Coral, il cobot operaio di Fraunhofer Italia (Noi Techpark) che “imita” l’operatore umano

di Marco de' Francesco ♦︎ Il modello messo a punto dalla società tedesca consiste in un framework multimodale per l’accesso alle applicazioni tecnologiche: il lavoro su contratto con i privati e la partecipazione di questi a progetti di valenza europea; la possibilità per le aziende di aderire a partnership con multinazionali e atenei. Tre i campi di studio dell’istituto: automazione e meccatronica – robotica -; ingegneria di processo delle costruzioni – progetto Sincro -; ingegneria dei modelli di business - sostenibilità ed economia circolare. Parla Andrea Giusti, dell’Advanced Robotics di Fraunhofer Italia

Il cobot Coral di Fraunhofer Italia

Si immagini un robot collaborativo che non ha bisogno di programmazione né di tecnici esperti: apprende dall’esempio umano, semplicemente osservando i movimenti della persona con cui divide gli spazi. È il cobot a prova di semplice operaio: ora esiste, si chiama Coral e costituisce un avanzamento importante, se si intende portare tecnologie d’avanguardia nelle aziende di qualsiasi dimensione.

Il trasferimento tecnologico, d’altra parte, è l’obiettivo dell’istituto in cui l’invenzione è stata realizzata e testata: Fraunhofer Italia, parente stretto della più nota Fraunhofer-Gesellschaft di Monaco di Baviera, il gigante europeo della ricerca applicata. La versione del Belpaese è arrivata a Bolzano dieci anni fa, e da tre ha sede a Noi Techpark, il parco scientifico e tecnologico inaugurato a Bolzano appunto nell’ottobre 2017.







Condivide con la Società tedesca il “modello Fraunhofer”, un framework multimodale per l’accesso alle applicazioni tecnologiche: il lavoro su contratto con i privati e la partecipazione di questi a progetti di valenza europea; la possibilità concessa alle aziende di aderire a partnership con multinazionali e atenei e tanto altro che in seguito analizzeremo. Diversamente dall’istituto bavarese, però, l’istituto italiano si riferisce al frammentato tessuto industriale altoatesino o nazionale, che non è quello tedesco: si punta a coinvolgere le Pmi. Inoltre, non ha migliaia di dipendenti e decine di istituti, per cui non può occuparsi di tutte le applicazioni pratiche della scienza: l’attività di Bolzano si focalizza in tre campi:

La sede di Fraunhofer Italia a Noi Techpark, il parco scientifico e tecnologico inaugurato a Bolzano nell’ottobre 2017

L’automazione e l’ingegneria meccatronica: in questo settore sono state realizzate tutte le innovazioni della robotica, di cui parleremo.

L’ingegneria di processo delle costruzioni: il tema è quello del monitoraggio delle prestazioni energetiche degli edifici.

L’ingegneria dei modelli di business: si tratta di sviluppare nuovi framework a supporto delle decisioni strategiche di imprese impegnate nella digital transformation.

Questo articolo trae spunto da una recente visita di Industria Italiana a Noi Techpark. Nell’occasione, abbiamo parlato con Andrea Giusti, coordinatore del centro applicativo Arena (Area for Research and Innovative Applications) e dell’area Advanced Robotics di Fraunhofer Italia.

 

Il modello Fraunhofer e la sua traduzione in Italia

Fraunhofer-Gesellschaft e Il framework multimodale di trasferimento tecnologico alle imprese

Andrea Giusti, coordinatore del centro applicativo Arena (Area for Research and Innovative Applications) e dell’area Advanced Robotics di Fraunhofer Italia

È probabile che quando la Società Fraunhofer è stata fondata, solo quattro anni dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale, gli accademici, gli imprenditori e i rappresentanti dell’amministrazione bavarese e del governo federale che avevano posato la prima pietra non potessero, in quel contesto difficile, prevedere gli sviluppi che l’operazione avrebbe comportato né i benefici a lungo termine per la manifattura tedesca. Però, già dagli anni Cinquanta, iniziarono a delinearsi l’anima, la natura e la finalità dell’ente: un apparato scientifico al servizio della rinascente industria della (allora) Germania Ovest.

Con il tempo, la Società ha dato vita ad un framework di trasferimento tecnologico, che è noto al mondo come “modello Fraunhofer”. Consiste in una gamma di possibilità di accesso al contributo scientifico. Ad esempio, un’azienda privata può siglare un contratto con la Società per la risoluzione di uno specifico problema tecnico; può partecipare a progetti di larga scala con partner multipli; può accedere alla cooperazione internazionale con università e multinazionali straniere; può stringere tramite Fraunhofer partnership strategiche con grandi aziende o beneficiare dei rapporti che la Società stringe con il Cluster territoriali.

Il meccanismo del finanziamento privato ha funzionato tanto bene che già negli anni Novanta Fraunhofer godeva di un budget di oltre un miliardo di marchi tedeschi.

Attualmente dispone di un budget pari a 2,8 miliardi di euro,  per il 30% derivante dal finanziamento governativo e degli Stati federali, e per il restante dalle imprese. Secondo l’organizzazione, la dimensione del budget dipende in gran parte dal successo nel massimizzare le entrate dalle commissioni. Questo modello di finanziamento si applica non solo alla società centrale stessa, ma anche ai singoli istituti. Ciò serve sia a incoraggiare un approccio flessibile, autonomo e imprenditoriale alle priorità di ricerca della società.

Oggi Fraunhofer è la più importante società di ricerca applicata del mondo. Conta 74 istituti in Germania, ognuno focalizzato su campi diversi. È guidata dal presidente Reimund Neugabauer.

 

Obiettivi di Fraunhofer Italia

Fraunhofer Italia è stata fondata a Bolzano nel dicembre del 2009 come prima società estera indipendente nel Belpaese della Fraunhofer-Gesellschaft. A quel tempo, l’organizzazione di ricerca non-profit aveva soltanto tre collaboratori. Quanto al trasferimento tecnologico, si privilegia la ricerca che generi vantaggi per l’intera società.  Fraunhofer Italia si rivolge per lo più alle piccole e medie imprese del territorio, ma riceve richieste da tutta Italia. Ora l’organizzazione ha 30 dipendenti, per il 50% di età compresa tra i 30 e i 34 anni e per il 50% donne. Per i giovani ricercatori rappresenta una sorta di trampolino di lancio: in media, rimangono a Fraunhofer per un periodo compreso tra 5 e 10 anni prima di passare alla ricerca industriale o universitaria. Nel 2019 l’istituto ha lavorato su 11 progetti Fers per un volume di oltre tre milioni di euro.

 

Navigazione satellitare a prova di manomissione: per la loro tecnologia, Wolfgang Felber, Günter Rohmer e Alexander Rügamer (da sinistra a destra) hanno ricevuto il Premio Joseph von Fraunhofer

L’automazione e l’ingegneria meccatronica: tutte le novità

Coral, il Cobot che apprende dall’esempio umano

Coral è il robot collaborativo che apprende dall’esempio umano, semplicemente osservando i movimenti della persona con cui divide gli spazi. Tramite la visione artificiale, impara a distinguere osservando i pezzi e le attività dell’operatore

I robot industriali sono progettati per operare in modo autonomo, e lavorano all’interno di gabbie di sicurezza. Sono programmati per fare una sequenza definita di operazioni, per cui non c’è bisogno che conoscano l’ambiente che li circonda. Invece, i robot collaborativi, i cobot, sono strumenti destinati a interagire fisicamente con gli esseri umani in spazi di lavoro condiviso. Grazie ai sensori di movimento, a quelli per rilevare la forza impressa, a telecamere e a sistemi anticollisione, sono in grado di coordinare la propria azione con quella degli operatori umani. In genere, si tratta apparecchi piccoli e agili, studiati per manipolare le cose. Operano in contesti destrutturati, che però i cobot devono essere in grado di percepire e analizzare: ad esempio, i movimenti umani non sono sempre gli stessi, i tools da impiegare e i pezzi da trattare possono variare. Insomma, i cobot devono sapere dove si trovano e cosa fare.

Di qui l’invenzione di Coral, il “collaborative robotic assistant learning from demostrations” sviluppato nel centro applicativo di Fraunhofer a Noi Techpark – che ha, ha affermato Giusti, la funzione di «dimostrare alle aziende cosa si può fare con le moderne tecnologie». Coral è un cobot che apprende direttamente dall’esempio umano. In Noi Techpark, Industria Italiana ha potuto assistere, su uno schermo, ad una dimostrazione. Su un nastro trasportatore venivano rilasciati degli oggetti non conosciuti a priori dal cobot. L’operatore li separava, in base alla forma o al colore, disponendoli in scatole diverse. All’inizio, il robot non faceva nulla: era in fase di apprendimento; ma dopo alcune sessioni, iniziava a sostituire l’umano. L’avvicendamento non è immediato: c’è una fase, molto breve, in cui il tecnoco controlla che il cobot abbia appreso bene la lezione, e che svolga correttamente il lavoro. Superata positivamente la prova, il cobot è ufficialmente “assunto”.

Noi Techpark, il parco scientifico e tecnologico inaugurato a Bolzano nell’ottobre 2017

Coral rappresenta una novità interessante per la manifattura. Per Giusti, il cobot «non ha bisogno di un esperto programmatore e, se si trattasse di ripianificare il lavoro, basterebbe mostrare al robot quello che deve fare, e dopo un po’ di dimostrazioni avrebbe imparato la nuova lezione».  Ma come funziona? Come è possibile trasferire le abilità umane ad un sistema robotico? La soluzione combina visione artificiale, apprendimento automatico e robotica collaborativa.

Per capire, urge spiegare cosa sia l’apprendimento automatico. Anzitutto, il contesto è quello dell’intelligenza artificiale. Questa è costituita da algoritmi, e cioè di elenchi finiti di istruzioni, che risolvono ciascuno un determinato problema attraverso un certo numero di passi elementari. I “problemi” che si considerano sono quasi sempre caratterizzati da dati di ingresso variabili, su cui si opererà per giungere fino alla soluzione. Questi algoritmi sono sempre più complessi e vengono elaborati da computer e server sempre più potenti. Talvolta vengono costruiti per imitare alcuni singoli processi della mente umana, e da questo procedimento deriva il nome “intelligenza artificiale”.

Una delle tecniche di maggior successo dell’AI è l’apprendimento automatico, il machine learning. In pratica, il sistema impara dall’esperienza. Grazie a particolari algoritmi, è in grado di svolgere ragionamenti induttivi, elaborando regole generali definite associando l’input all’output corretto. Questi algoritmi vanno nutriti. Occorre una fase di addestramento, che in genere è supervisionato. È quando un “insegnante” fornisce all’algoritmo un dataset completo per l’allenamento.  Immagini che si riferiscono ad una chiave inglese, ad esempio: grazie alla visione di tante illustrazioni relative all’attrezzo, e ai metadata che ne descrivono gli attributi, il sistema apprende che cosa sia quell’utensile particolare, quali siano le sua caratteristiche peculiari, a cosa serva, e in che modo vada utilizzato. Il segreto di Coral è che questo passaggio avviene “live”: tramite la visione artificiale, impara a distinguere osservando i pezzi e le attività dell’operatore. Ciò comporta, peraltro, un’enorme riduzione dei tempi di apprendimento, e un’elasticità inimmaginabile con i sistemi tradizionali.

 

Altri avanzamenti nella robotica

Fraunhofer Gesellschaft, di Monaco di Baviera, è il gigante europeo della ricerca applicata che ha messo a punto il “modello Fraunhofer”. Consiste in una gamma di possibilità di accesso al contributo scientifico. Ad esempio, un’azienda privata può siglare un contratto con la Società per la risoluzione di uno specifico problema tecnico; può partecipare a progetti di larga scala con partner multipli; può accedere alla cooperazione internazionale con università e multinazionali straniere; può stringere tramite Fraunhofer partnership strategiche con grandi aziende o beneficiare dei rapporti che la Società stringe con il Cluster territoriali

Flexbin è un assistente cobot per il bin-picking. Il suo compito, cioè, è quello di raccogliere con delle pinze degli oggetti – dopo averli individuati con sensori ad esso collegati – e di riporli in appositi contenitori di una stazione di assemblaggio. Mentre Coral è fisso, Flexin è a base mobile. Si muove, cioè, nel suo ambiente, da un banco all’altro.  È dotato di un sistema di visione 3D ed utilizza una particolare procedura di calibrazione automatica on-the-fly per evitare errori di posizionamento.

Rosbim è invece un assistente robotico mobile per la logistica delle costruzioni. È stato progettato per il trasporto di carichi pesanti in un cantiere, e quindi per sgravare gli operatori da lavori faticosi e nocivi per la salute. Unisce il building information modeling (Bim) – e cioè un metodo per ottimizzare la pianificazione, la realizzazione e la gestione di costruzioni tramite aiuto di un software – e il robot operating system, un insieme di librerie software per lo sviluppo e la programmazione dei robot (Ros). Ros, peraltro, ha in sé driver e algoritmi all’avanguardia, ed è del tutto open source, con licenza libera e sistema operativo Linux.  I linguaggi sono C++ e Python. Comunque sia, la piattaforma segue il lavoratore in ambienti non strutturati, individua ed evita ostacoli statici e dinamici, anche non previsti a priori. La sua navigazione è resa più sicura grazie all’integrazione delle informazioni di progetto contenute nel citato modello Bim.

 

L’ ingegneria di processo nelle costruzioni: il progetto “Sincro” 

Come si diceva, il tema è quello del monitoraggio attivo delle prestazioni energetiche e della riduzione dei consumi degli edifici. Sincro sta per “sensible interactive control system for smarter building”. Il piano prevede lo sviluppo di una soluzione IT per la gestione dei dati di un edificio provenienti da diverse fonti grazie alle tecnologie IoT; l´implementazione di un sistema di gestione intelligente per l’impianto termico che integri i dati relativi al comfort indoor e profili predettivi delle utenze; infine, lo sviluppo di un´interfaccia interattiva con algoritmi di intelligenza artificiale, per coinvolgere gli utenti, fornendo loro informazioni su consumi energetici e suggerimenti per ridurre i consumi.

 

L’ ingegneria del modello di business: sostenibilità ed economia circolare al centro 

Come già detto, in questo campo Fraunhofer Italia sviluppa modelli a supporto delle decisioni strategiche di imprese e organizzazioni impegnate nella trasformazione digitale. Fra le tematiche, la sostenibilità e l’economia circolare. Sotto questo profilo, l’istituto di Bolzano ha sviluppato un sistema per una prima analisi della maturità e “circolarità” delle aziende, basato su un framework che rispecchia la realtà della maggior parte delle PMI e delle aziende in generale. La valutazione è relativa, ovvero permette di posizionare le aziende rispetto ad un ottimo oppure comparare le proprie prestazioni nel tempo. Permette, inoltre, di identificare le aree con maggiori margini di miglioramento aumentare le prestazioni in ottica circolare.














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