Che cos'è la robotica industriale?

La robotica industriale è un ramo della robotica che si occupa della progettazione, costruzione e implementazione di macchine automatizzate (robot) per svolgere compiti in ambienti produttivi e industriali.

I robot industriali sono progettati e programmati per gestire in modo efficiente e affidabile una serie di attività specifiche, ripetitive e pericolose. Oggi sono impiegati in molti settori diversi e lavorano insieme agli esseri umani per ottimizzare le operazioni logistiche, migliorare i processi di controllo qualità e accelerare la produzione. 

I robot industriali vengono utilizzati in molti settori, dall'industria automobilistica fino ad applicazioni avanzate in ambito sanitario, e molti altri.

Industria automobilistica

I robot industriali sono ampiamente utilizzati nelle linee di produzione automobilistiche per saldature di precisione, verniciatura e operazioni di assemblaggio ad alta velocità. Nel 2025, si stima che circa il 65% delle aziende del settore automobilistico utilizzi robot industriali. Molte grandi aziende automobilistiche come BMW, Tesla, Toyota e Mercedes-Benz hanno adottato i robot industriali in numerose operazioni. La maggior parte dei robot utilizzati sono robot articolati (a 5 o 6 assi) e vengono impiegati per migliorare precisione e sicurezza dei processi produttivi, con il vantaggio aggiuntivo di poter saldare in punti difficili da raggiungere, inaccessibili o troppo rischiosi per gli esseri umani (ad esempio a causa di fumi tossici). L'uso dei robot nell'industria automobilistica ha contribuito a ridurre i costi del lavoro, migliorare la sicurezza e accelerare la produzione, riducendo al contempo i costi di produzione.

Healthcare

I robot industriali vengono utilizzati nel settore sanitario per diverse attività, tra cui la manipolazione sterile e l'ispezione di componenti farmaceutici, lo sviluppo di protesi avanzate (esoscheletri, ecc.) e la chirurgia endoscopica robotica. La chirurgia robotica rappresenta l'ambito più avanzato della robotica industriale, utilizzando bracci articolati ed end-effector ad altissima precisione. I chirurghi possono usare i bracci robotici come estensione delle proprie braccia. Attualmente vengono eseguiti oltre 2 milioni di interventi chirurgici assistiti da robot ogni anno e si stima che il mercato della robotica sanitaria possa superare i 45 miliardi di dollari entro il 2030 e i 54 miliardi entro il 2034.

Questi robot permettono a chirurghi molto esperti, che magari non hanno più la stessa destrezza della giovinezza, di eseguire interventi prolungati. Consentono anche la chirurgia a distanza, rendendo possibili interventi avanzati in aree rurali o remote che normalmente non avrebbero accesso a cure specialistiche, a condizione che vi sia una buona connettività 5G via comunicazione satellitare per evitare latenza durante l'intervento. Numerose aziende sviluppano robot industriali per il settore sanitario, tra cui Intuitive Surgical Inc, Stryker, Medtronic, Smith & Nephew, Siemens Healthineers e molte altre.

Settore aerospaziale e difesa

Nel settore aerospaziale i robot industriali vengono utilizzati in modo diverso rispetto all'industria automobilistica. Poiché i volumi di produzione non sono altrettanto elevati, i robot vengono impiegati meno nelle linee di assemblaggio aerospaziali. Vengono principalmente utilizzati per la stratificazione di materiali compositi su fusoliere e altri componenti critici. I robot industriali nel settore aerospaziale contribuiscono a ridurre gli sprechi, migliorare la sicurezza e rendere la produzione più sostenibile.

Tuttavia, sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di difesa. Il settore della difesa utilizza i robot industriali per la movimentazione dei materiali e per missioni esplorative pericolose, come la ricerca di mine e bombe nascoste, esplorazioni subacquee e operazioni nucleari in ambienti contaminati da radiazioni. I robot vengono utilizzati in ambienti considerati troppo rischiosi per l'uomo.

La NASA e il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, insieme a grandi aziende aerospaziali come Airbus, Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman e Raytheon, utilizzano tutti robot industriali. Molte di queste stanno integrando l'intelligenza artificiale avanzata per rendere i robot ancora più intelligenti.

Produzione elettronica

I robot industriali sono ampiamente utilizzati anche nelle linee di assemblaggio di elettronica e semiconduttori. Sono impiegati per svolgere attività sensibili alla contaminazione e che richiedono precisione a livello micrometrico e alta produttività. I robot SCARA e i robot delta (con tre bracci collegati a giunti universali alla base) sono ampiamente utilizzati per la movimentazione dei wafer, la gestione dei componenti e operazioni di assemblaggio come la saldatura.

Secondo la Federazione Internazionale della Robotica, l'industria elettronica globale utilizza circa 1 milione di robot, di cui circa 506.000 impiegati esclusivamente per componenti elettronici industriali. L'aumento dell'uso dei robot è guidato dalla crescente domanda di produzione, che dovrebbe crescere del 5,6% annuo almeno fino al 2030, con l'Asia-Pacifico in testa con il 42% della quota di mercato, seguita dall'Europa con il 28% e dal Nord America con il 23%.

Logistica

Nel settore della logistica vengono utilizzati robot collaborativi (cobot) e robot mobili per ridurre i costi e migliorare l'efficienza. Sono impiegati per automatizzare le operazioni di magazzino e garantire un'efficienza 24 ore su 24, 7 giorni su 7, che gli operatori umani non possono mantenere (poiché necessitano di riposo). Nei contesti logistici, i robot industriali svolgono attività di picking e posizionamento, smistamento, palletizzazione, tracciamento intelligente delle scorte tramite Internet of Things (IoT) e navigazione nei magazzini. Amazon è l'esempio più grande e noto di utilizzo della robotica logistica e oggi dispone di oltre 1 milione di robot nei propri magazzini. Entro il 2027, si stima che il mercato globale dell'automazione dei magazzini varrà 41 miliardi di dollari.

Esistono molti tipi diversi di robot industriali utilizzati in settori differenti e per scopi diversi; inoltre, molte classi di robot possono anche sovrapporsi tra loro. Di seguito una panoramica delle classi di robot industriali più comuni.

Robot articolati

I robot articolati sono robot con giunti rotativi multi-asse. Hanno un'elevata manovrabilità e capacità di destrezza simili a quelle umane. Sono molto comuni nella produzione automobilistica e, sebbene siano più costosi rispetto a robot più semplici, sono altamente personalizzabili, versatili e adattabili a molti utilizzi.

Robot SCARA

I robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) sono robot semplici che si muovono principalmente in orizzontale, con una capacità di movimento verticale limitata. Nonostante la loro semplicità, sono più efficienti dei robot articolati per attività planari come le operazioni di pick-and-place. Sono diventati molto comuni nell'industria elettronica e farmaceutica, grazie alla loro compattezza, alla bassa manutenzione richiesta e alla facilità di integrazione nei flussi di lavoro esistenti.

Robot cartesiani

I robot cartesiani sono robot industriali semplici, spesso utilizzati in applicazioni simili alla produzione additiva. Il loro movimento è lineare e definito in base a coordinate cartesiane. Sono economici e facili da utilizzare come i robot SCARA, ma hanno una flessibilità limitata. Tuttavia, possono essere facilmente integrati in sistemi di automazione e flussi di lavoro collaborativi.

Robot Delta

I robot Delta si riconoscono dalla loro forma a "D" (delta). Sono tra i robot più veloci utilizzati nelle applicazioni industriali e vengono quindi spesso impiegati per operazioni di pick-and-place ad alta velocità. Sono ampiamente utilizzati nei settori del packaging, farmaceutico ed elettronico perché mantengono alte prestazioni di velocità per lunghi periodi. Tuttavia, sono più complessi rispetto ad altri robot a causa della presenza di più bracci, strutture a parallelogramma e del fatto che il movimento dei bracci è controllato da una base fissa invece che dagli end-effector (un sistema noto come cinematica inversa).

Robot cilindrici

I robot cilindrici sono leggermente diversi dagli altri bracci robotici. Hanno un braccio principale che può muoversi su e giù invece di muoversi lungo un asse lineare, creando un movimento di estensione e retrazione. Utilizzano un sistema di coordinate tridimensionale per definire le posizioni e le azioni da eseguire. Sono utilizzati in applicazioni di movimentazione, saldatura a punti, fusione e stampaggio, rivestimento e finitura, oltre che in operazioni automatizzate su nastri trasportatori.

Robot industriali mobili

I robot industriali mobili sono robot in grado di muoversi all'interno di un impianto. Esistono due principali tipologie: guidati e non guidati.

I robot mobili guidati sono chiamati AGV (Automated Guided Vehicles) e seguono un percorso fisso all'interno dell'impianto, senza mai deviare dal tragitto. Molti robot presenti nei magazzini Amazon sono AGV. Sono inoltre ampiamente utilizzati nella produzione di semiconduttori.

I robot mobili non guidati sono noti come robot mobili autonomi (AMR). Questi robot utilizzano diversi sensori (ad esempio telecamere, lidar, sensori a ultrasuoni, infrarossi e unità di misura inerziale IMU) e algoritmi di localizzazione e mappatura simultanea (SLAM) per navigare autonomamente negli ambienti senza seguire un percorso guidato, evitando gli ostacoli lungo il tragitto (e trovando automaticamente un nuovo percorso se quello iniziale è bloccato). Gli AMR vengono utilizzati in molte applicazioni, tra cui linee di produzione, magazzini, operazioni di sicurezza e sorveglianza, missioni di esplorazione e trasporto di attrezzature negli ospedali.

Robot collaborativi (Cobot)

I cobot sono sistemi robotici progettati per lavorare insieme tra loro e/o con gli esseri umani in modo collaborativo, senza entrare in collisione. Non sono facilmente distinguibili come categoria a sé stante, poiché i cobot possono appartenere a diversi tipi di robot. Tutti i robot fissi possono essere progettati per lavorare in modalità collaborativa, ma i cobot sono più complessi perché richiedono alta precisione, protocolli di sicurezza, consapevolezza spaziale e sistemi di comunicazione per operare in sincronia. I sensori sono una componente fondamentale dei cobot, poiché la capacità di "percezione" e riconoscimento visivo è essenziale per evitare collisioni tra bracci robotici o con operatori umani all'interno di uno spazio di lavoro definito. Questi robot sono importanti per l'Industria 5.0 e supportano gli sviluppi più recenti nel machine learning e nell'intelligenza artificiale.

Anche se oggi molti sistemi di robot industriali sono già consolidati, i nuovi progressi tecnologici continuano a spingere i limiti di ciò che è possibile fare con la robotica moderna.

Robot umanoidi

Con l'avanzare della robotica, i robot umanoidi funzionali stanno diventando sempre più efficienti e si stanno avvicinando a una diffusione su larga scala. I robot umanoidi, come gli esseri umani, utilizzano pinze, manipolatori e altri arti per svolgere attività delicate. Molti progressi nella tecnologia della locomozione e dell'intelligenza artificiale vengono applicati ai robot umanoidi, ma esistono ancora alcuni colli di bottiglia tecnologici da superare.

Sviluppi avanzati di sensori e hardware

La crescente diffusione degli AMR e dei cobot ha stimolato nuove innovazioni nella tecnologia dei sensori avanzati. Questi robot richiedono capacità di percezione intelligente basate su sensori evoluti, riconoscimento delle immagini e tecnologie di comunicazione per operare in sicurezza. Con robot dotati di numerosi giunti e molti sensori integrati, sono necessari algoritmi complessi per elaborare e analizzare tutti i dati raccolti, in modo da poter prendere decisioni e azioni appropriate. Per questo motivo, nelle ultime generazioni di robot sono diventate sempre più importanti le unità di elaborazione centrale (CPU) avanzate e le unità di elaborazione grafica (GPU). Inoltre, le comunicazioni senza latenza tramite 5G/6G stanno diventando sempre più importanti per il controllo dei robot (soprattutto di quelli che si muovono o interagiscono con altri robot/esseri umani).

Robotica soft

La robotica soft è un altro ambito che negli ultimi anni ha conosciuto un forte sviluppo. Invece di strutture rigide metalliche, i robot soffici sono realizzati con materiali più delicati e flessibili, come polimeri, elastomeri e idrogel. I robot soft possono essere utilizzati come parte di giunti e attuatori nei robot umanoidi per offrire maggiore flessibilità e ampiezza di movimento senza la necessità di più motori, ma questi materiali possono anche essere impiegati per costruire robot autonomi (spesso di piccole dimensioni) che imitano il comportamento animale.

Intelligenza artificiale (AI) e machine learning (ML)

L'integrazione di AI/ML sta aumentando in tutti i domini della robotica, contribuendo alla creazione di robot industriali con capacità avanzate di percezione e rilevamento. Ad esempio, i progressi includono una maggiore precisione nell'interpretazione dei dati visivi (combinando informazioni provenienti da più sensori e sistemi di visione) per identificare forma e dimensione degli oggetti nelle operazioni di pick-and-place, evitare ostacoli durante la navigazione autonoma o riconoscere meglio i gesti delle mani umane. Inoltre, l'AI/ML contribuisce a integrare forme di cognizione e intelligenza nei robot industriali per migliorare il processo decisionale avanzato e l'analisi di scenari "what-if". L'intelligenza artificiale viene inoltre utilizzata, insieme ai dati dei sensori, per la manutenzione predittiva, riducendo guasti e tempi di inattività e migliorando così la produttività.

I robot sono diventati una presenza stabile in molte operazioni di produzione e magazzino. Sebbene siano utili e offrano numerosi vantaggi, presentano anche alcuni svantaggi.

Vantaggi della robotica industriale

• Aumento della produttività e della velocità operativa in molte applicazioni
• Maggiore capacità di sollevare carichi pesanti e pericolosi (ad esempio rifiuti nucleari), aumentando la sicurezza negli ambienti industriali
• Utilizzo in contesti pericolosi, come cantieri ad alto rischio e infrastrutture complesse (ad esempio tunnel), evitando di esporre a rischi la vita umana
• Miglioramento delle capacità decisionali e rimozione di oggetti indesiderati nei nastri trasportatori in ambienti di produzione intelligente
• Riduzione dei costi nel lungo periodo grazie a maggiore produttività, efficienza e minore spreco

Svantaggi della robotica industriale

• Costi iniziali elevati, poiché molti robot industriali sono costosi da acquistare e installare
• Preoccupazioni da parte dei lavoratori riguardo alla sicurezza del posto di lavoro, poiché l'adozione dei robot può portare alla perdita di occupazione in alcuni settori
• Maggiori costi in caso di malfunzionamenti a causa della complessità dei sistemi robotici
• Costi di manutenzione continui, inclusi aggiornamenti software e hardware, che possono essere elevati
• Crescita delle preoccupazioni sulla privacy a causa di telecamere, microfoni e sensori integrati nei robot
• Maggiore rischio per la sicurezza umana quando le persone lavorano insieme a cobot e robot di assistenza

Man mano che i robot diventano più complessi, con l'aggiunta di più componenti che funzionano in modo diverso ma devono comunque operare insieme, l'uso della simulazione e della modellazione avanzata può semplificare il processo di progettazione ed evitare prototipi inutili e costosi.

La simulazione può essere utilizzata in tutte le fasi del processo di progettazione robotica. Nella fase di progettazione concettuale, i progettisti possono esplorare le possibilità legate a geometria, giunti, attuatori e sensori, e lavorare sui vincoli ambientali. Nella fase di progettazione dettagliata, analisi più approfondite di cinematica e dinamica possono aiutare a valutare le prestazioni in termini di vibrazioni e la durabilità del progetto. Gli ingegneri possono anche eseguire simulazioni multifisiche per osservare l'effetto di temperatura, umidità o campi elettromagnetici sui progetti di robot industriali. I robot industriali possono inoltre essere simulati sia a livello di sistema sia a livello di singolo componente.

Ecco alcune soluzioni Ansys utilizzate per simulare e migliorare i progetti robotici industriali:

Software Ansys Motion di simulazione dinamica multicorpo: utilizzato per determinare in che modo i movimenti dei giunti influenzano la posizione dell'end-effector e come diversi carichi possono generare forze e coppie differenti in punti critici.

Solver avanzato di campi elettromagnetici Ansys Maxwell: utilizzato anche per progettare motori robotici e sistemi di controllo.

Software di analisi degli elementi finiti strutturali Ansys Mechanical , software di previsione dell'affidabilità dell'elettronica Ansys Sherlock, software per la simulazione elettromagnetica di PCB e package elettronici Ansys SIwave: questi strumenti vengono utilizzati per un approccio multifisico volto a studiare il comportamento fisico dei singoli componenti e dei sistemi, oltre alle forze che agiscono su di essi.

Piattaforma di digital twin basata sulla simulazione Ansys Twin Builder: software di digital twin basato su simulazione, utilizzato per sviluppare modelli a livello di sistema.

Software di simulazione strutturale dinamica non lineare Ansys LS-DYNA: Serve a determinare l'entità dei danni al robot stesso e all'ambiente dopo una collisione.

Software di simulazione elettromagnetica ad alta frequenza Ansys HFSS: È utilizzato anche per progettare antenne e sistemi di comunicazione nei robot industriali avanzati, oltre che per modellare diversi sensori elettromagnetici.

Software per la simulazione di componenti fotonici Ansys Lumerical,Ansys Zemax OpticStudio, il software per la progettazione e analisi di sistemi ottici, Ansys Speos, il software per la simulazione ottica e illuminotecnica integrata CAD: questi strumenti sono utilizzati per progettare componenti ottici e sensori ottici, come i sistemi di visione, dalla generazione delle sorgenti luminose fino alla simulazione a livello di componente, sistema e ambiente.

Se desideri approfondire come un approccio multifisico possa aiutare a progettare robot industriali più avanzati e più sicuri, contatta il nostro team tecnico.

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