Negli ultimi anni, gli avanzamenti tecnologici hanno reso possibile lo sviluppo di robot mobili autonomi affidabili che possano essere applicati in diversi settori, dalla logistica, alla pulizia, alla sorveglianza, all’agricoltura, ed ogni giorno nascono nuove applicazioni e si sviluppano nuove tecnologie. Un fenomeno che interessa il mondo dei robot per varie applicazioni: industriali, assistenza ai disabili e nel campo della sicurezza. Un nuovo mondo in cui il robot si costruisce in modello del mondo circostante.

di Andrea Bonarini
AI and Robotics Lab
Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria
Politecnico di Milano


Il mondo dei robot, sarà sempre più caratterizzato dai costrutti “autonomi”. Cosa si intende per robot mobile autonomo? Si tratta di macchine dotate di ruote, per la maggior parte azionate da motori elettrici, alimentati da batterie che garantiscono operatività almeno su ciclo giornaliero. L’autonomia viene resa possibile dalla presenza di sensori e sistemi di elaborazione dati a bordo, per lo più dedicati a fornire una posizione del robot nel suo ambiente (auto-localizzazione) e a permetterne la relazione con oggetti dell’ambiente circostante, quali persone, oggetti, e strutture. Tra i sensori utilizzati abbiamo sensori di distanza (laser, sonar, infrarossi, camere 3-D), telecamere, sensori termici, sensori di campo magnetico, sensori di posizione quali GPS e sensori in grado di rilevare la posizione rispetto a riferimenti radio o luminosi. In generale, proprio per le intrinseche caratteristiche di ogni sensore, che non gli permettono di rilevare correttamente i dati necessari in ogni condizione ambientale, si tende a creare ridondanza tra i sensori, integrando ne i dati sugli elaboratori di bordo.
Grazie alle informazioni ricavate dai sensori, e seguendo una logica per l’esecuzione del compito, i robot sono programmati per svolgerlo autonomamente, senza l’intervento umano. Diversamente dal tipico robot industriale che lavora in un ambiente perfettamente noto e strutturato, i robot autonomi sono programmati per costruirsi un modello del mondo circostante contenente le informazioni necessarie che permettano loro di prendere delle decisioni per raggiungere l’obiettivo finale. Anche il sistema di presa delle decisioni, sia esso reattivo, cioè in grado di reagire all’istante alla situazione, o deliberativo, cioè in grado di ragionare e pianificare le attività da svolgere, viene programmato sui computer a bordo del robot, consentendone una piena autonomia.
In diversi casi, soprattutto quando si tratta di coordinare più robot, questi sono collegati via radio (WI-FI o altro) ad un elaboratore centrale che ne guida le attività, e anche a un operatore che può monitorare da remoto l’attività dei robot.

Una categoria in forte sviluppo è relativa alla logistica. I magazzini completamente automatizzati e la movimentazione automatica di pezzi sono una realtà da diverso tempo, ma tipicamente richiedono un attrezzaggio più o meno impegnativo in termini di costo e di realizzazione. Inoltre, la gestione è necessariamente rigida e i percorsi sono predefiniti. Robot autonomi possono svolgere gli stessi compiti affrontando anche situazioni impreviste, quali la presenza di persone nel raggio d’azione del robot, e permettendo anche una allocazione dei materiali dinamica, che segua logiche di ottimizzazione e opportunità non legate ad una strutturazione prefissata del magazzino. Inoltre, per le operazioni di scarico e carico del materiale è necessario interagire con ambienti non strutturati, ed un robot autonomo può farsi carico di queste operazioni, ad esempio scaricando un container, o caricandolo in modo ottimizzato.

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Fig. 1 – Un esempio di robot all’opera in un magazzino automatico

In maniera analoga, si possono avere robot che si occupano autonomamente di caricare a bordo parti (ad esempio parti di oggetti da montare) li trasportano alla stazione di montaggio e alimentano una linea di produzione. In questo caso, può esser richiesta una gestione più avanzata di dati sensoriali (tipicamente immagini) per il riconoscimento e la presa delle parti, e per il rilascio in opportune zone di carico.

Un altro settore in forte espansione riguarda la sorveglianza. Impianti fissi con telecamere e sistemi di rilevazione possono essere in parte sostituiti o comunque affiancati da robot mobili in grado di effettuare autonomamente delle ronde e riportare situazioni sospette, identificate tramite analisi automatica dei dati sensoriali, a operatori che possono intervenire direttamente o prendere il controllo del robot per verificare la reale pericolosità della situazione o addirittura effettuare l’intervento. La sorveglianza può essere orientata ad intrusioni, o anche al monitoraggio di incendi o perdite di gas o liquidi o emissioni elettromagnetiche e radioattive, e la presenza di un robot al posto di un operatore umano permette di salvaguardare lo stato di salute di quest’ultimo che può operare remotamente.
In modo del tutto analogo, abbiamo robot di ispezione, che possono effettuare ispezioni accurate di zone pericolose o disagevoli, ad esempio condotti di scarico e strutture fatiscenti, e fornire dati utili a operatori remoti. In questo caso, l’autonomia del robot e la sua possibilità di auto-localizzarsi può permettere una scansione completa e accurata di tutta la parte di impianto o di territorio da ispezionare.

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 Figura 2 – Un robot da sorveglianza. Sono riconoscibili tra le ruote un sensore di distanza laser, appena sopra delle telecamere e in cima al palo una telecamera direzionabile e sensori sonar di distanza.

Un altro settore che si va rapidamente popolando di robot mobili autonomi è quello agricolo, in cui viene lasciato al robot, eventualmente monitorato, il compito di svolgere un lavoro ripetitivo sul campo. In questo caso, spesso si ha a disposizione un segnale GPS che, con opportuni accorgimenti ed elaborazioni, può permettere di giungere a una risoluzione utile per la localizzazione del robot con la necessaria precisione. Sono comunque necessari sensori di distanza a bordo del robot per gestire l’interazione con il mondo circostante. Inoltre, in diversi casi, si robotizzano veicoli tipici di questo settore, ad esempio trattori, che offrono una meccanica già adatta al tipo di terreno su cui operare, spesso sconnesso. In quest’area abbiamo robot per la semina e il raccolto, robot per il trattamento delle colture, robot per la lavorazione della terra, robot per la raccolta automatica della frutta. Questi ultimi, studiati di concerto con l’organizzazione del frutteto, si avvalgono in taluni casi anche di analisi di immagine per verificare lo stato di maturazione del frutto e la sua localizzazione, al fine di deciderne ed eseguire la raccolta.

In diversi casi si hanno vere e proprie flotte di robot che eseguono il lavoro in parallelo, soprattutto quando le colture sono estese. In questi casi un coordinamento centrale viene spesso preferito ad un coordinamento distribuito sui singoli robot, pur richiedendo un’attività aggiuntiva di elaborazione.

Anche in agricoltura ci si può avvalere di robot per il monitoraggio e l’ispezione, in quest’ultimo caso orientata principalmente allo stato della coltura e all’individuazione di eventuali infestanti.
Per le applicazioni agricole è opportuno ricordare la diffusione anche di robot autonomi volanti (droni) in grado di distribuire trattamenti chimici o effettuare ispezioni senza appoggiare direttamente sul terreno, lasciando quindi intatte le colture. Si tratta di piccoli velivoli ad ala, o anche, per le ispezioni, di multicotteri che hanno il vantaggio di una maggiore manovrabilità a fronte di una minore portata di carico utile. Anche nel caso di questi robot, un’opportuna dotazione sensoriale è necessaria per poter garantire una copertura accurata della zona da visitare.

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Figura 3 – Un robot all’opera nell’ispezione di frutta

In conclusione, pur essendo presenti sul mercato diversi prodotti nelle aree presentate, date le diverse esigenze degli utenti finali e la relativamente scarsa diffusione dei produttori, in genere di piccole dimensioni, il mercato si muove andando spesso a richiedere soluzioni specifiche ad aziende e centri universitari in grado di soddisfare le richieste. Il settore è in forte espansione, con previsioni di crescita esponenziale, rispetto alla crescita lineare prevista per la robotica industriale tradizionale. Questo è principalmente dovuto alle nuove possibilità che la tecnologia mette a disposizione ed alla identificazione di nicchie applicative prima difficilmente immaginabili.