La "robotica morbida" può aprire nuove frontiere per i bracci robotici rigidi?

Il desiderio dell'umanità di sostituire il lavoro manuale con le macchine non è una novità, e di tanto in tanto una svolta rivoluzionaria riaccende questo sogno. Quest'anno, i robot umanoidi lanciati da aziende come Tesla e Xiaomi hanno riacceso l'interesse nel settore della robotica.

Tuttavia, la dura realtà rimane: prima che le macchine possano sostituire completamente gli esseri umani, è necessario raggiungere un'ampia collaborazione uomo-macchina. Il panorama robotico odierno è ancora in gran parte bloccato in un periodo caratterizzato da pochi prodotti innovativi o tecnologie dirompenti.

Prendiamo ad esempio i bracci robotici, una delle tecnologie più longeve e diffuse. Che si tratti di bracci industriali tradizionali o di quelli collaborativi di nuova generazione, gli obiettivi principali rimangono velocità e precisione nella produzione. Tuttavia, con l'aumento delle applicazioni che prevedono una stretta interazione fisica con gli esseri umani, la domanda si sta spostando verso la sicurezza.

Con il settore industriale che ha raggiunto la saturazione, il mercato dei bracci robotici necessita di nuove opportunità di crescita.

Immaginate un braccio robotico che non sia solo flessibile e sicuro, ma che supporti anche il controllo interattivo. Un design di questo tipo abbatte i confini dell'uso industriale tradizionale e apre le porte al settore dei servizi e non solo.

Per soddisfare questa esigenza, è emersa una nuova generazione di bracci robotici, caratterizzati da strutture morbide e flessibili e da un controllo intelligente. Questi sistemi sono disponibili in diverse configurazioni, come versioni con giunti pieghevoli, giunti telescopici e design ibridi rigido-flessibili. Queste nuove forme si basano su innovazioni rivoluzionarie nel campo della scienza dei materiali, della struttura e dell'attuazione.

Alla base di questa evoluzione c'è una convinzione di lunga data nelle tecnologie avanzate e nella robotica. L'attenzione si è spostata verso team visionari e tecnologie originali in grado di rimodellare i sistemi robotici fondamentali dalle fondamenta.

A differenza dei bracci robotici convenzionali, questi nuovi bracci flessibili ricordano la proboscide di un elefante: sono flessibili, organici e agili. Questo approccio biomimetico rappresenta una svolta significativa rispetto alle articolazioni rigide azionate da motori.

L'innovazione chiave risiede nella progettazione di base del sistema. Invece di giunti meccanici rigidi azionati da motori e riduttori, i nuovi bracci utilizzano una serie di giunti flessibili a forma di "muscolo", realizzati con materiali morbidi. Questi sono azionati da attuatori a fluido, noti come sistemi SlimDrive, che offrono una flessibilità e un'adattabilità superiori.

Questi attuatori flessibili derivano da tecnologie microfluidiche e utilizzano un controllo preciso della pressione dell'aria per generare i movimenti. Ogni giunto flessibile è in genere composto da 3 a 6 attuatori flessibili: una struttura ottimizzata per il movimento tridimensionale, che consente di ridurre al minimo i costi dei materiali.

All'interno del braccio, l'aria compressa fluisce attraverso tubi interconnessi fino agli attuatori flessibili, espandendosi o contraendosi per controllare il movimento. Variando la pressione dell'aria in ciascun attuatore, il braccio può effettuare cambi di direzione precisi e fluidi.

Questo design consente un funzionamento sicuro in contesti complessi, tra cui l'interazione uomo-macchina, gli spazi ristretti e gli ambienti ricchi di ostacoli. È particolarmente utile per attività che richiedono un tocco delicato, come l'interazione con oggetti fragili o sensibili.

A livello di controllo, gli algoritmi assomigliano ancora a quelli dei bracci robotici tradizionali: tracciano il movimento all'estremità e calcolano la cinematica inversa per ogni articolazione. Tuttavia, l'aumento dei gradi di libertà e la non linearità del materiale aggiungono complessità alla pianificazione del movimento, richiedendo nuovi approcci per ottenere un controllo ottimale.

La sfida più grande nella robotica morbida consiste nel ripensare l'intera architettura del sistema. Poiché tutto, dai materiali al controllo del movimento, è fondamentalmente diverso, non esiste una soluzione open-source preconfezionata da replicare.

Ma è proprio questo che conferisce a questi sistemi i loro vantaggi distinti:

Flessibilità senza precedenti:

I bracci flessibili possono raggiungere sei gradi di libertà come i tradizionali bracci rigidi. Tuttavia, grazie ai gradi di libertà interni aggiuntivi derivanti dalla ridondanza degli attuatori, possono eseguire manovre complesse in spazi ristretti, evitare gli ostacoli in modo più efficace e ridurre l'ingombro.

Maggiore sicurezza nell'interazione uomo-macchina:

I bracci collaborativi tradizionali si affidano a sensori e sistemi di visione per garantire la sicurezza. Tuttavia, in caso di guasto, la rigidità e l'inerzia intrinseche possono comunque causare danni. I bracci flessibili, al contrario, sono intrinsecamente più sicuri: più leggeri, più adattabili e azionati da fluidi comprimibili che assorbono gli urti.

Leggero ma con elevata capacità di carico:

Il peso è spesso un fattore limitante nei robot mobili e di servizio. I bracci flessibili superano questo limite, offrendo un rapporto carico utile/peso fino a 3:1. Ad esempio, un braccio flessibile da 3 kg può gestire carichi superiori a 10 kg, grazie all'elevata elasticità degli attuatori e all'utilizzo di aria compressa anziché di motori pesanti.

Migliore rapporto costi-efficacia:

Grazie alla loro semplicità strutturale, i bracci flessibili eliminano molti dei componenti più costosi dei bracci tradizionali, come motori, riduttori e controllori, che insieme rappresentano oltre il 70% del costo totale in molti sistemi robotici. Il risultato è una soluzione ad alte prestazioni con una catena di fornitura più efficiente e scalabile.

Una delle applicazioni più promettenti dei bracci robotici flessibili è la loro integrazione con i droni. I bracci robotici tradizionali sono difficili da montare sui droni a causa del peso e della rigidità. I ​​bracci flessibili, invece, possono essere progettati per soddisfare rigorosi requisiti di spazio e flessibilità, consentendo la manipolazione aerea, il prelievo a distanza, la consegna di oggetti e l'ispezione.

Nelle attività di ispezione, aiutano a prevenire problemi come il blocco delle porte, a muoversi in spazi ristretti all'interno delle apparecchiature e a condurre operazioni di contatto in sicurezza. Oltre ai droni, i bracci flessibili saranno integrati anche nei robot mobili terrestri (ad esempio, AGV/AMR), aprendo la strada a nuove classi di sistemi intelligenti compositi.

Nel settore dei servizi, il futuro si prospetta ancora più promettente. Grazie al basso costo, al design leggero, all'interazione sicura con l'uomo e alla rapida implementazione, i bracci robotici flessibili non sono destinati a sostituire quelli tradizionali, bensì a integrarli. Mentre i bracci rigidi continueranno a dominare le applicazioni industriali più gravose, i bracci flessibili sono pronti ad aprire un nuovo orizzonte in settori emergenti come l'assistenza domiciliare, la logistica, l'istruzione e i servizi a domicilio.