogano con precisione la quantità esatta di materiale necessario riducendo gli sprechi.

Quindi, possono anche essere impiegati nel riempimento di biscotti in uno stabilimento che produce dolciumi.

Video – Decorazione automatica di biscotti e impilamento di vassoi – Apex Motion Control

I sistemi di visione di cui è dotato il cobot lo rendono un valido supporto per il controllo qualità, con il rilevamento di componenti difettosi e non conformi prima del confezionamento. Gli stessi sistemi di visione consentono di automatizzare buona parte delle attività di prelievo e posizionamento materiali.

Una parte importante delle applicazioni del cobot riguarda il machine tending, l’asservimento macchine: il cobot si collega e controlla la maggior parte delle macchine industriali, con relativo miglioramento dell’efficienza e della qualità delle prestazioni. Tra queste, particolarmente diffuso è il machine tending delle macchine CNC, a controllo numerico, utilizzate nello stampaggio a iniezione: i cobot gestiscono gli stampi a iniezione per la prototipazione e le piccole produzioni con precisione e cadenza richieste.

Video – Cobot e macchine CNC: casi d’uso – Alumotion Milano (in inglese)

I cobot nella logistica vengono impiegati sia nella forma di bracci robotici che di AGV. I primi principalmente per il confezionamento e il picking, ovvero il prelievo dei singoli pezzi dalla scaffalatura per comporre l’ordine da spedire: i cobot analizzano i parametri dei prodotti e decidono il modo migliore per impilarli sui bancali. Ne deriva una pallettizzazione di precisione che riduce costi e cicli di lavorazione. I secondi invece vengono impiegati per automatizzare la movimentazione dei materiali nelle fasi di carico/scarico. Ad esempio, nell’industria farmaceutica le compresse, chiuse nei blister, spesso vengono inserite nelle confezioni e inscatolate dai cobot, a basso rischio di contaminazione.

Nel settore medicale, i cobot vengono utilizzati nelle mappature pre-operatorie e per le indagini diagnostiche come particolari tipi di endoscopia e colonscopia indolori. Possono essere utilizzati nelle operazioni di microchirurgia o chirurgia mininvasiva, con il chirurgo che opera seduto ad una console e utilizza comandi manuali che azionano i bracci robotici.

Quali benefici portano i cobot

I cobot sollevano gli operatori da compiti meccanici e ripetitivi, potenziandone le capacità, recuperando efficienza nelle prestazioni e riducendo i rischi relativi alla salute dovuti al sovraccarico da attività usuranti. I cobot possono essere riprogrammati e riposizionati, con la relativa ottimizzazione degli spazi in termini di flessibilità. Limitano la possibilità di errore e la possibilità di produrre fuori standard qualitativo, riducendo i costi delle rilavorazioni. Migliorano la produttività, perché consentono di aumentare i volumi e ridurre i tempi.

A dicembre 2012, la Daimler, società automobilistica proprietaria del marchio Mercedes-Benz, ha siglato un accordo per lo sviluppo di cobot da impiegare sulle linee di produzione per attività di previsione.

Nel settembre 2013 nello stabilimento americano di Spartanburg, il BMW Group ha installato quattro cobot utili nella fase di assemblaggio delle porte dell’autovettura, quindi nella sigillatura che isola l’abitacolo dalle infiltrazioni d’acqua e dai rumori esterni: la pellicola con il cordone adesivo viene messa in posizione e leggermente pressata dagli operai ma non viene più fissata con il rullo manuale, ma dalle teste a rullo sui bracci robotici, che eseguono il compito ad alta intensità con la massima precisione. L’operaio è esentato dall’assumere posizioni scomode e logoranti, oltre che portare utensili pesanti.

Cobot BMW Spartanburg – Press kit

Nello stabilimento di Dingolfing, in Germania, i cobot sono invece usati nell’assemblaggio degli assi anteriori, con pezzi fino a 5,5 chilogrammi da avvitare con precisione millimetrica: operazioni che grazie alla collaborazione uomo-macchina avvengono in meno di 30 secondi. Un processo che ha portato il Gruppo, nel febbraio 2020, a firmare un accordo quadro per la fornitura di 3500 robot per le nuove linee di produzione, tra cui i cobot per le linee di assemblaggio con movimentazione di pezzi pesanti come pneumatici o parti di carrozzeria.

La Maserati, parte del gruppo automobilistico Stellantis, utilizza cobot per la lucidatura e per l’inserimento automatico della batteria nelle vetture. La Bosch Siemens Hausgeräte, azienda tedesca di elettrodomestici, usa da anni i cobot per la fase di avvitatura di connessioni per lavastoviglie: se il componente non è equilibrato, il cobot riequilibra il telaio prima di compiere l’operazione.

Il Gentofte Hospital, l’ospedale dell’università di Copenaghen a Gentofte, ha integrato due cobot in due diverse fasi del processo di catalogazione dei campioni di sangue prelevati: il primo cobot preleva la provetta, e, in base al codice a barre univoco e al colore del tappo, la posiziona nel rack; il secondo preleva il rack e manda tutte le provette in analisi. Un sistema che gestisce 3000 campioni di sangue al giorno, quindi 7-8 provette al minuto, con esiti diagnostici entro un’ora dal ricevimento del campione.

È facile programmare un robot collaborativo?

I cobot si caratterizzano per la facilità nella programmazione. I cobot possono essere programmati o tramite tablet (terminale di programmazione) touch screen, quindi utilizzando le funzioni di trascinamento della selezione, o spostando manualmente il braccio robotico in un percorso ideale a punti, chiamati waypoint.

La prima modalità usa le funzioni drag-and-drop sul touchscreen; la seconda modalità, chiamata free drive, attraverso i waypoint registra le coordinate di movimento che serviranno al cobot per ripeterlo.

I sensori sul cobot consentono di avvertire anche i movimenti più impercettibili e di riprogrammare la macchina ogni volta che sia necessario.

 

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