Soluzioni per applicazioni di automazione sicure, efficienti e altamente pure

2ndSCIN® è una copertura protettiva per robot e altri componenti di automazione destinati all'uso in ambienti sterili. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Con i suoi marchi di prova, il Fraunhofer IPA ha già testato e certificato oltre 2.500 prodotti e materiali in tutto il mondo per la loro pulizia e idoneità alle camere bianche. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Dimostratore per il framework software di »retavi« (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / Con il nuovo framework software »retavi«, le aziende possono automatizzare le loro macchine, sistemi e processi indipendentemente dall'hardware. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

CARA semplifica il processo di valutazione del rischio per i robot collaborativi attraverso un supporto intelligente e semi-automatizzato dell'utente. (© Fraunhofer IPA) / CARA semplifica il processo di valutazione del rischio per i robot collaborativi attraverso un supporto intelligente e semi-automatizzato dell'utente. © Fraunhofer IPA

Sul banco di prova automatico di collisione, i Cobots vengono misurati una sola volta, generando un modello di collisione che può essere utilizzato per la progettazione della sicurezza. (© Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez) / I Cobots vengono misurati una volta sul banco di prova automatico di collisione, creando un modello di collisione che può essere utilizzato per la progettazione della sicurezza. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Alla fiera Automatica di quest'anno, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia della produzione e l'automazione IPA presenta numerose soluzioni che – anche 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 nella Hall A4 allo stand 314.

Che si trovi nell'area di produzione, in una camera bianca o in laboratorio: ormai ovunque vengono impiegati robot e altri componenti di automazione, principalmente per attività ripetitive, fisicamente impegnative o pericolose. Tuttavia, prima che siano installati, programmati e configurati, spesso passa molto tempo. L'obiettivo principale è quindi «Automazione dell'automazione». Ciò significa che la configurazione e l'avviamento vengono eseguiti con strumenti adeguati in modo molto più automatizzato rispetto al passato, risparmiando tempo e costi.

Dal 24 al 27 giugno 2025, l'Istituto Fraunhofer IPA mostrerà a Automatica a Monaco di Baviera una serie di soluzioni che, anche sfruttando le 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 impianti

Ricercatori come David Breunig del team di ricerca sulle architetture IT per la produzione all'Istituto Fraunhofer IPA hanno sviluppato un framework software con cui le aziende possono automatizzare l'intera produzione. I controllori programmabili (PLC), che finora regolano il funzionamento di macchine e impianti e sono installati in grandi quantità nelle fabbriche, potrebbero diventare superflui. «Chi oggi acquista il PLC di un produttore affermato, si trova dipendente dal suo hardware, ambiente di sviluppo e linguaggio di programmazione», spiega Breunig, «e proprio questo vogliamo cambiare con il nostro framework software.»

Per dimostrare come funziona questa automazione definita dal software, Breunig e il suo team hanno realizzato un demonstratore che mostra il funzionamento e l'uso del framework. I visitatori possono così conoscere sullo schermo i singoli moduli del framework e creare o ottimizzare un progetto di automazione.

Insieme a una collega e due colleghi, Breunig intende avviare un'attività autonoma con il framework software. La sua startup, retavi GmbH, entrerà ufficialmente in funzione entro la fine dell'anno.

Manipolatori mobili intelligenti e versatili

I robot umanoidi attirano molto l'attenzione dei media e avranno un ruolo importante anche a Automatica. Secondo uno studio dell'Istituto Fraunhofer IPA nell'ambito del centro di eccellenza «Sistemi di apprendimento e robotica cognitiva», molte aziende mostrano scarso interesse affinché i robot possano muoversi come un essere umano. Piuttosto, gli esperti intervistati vedono il massimo potenziale nel fatto che gli oggetti umanoidi possano afferrare in modo altrettanto flessibile quanto un essere umano. Ed è proprio qui che si inserisce un recente sviluppo dell'Istituto Fraunhofer IPA. A causa dei numerosi gradi di libertà di una mano robotica, non è efficiente programmare in modo dettagliato tutti i movimenti di presa. Per ovviare a questo, l'IPA sta studiando approcci per un apprendimento rapido e intuitivo di movimenti complessi di presa e manipolazione.

Le prese possono essere ad esempio apprese tramite simulazioni e Deep Reinforcement Learning. L'obiettivo non è solo il controllo delle mani robotiche, ma soprattutto l'insegnamento intuitivo e l'apprendimento di nuove applicazioni per sistemi robotici completamente flessibili – comprese piattaforme mobili multi-arma e multi-grip. A tal fine vengono utilizzate tecniche moderne come l'Imitation Learning e i cosiddetti modelli di fondazione (Foundation Models). Vengono impiegate istruzioni in linguaggio naturale, esecuzioni teleoperate e sequenze umane dimostrate, per trasmettere in modo efficiente le capacità dei robot.

Il demonstratore allo stand offre una panoramica pratica di alcuni aspetti della tecnologia e mostra come le idee principali della ricerca attuale possano essere trasferite in applicazioni concrete. Inoltre, si ha l'opportunità di approfondire le sfide dei metodi di imitation learning e dei modelli di fondazione, e di capire come un approccio ibrido possa colmare specifiche lacune combinando capacità robotiche collaudate e parametriche con metodi basati sull'apprendimento.

Robot di laboratorio intelligenti e flessibili per la manipolazione e il dosaggio di liquidi

La carenza di personale qualificato si fa sentire anche in laboratori e strutture mediche. Il personale esistente trascorre gran parte della giornata in attività monotone e routinarie, che ritardano le attività a maggior valore aggiunto. Per questo motivo, le soluzioni di automazione sono molto richieste in questo ambito. Tuttavia, un sistema «standard» di solito non si adatta, poiché le attività e gli oggetti da gestire sono molto vari. Per questo, l'IPA sta sviluppando un kit software adattabile per robot di laboratorio autonomi, che consenta di automatizzare in modo efficiente tali attività routinarie. Ad esempio, i robot potranno essere in grado di raccogliere materiali di consumo rilevanti, dosare autonomamente sostanze chimiche o campioni, prelevare «just in time» campioni sensibili da frigoriferi o armadi termici, o addirittura condurre esperimenti in modo completamente autonomo. Per farlo, il robot deve saper localizzare e afferrare contenitori vari, pesare con precisione liquidi e solidi, aprire armadi e porte e navigare autonomamente.

All'Automatica, l'IPA presenterà lo stato attuale dello sviluppo tramite un demonstratore che può dosare liquidi di diversa viscosità in modo automatizzato e suddividerli in recipienti di destinazione definiti.

Implementare in modo sicuro la collaborazione uomo-robot parzialmente automatizzata

Le soluzioni di automazione moderne devono essere il più possibile flessibili, anche a causa di piccoli lotti di produzione. Tuttavia, ciò implica anche che le misure di sicurezza devono essere continuamente adattate. Alla base ci sono la valutazione del rischio e la marcatura CE – due processi ancora molto lunghi e che richiedono competenze specialistiche. Per semplificare e accelerare la progettazione della sicurezza, l'IPA ha sviluppato strumenti sia per la fase di pianificazione che per quella di utilizzo.

Il prodotto espositivo «CARA» è uno strumento per la fase di pianificazione, che supporta in modo completo la valutazione della sicurezza. Aiuta i professionisti con una simulazione 3D a pianificare e attuare tutte le misure di sicurezza necessarie in sei passaggi prima dell'avvio di un impianto. CARA considera parametri come potenziali pericoli, distanze di sicurezza e l'interazione possibile tra uomo e macchina. Le collisioni e i rischi di schiacciamento vengono identificati automaticamente. Successivamente, lo strumento propone misure per ridurre i rischi.

Durante la fase di pianificazione, vengono inoltre utilizzati modelli di collisione sviluppati dall'IPA tramite un banco di prova automatizzato. Questi affrontano il problema che le forze e le pressioni massime ammissibili in caso di collisione limitano le velocità e i tempi di ciclo del robot, riducendo così le prestazioni dell'impianto. Tuttavia, le forze che si verificano durante il funzionamento sono difficili da calcolare matematicamente. Una volta creati, i modelli di collisione permettono di stimare con precisione le prestazioni già in fase di pianificazione. CARA può fare affidamento su questi modelli.

Programmazione intuitiva dei robot tramite una nuova interfaccia utente

Ancora oggi, la programmazione dei robot rappresenta spesso un collo di bottiglia per un'installazione o una riconfigurazione efficiente di un'applicazione. Come ridurre le competenze necessarie e programmare i robot in modo efficiente anche con grande varietà di varianti, viene mostrato da una nuova interfaccia utente basata su un esempio di applicazione di smontaggio simulata nel padiglione. Questa interfaccia consente di combinare singoli skill, cioè capacità del robot, in un compito completo. A questo scopo vengono utilizzati blocchi di skill dal software «pitasc» dell'IPA, che possono essere assemblati e combinati senza conoscenze di programmazione specifica, in modo applicativo.

Automazione in ambienti altamente puri: 2ndSCIN® e Tested Device®

2ndSCIN® è una custodia protettiva brevettata, che rende pronti all'uso robot e altri componenti di automazione per la produzione in ambienti ultrapuri. La custodia è costituita da un tessuto multistrato, traslucido e mobile, che imita la pelle umana. Lo strato tessile è dotato di sensori che misurano costantemente parametri come concentrazione di particelle, contaminazione chimica, pressione o umidità. Algoritmi basati su IA analizzano questi dati e consentono, ad esempio, una manutenzione predittiva. A seconda dell'applicazione, possono sovrapporsi due o più strati tessili separati da distanziatori.

Ne gli spazi interni, si può aspirare o espellere aria, per rimuovere particelle provenienti dall'ambiente o dal componente di automazione. L'introduzione di gas speciali negli spazi interni permette di sterilizzare il sistema. La custodia può essere sostituita in circa un'ora e, dopo una decontaminazione, riutilizzata. «2ndSCIN® è estremamente modulare, così possiamo adattarla alle esigenze specifiche. Rispondiamo così a molte richieste di custodie protettive per ambienti di produzione puliti, che i prodotti attuali non soddisfano», spiega Udo Gommel, responsabile del settore di produzione a contaminazione critica all'IPA. Lui e il suo team presenteranno 2ndSCIN® a Automatica.

Da molti anni, l'IPA offre anche metodi per il controllo delle emissioni di particelle, fuoriuscite di gas, scariche elettrostatiche e altri requisiti. Per i prodotti testati, viene rilasciato il marchio Tested Device®, che i visitatori possono consultare anche allo stand. Le aziende ottengono con il rapporto di prova personalizzato un attestato di purezza e idoneità per ambienti di produzione, dispositivi o materiali di consumo. Le analisi coprono ambienti di produzione come ambienti di sala bianca atmosferici, camere bianche asciutte e condizioni di vuoto.