Alla fiera di quest'anno Automatica, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA presenta numerose soluzioni che - grazie all'intelligenza artificiale (IA) - semplificano e accelerano notevolmente la pianificazione, la programmazione e l'apprendimento dei robot. Visibile dal 24 al 27 giugno 2025 nel padiglione A4, stand 314.
Che si tratti di una sala di produzione, di una sala bianca o di un laboratorio: ovunque oggi vengono utilizzati robot e altri componenti di automazione, supportando principalmente attività ripetitive, fisicamente impegnative o pericolose. Tuttavia, fino a quando non sono installati, programmati e configurati, spesso passa molto tempo. L'obiettivo principale è quindi 'Automazione dell'Automazione'. Ciò significa che la configurazione e l'avvio avvengono in modo molto più automatizzato rispetto al passato, risparmiando tempo e costi.
Il Fraunhofer IPA presenta dal 24 al 27 giugno 2025 all'Automatica di Monaco una serie di soluzioni che, utilizzando anche tecnologie IA, semplificano e accelerano notevolmente la pianificazione, la programmazione e l'apprendimento dei robot, automatizzando parzialmente questi processi.
Un framework software per tutte le macchine e gli impianti
Scienziati guidati da David Breunig del team di ricerca Architetture IT per la produzione presso il Fraunhofer IPA hanno sviluppato un framework software che consente alle aziende di automatizzare l'intera produzione. I controllori programmabili (SPS), che finora regolano il funzionamento di macchine e impianti e sono installati in gran numero nelle fabbriche, potrebbero diventare superflui.
'Chi oggi acquista l'SPS di un produttore affermato diventa dipendente dal suo hardware, ambiente di sviluppo e linguaggio di programmazione', afferma Breunig, 'e questo è esattamente ciò che vogliamo cambiare con il nostro framework software.'
Per dimostrare come funziona questa automazione definita dal software, Breunig e il suo team hanno costruito un dimostratore che mostra il funzionamento e l'uso del framework. I visitatori possono conoscere i singoli moduli del framework software e creare o ottimizzare un progetto di automazione.
Insieme a una collega e due colleghi, Breunig pianifica di avviare un'attività in proprio con il framework software. La loro start-up, la retavi GmbH, avvierà ufficialmente le operazioni alla fine dell'anno.
Manipolatori mobili intelligenti flessibili
I robot umanoidi stanno attualmente ricevendo molta attenzione nei media e giocheranno un grande ruolo anche all'Automatica. Secondo uno studio del Fraunhofer IPA nell'ambito del centro di avanzamento IA 'Sistemi che apprendono e Robotica cognitiva', molte aziende hanno però poco interesse affinché i robot possano muoversi come un essere umano. Invece, i professionisti intervistati vedono il maggiore potenziale nel fatto che gli oggetti umanoidi possano afferrare in modo simile e flessibile come un essere umano. E proprio qui si inserisce uno sviluppo attuale del Fraunhofer IPA. Infatti, a causa dei numerosi gradi di libertà di una mano robotica, non è efficiente programmare ampiamente i robot per questi processi di presa. Per affrontare questo, il Fraunhofer IPA sta esplorando approcci per l'apprendimento rapido e intuitivo di movimenti complessi di presa e manipolazione.
I processi di presa possono essere appresi, ad esempio, in una simulazione e con il Deep Reinforcement Learning. Al centro non c'è solo il controllo delle mani robotiche, ma soprattutto l'istruzione intuitiva e l'apprendimento di nuove applicazioni per sistemi robotici flessibili completi - inclusi piattaforme mobili multiuso con più bracci e pinze. A tal fine vengono utilizzati metodi moderni come l'Imitation Learning e i cosiddetti modelli di base. Qui vengono utilizzate istruzioni in linguaggio naturale, esecuzioni teleoperate e processi dimostrati da esseri umani per trasmettere in modo efficiente le capacità dei robot.
Il dimostratore allo stand fornisce una panoramica pratica di aspetti selezionati della tecnologia e mostra esemplari come le idee centrali della ricerca attuale possano essere trasferite nell'applicazione. Inoltre, c'è l'opportunità di saperne di più sulle sfide degli attuali metodi di Imitation Learning e dei modelli di base, e su come un approccio ibrido possa colmare lacune esistenti combinando capacità robotiche collaudate e parametrizzabili con metodi basati sull'apprendimento.
Robotica di laboratorio flessibile per la manipolazione e dosaggio di liquidi
La carenza di personale qualificato non risparmia nemmeno laboratori e strutture mediche. Il personale attuale trascorre gran parte del proprio tempo di lavoro quotidiano con compiti monotoni di routine, che ritardano attività più elevate e di valore. Pertanto, le soluzioni di automazione sono molto richieste in questo contesto. Tuttavia, un sistema 'standard' è spesso inadeguato, poiché i compiti e gli oggetti da gestire sono vari.
Il Fraunhofer IPA sta quindi sviluppando un kit software adattabile per robot di laboratorio autonomi, che consente di automatizzare in modo efficiente tali lavori di routine. Ad esempio, i robot dovrebbero essere in grado di raccogliere beni di consumo rilevanti per il processo, dosare autonomamente sostanze chimiche o campioni, prelevare campioni delicati 'just in time' da frigoriferi o armadi riscaldati o, in prospettiva, eseguire esperimenti completamente in autonomia. A tal fine, il robot deve padroneggiare compiti come la localizzazione e la presa di contenitori vari, la pesatura precisa di diversi liquidi e solidi, l'apertura di armadi e porte e la navigazione autonoma.
All'Automatica, il Fraunhofer IPA mostra lo stato attuale dello sviluppo attraverso un dimostratore che può dosare automaticamente liquidi di diversa viscosità e suddividerli in contenitori di destinazione definiti.
Implementare in modo sicuro la collaborazione uomo-robot parzialmente automatizzata
Le moderne soluzioni di automazione devono essere il più flessibili possibile a causa delle piccole dimensioni dei lotti. Ciò significa anche che le misure di sicurezza devono essere continuamente adattate. La base per questo sono la valutazione del rischio e la marcatura CE - due processi che attualmente sono ancora molto lunghi e richiedono molta esperienza. Pertanto, il Fraunhofer IPA ha sviluppato strumenti sia per la fase di pianificazione che per quella di utilizzo, che semplificano e accelerano la progettazione della sicurezza.
Il campione espositivo 'CARA' è uno strumento per la fase di pianificazione che supporta ampiamente la progettazione della sicurezza. Aiuta i professionisti con una simulazione 3D a pianificare e implementare tutte le misure di sicurezza necessarie già prima dell'avvio di un impianto in sei passaggi. CARA considera parametri come potenziali pericoli, distanze di sicurezza e la possibile interazione tra uomo e macchina. I rischi di collisione e schiacciamento vengono identificati automaticamente. Successivamente, lo strumento fa proposte per misure di riduzione del rischio.
Anche nella fase di pianificazione, i modelli di collisione, che vengono determinati tramite una stazione di prova automatizzata sviluppata dal Fraunhofer IPA, sono utili. Affrontano la sfida che le forze e le pressioni massime ammissibili in caso di collisioni possono limitare le velocità e i tempi di ciclo del robot, riducendo così le prestazioni dell'impianto. Tuttavia, le forze che si verificano in esercizio sono difficili da calcolare matematicamente. Una volta creati, i modelli di collisione consentono di valutare con precisione le prestazioni già nella fase di pianificazione. CARA può fare riferimento a questi modelli.
Programmazione intuitiva dei robot tramite una nuova interfaccia utente
La programmazione dei robot è ancora spesso un collo di bottiglia quando si tratta di un'impostazione o di una riconfigurazione efficiente di un'applicazione. Come ridurre le competenze specialistiche necessarie e programmare i robot in modo efficiente anche con un'alta varietà di varianti è dimostrato da una nuova interfaccia operativa utilizzando un'applicazione di smontaggio simulata nello stand. L'interfaccia operativa consente di combinare singole competenze, ovvero capacità del robot, in un compito completo.
A tal fine vengono utilizzati moduli di competenza dal software "pitasc" del Fraunhofer IPA, che possono essere assemblati e combinati specificamente per l'applicazione senza conoscenze di programmazione.
Automazione in ambienti ultra-puri: 2ndSCIN e Tested Device
2ndSCIN è un rivestimento protettivo brevettato che rende pronti all'uso robot e altri componenti di automazione mobili per la produzione ultra-pura. Il rivestimento è composto da un tessuto permeabile, mobile e multistrato, che imita il funzionamento della pelle umana. Lo strato di tessuto è dotato di sensori che misurano continuamente parametri come la concentrazione di particelle, la contaminazione chimica, la pressione o l'umidità.
Algoritmi basati su IA analizzano questi dati dei sensori e consentono, ad esempio, una manutenzione predittiva. A seconda dell'applicazione, possono sovrapporsi due o più strati di tessuto, separati da distanziatori.
Negli spazi vuoti, ad esempio, può essere aspirata o convogliata aria. In questo modo possono essere rimossi particelle provenienti dall'ambiente o dal componente di automazione. L'introduzione di gas speciali negli spazi del sistema consente, ad esempio, la sua sterilizzazione. Il rivestimento può essere cambiato in circa un'ora e può essere riutilizzato dopo una decontaminazione. "2ndSCIN è estremamente variabile nella costruzione, così possiamo soddisfare esigenze individuali. In questo modo affrontiamo molte richieste per rivestimenti protettivi adatti alla purezza per componenti di sala bianca che i prodotti precedenti non soddisfano", spiega Udo Gommel, responsabile della produzione critica alla contaminazione presso il Fraunhofer IPA. Lui e il suo team presentano 2ndSCIN all'Automatica.
Da molti anni, il Fraunhofer IPA offre anche procedure per le emissioni di particelle, l'emissione di gas, l'ESD e altri requisiti. Per i prodotti esaminati viene assegnato il marchio di prova Tested Device, di cui anche i visitatori della fiera possono informarsi presso lo stand. Le aziende ricevono con il rapporto di prova specifico per prodotto e cliente una conferma della purezza e dell'idoneità all'uso in sala bianca dei loro impianti, dispositivi o materiali di consumo. Le indagini comprendono gli ambienti di produzione sale bianche atmosferiche, sale bianche asciutte e condizioni di vuoto.
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