Automazione grazie all’evoluzione dell’hardware

28th September 2017
Posted By : Enaie Azambuja
Automazione grazie all’evoluzione dell’hardware

Anche se l'automazione (una disciplina che nasce per identificare tutto ciò che è necessario per far funzionare una macchina - o un processo - in modo automatico, ossia senza l’intervento dell’uomo) ci accompagna fin dagli anni '70, i recenti progressi nei settori dell'intelligenza artificiale (AI) e dell'apprendimento automatico hanno contribuito ad accelerare la sua adozione in nuovi comparti applicativi.

Mark Patrick, Mouser Electronics

Nei prossimi anni un numero sempre maggiore di attività verrà automatizzato negli stabilimenti produttivi, sulle nostre strade e persino nel settore dei servizi. Discussioni di natura politica ed economica a parte, la tecnologia alla base di questo nuovo livello di automazione è avvincente e le sue potenzialità virtualmente illimitate.

Robot per lo smistamento dei pacchetti

Con i veicoli autonomi, i droni addetti alle consegne e i robot che preparano gli hamburger che si profilano all'orizzonte ma non sono ancora così diffusi, è una facile tentazione pensare che gli ostacoli propri del mondo reale stiamo facendo un buon lavoro per "tenere a bada" questa nuova ondata di automazione. Anche se, in realtà, oggigiorno i robot autonomi hanno già un forte impatto sulla realtà.

Ciò è evidenziato, in modo abbastanza simpatico anche se vagamente "minaccioso" in questo video dove un esercito di piccoli robot arancioni smista centinaia di pacchetti in un magazzino.

Un lavoratore carica i pacchetti sopra ciascuno di questi piccoli lavoratori robotizzati, ciascuno dei quali legge automaticamente le informazioni relative alla destinazione del pacchetto, si sposta lungo l'area di smistamento verso la destinazione assegnata e infila il pacchetto nello scivolo corretto.

A differenza dei lavoratori tradizionali, questi piccoli robot arancioni non necessitano di pause o di cibo, lavorano senza commettere errori e si auto-ricaricaricano: in definitiva possono lavorare notte e giorno.

Oltre ai robot per lo smistamento dei pacchetti, HIKVision (l'azienda che produce i robot arancioni) realizza anche veicoli terrestri di maggiori dimensioni in grado di operare in maniera autonoma che possono trasportare carichi più pesanti.

Sono infatti disponibili robot per la movimentazione dei pezzi, lo smistamento dei pallet e persino per il parcheggio "intelligente". In quest'ultimo caso, il robot si presenta sotto la forma di una piattaforma mobile in grado di sollevare un autoveicolo e trasportalo nell'area di parcheggio libera.

Nel caso di questi robot, sia che vengano utilizzati in applicazioni di logistica, produzione o per il parcheggio, l'elemento da sottolineare non è tanto il fatto che svolgono le loro mansioni senza rimostranza alcuna, oppure a costi più contenuti, ma lo eseguono "alla perfezione".

I robot per lo smistamento dei pacchetti sono piccoli e si muovono con assoluta precisione, ragion per cui lo spazio occupato all’interno dell’impianto di smistamento è ridotto. In modo del tutto analogo, i robot preposti al parcheggio "intelligente" sono in grado di sollevare e ruotare una macchina sul posto, utilizzando quindi in modo più efficiente l'area di parcheggio rispetto a quanto farebbe un tradizionale parcheggiatore: in tal modo è possibile parcheggiare più auto a parità di superficie. In definitiva, tutto ciò conferisce maggiore efficienza ed economicità a questi processi.

Tecnologia dell'automazione

Per poter rendersi conto della tecnologia che sta alla base dei robot addetti allo smistamento dei pacchetti è utile un breve "excursus" sui progenitori di questi sistemi. I veicoli a guida automatica (AGV - Automated Guided Vehicle) da utilizzare in stabilimenti e magazzini sono in attività fin dagli anni ’50 per semplificare la movimentazione del materiale.

Per la navigazione questi veicoli utilizzano guide fisiche per posizionarsi su percorsi fissi. Disponibili in differenti tipologie, queste guide fisiche devono essere costruite o comunque predisposte sotto forma fili installati sul pavimento, strisce di nastro o dipinte su muro. Disposizioni di questo tipo non tengono conto della possibilità che una scatola o un utensile (o persino un operatore infortunato) possa trovarsi accidentalmente su questi percorsi.

I moderni AGV, come i robot proposti da HIKVision, non devono far ricorso a guide di natura fisica. Essi utilizzano sensori inerziali (come quelli presenti sugli smartphone) unitamente a tecnologie avanzate di visione artificiale, del tutto simili a quelle impiegate nei veicoli a guida autonoma.

Sfruttando i sensori e la navigazione inerziale, abbinati a tecniche avanzate di elaborazione delle immagini, questi robot sono in grado di attraversare l'ambiente in cui si trovano con l'unico ausilio di funzionalità naturali.

Essi, inoltre, possono reagire in modo dinamico in presenza di ostacoli e non seguire "alla cieca" percorsi prestabiliti senza possibilità di reagire a variazioni impreviste che potrebbero verificarsi.

Navigazione inerziale

La crescente miniaturizzazione dei sensori MEMS ha permesso l'integrazione di sofisticati sistemi di rilevamento in smartphone, droni e AGV che consentono loro di posizionarsi senza ricorrere al alcun orientamento esterno.

I sensori inerziali più avanzati al momento disponibili sono dispositive a 9 assi, che integrano funzioni di accelerometro, bussola e giroscopio a 3 assi. In questo modo è possibile il tracciamento accurato di velocità, distanza percorsa e orientamento senza richiedere riferimenti prestabiliti.

Visione artificiale

Grazie all'uso di tecniche di visione artificiale, i robot possono spostarsi nell'ambiente in modo quasi del tutto analogo a quello degli esseri umani, identificando visivamente gli ostacoli e individuando i percorsi più adatti che si trovano nelle vicinanze.

Le tecniche basilari di visione artificiale utilizzate per gli spostamenti prevedono l'uso di filtri per l'elaborazione delle immagini, utili per il rilevamento dei bordi o il riconoscimento delle superfici.

Modelli più avanzati sfruttano tecniche di "deep learning" che prevedono l'uso di reti neurali convoluzionali (le stesse impiegate per la guida autonoma). Queste reti neurali consentono ai robot di imparare a riconoscere oggetti col trascorrere del tempo, migliorando in tal modo la loro capacità di prendere decisioni e individuare il percorso migliore.

Poiché la visione artificiale è una tecnica che richiede l'esecuzione di una discreta mole di calcoli, essa è stata implementata solo in tempi abbastanza recenti. L'avvento di dispositivi SoC a elevate prestazioni ha permesso di utilizzare questa tecnica per la realizzazione di AGV e di altri veicoli autonomi.

Questi chip di costo contenuto, pur essendo caratterizzati da un'efficienza energetica tale da consentirne l'uso in dispositivi alimentati a batteria (come i droni), sono in grado di gestire il flusso di dati tipico di applicazioni di questo tipo.

I più recenti SoC di fascia alta, come ad esempio i processori della serie Apollo Lake di Intel, integrano GPU ad alte prestazioni in grado di effettuare elaborazioni delle immagini avanzate in tempo reale.

Sensori
Anche le più avanzate tecniche di visione artificiale non hanno ancora raggiunto la perfezione. Veicoli autonomi e AGV devono ancora prevedere l'uso di sensori per evitare gli ostacoli in modo sicuro (fail-safe).

Sensori di contatto fisico, a ultrasuoni e a infrarossi vengono utilizzati per verificare la capacità di comprensione dell’ambiente circostante in modo da evitare che i robot si urtino tra di loro o con altri eventuali ostacoli.

Connettività wireless

Oltre alla navigazione autonoma avanzata e alla possibilità di evitare gli ostacoli, gli odierni AGV si distinguono per un'altra importante caratteristica: la connettività wireless. Attraverso un collegamento Wi-Fi gli AGV possono collegarsi a un’interfaccia di gestione attraverso la quale possono venire monitorati dal personale addetto o da un software automatico al fine di ottimizzare il flusso del traffico.

Collegati al software per la pianificazione della logistica, essi possono essere disposti in base alle necessità oppure la loro attività può venire ridotta per risparmiare elettricità. E’ inoltre possibile modificare i loro percorsi o i loro compiti in modo da adattarsi ai cambiamenti dei requisiti all’interno di un’azienda.

Sviluppi futuri

I progressi nel campo della visione artificiale e dell’intelligenza artificiale e la disponibilità di sistemi embedded ad alte prestazioni, sensori e moduli wireless hanno permesso a un numero sempre più vasto di settori industriali di poter beneficiare dei vantaggi propri dell’automazione.

Dai robot per lo smistamento automatico dei pacchetti al parcheggio e alla consegna dei pacchi automatizzati, l’abbinamento tra l’intelligenza artificiale e le piattaforme hardware basate su SoC sta contribuendo all’aumento del grado di automazione nei settori della logistica, della produzione e persino dei servizi a un livello mai sperimentato finora.


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