Interazione uomo-macchina intelligente nell’era dell’Industria 4.0

Riceviamo e pubblichiamo un approfondimento dell’ingegnere Stefano Vinto di R+W dedicato all’interazione uomo-macchina intelligente nell’era dell’Industria 4.0. Questi sistemi contribuiscono ai progressi in campo medicale, portano miglioramenti nella vita delle persone e velocizzano i processi di digitalizzazione e di trasformazione delle aziende manifatturiere in Smart Factory.

L’interazione uomo-macchina è destinata a diventare sempre più solida con l’appoggio dei business leader: la maggior parte dei responsabili delle aziende italiane è molto favorevole a una partnership sempre più forte tra persone e macchine per superare i limiti umani. Le aziende vedono le tecnologie emergenti come un mezzo per consentire a persone e comunità in tutto il mondo di aumentare, migliorare e ottimizzare le proprie vite; dai veicoli autonomi, alle case connesse, fino alle città digitali. La trasformazione digitale e le tecnologie emergenti impattano sulle imprese come sulle persone, favorendo il cambiamento imposto dal digitale, la competitività e le possibilità offerte dall’innovazione. Il rapporto tra persone e tecnologie è destinato a rinforzarsi ulteriormente con l’arrivo del 5G che renderà possibile attivare servizi innovativi finora non fattibili e, grazie al wireless, estenderà un uso evoluto di internet anche tra le Pmi che, per motivi di copertura di rete, fino a oggi, ne sono rimaste escluse. Per esempio, nella logistica sarà possibile il controllo tramite robot di flotte di camion che si guidano da soli; si potranno sviluppare reti di sensori gestite con efficienza e visori di realtà aumentata per intervenire sull’uso e la manutenzione degli impianti industriali. La tecnologia è in grado di migliorare anche il lavoro delle persone: visori e piattaforme di realtà aumentata, ad esempio, permetteranno di monitorare processi e flussi di produzione, attuare interventi di formazione, gestire da remoto interventi di manutenzione o riparazione .

Non solo fabbriche

Un altro ambito dove dispositivi Iot sempre più sofisticati ed evoluti uniti alla quinta generazione di reti mobili porteranno a una grande rivoluzione è quello sanitario-assistenziale, che diventerà sempre meno ospedale-centrico a favore, per quanto possibile, di un’assistenza digitale domiciliare. La diffusione di sistemi di gestione delle emergenze d remoto permetterà di evitare rischiosi trasferimenti ospedalieri. Il progressivo invecchiamento della popolazione rende la trasformazione digitale del settore sanitario  e la riduzione dei costi dell’assistenza asnitaria uno dei principali traguardi  da perseguire nell’immediato futuro.

L’intelligenza come fattore di successo

Intelligenza artificiale e interfacce evolute aumentano le possibilità perle aziende di avere successo, facilitando l’apprendimento continuo di macchine e persone, sviluppando i metodi di interazione tra loro. Il progresso nell’interazione uomo-macchina è attualmente connesso all’esigenza, sempre più rilevante, di conseguire alti livelli di competitività. Uno dei parametri di valutazione fondamentali di tale attività di ricerca, di recente introduzione, è l’Efficienza Complessiva di Impianto (Overall Equipment Efficiency, OEE). Lo scopo della valutazione dell’OEE è di identificare tutte le attività, tra quelle componenti un dato processo di produzione, che assorbono risorse ma non creano valore aggiunto. La misurazione di questo parametro dà, così, la possibilità di implementare dei  miglioramenti continui, consistenti nella individuazione e nella successiva riduzione delle attività  su indicate. Questi processi di valutazione risultano così fondamentali anche per il conseguimento di livelli sempre più elevati di progresso nell’interazione uomo – macchina, alla luce delle prerogative della Quarta Rivoluzione Industriale.

Industria 4.0 e interazione uomo-macchina

Un fattore essenziale, alla base della sopravvivenza di una moderna azienda operante nel settore manifatturiero, è dato dalla capacità della stessa di fare fronte alle esigenze di digitalizzazione dei processi di produzione imposta dall’avvento dell’Industria 4.0. La Quarta Rivoluzione Industriale è stata innescata dall’avvento dell’Internet delle Cose (Internet of Things, IoT) ed ha determinato l’estensione dell’integrazione dell’Internet del Tutto (Internet of Everything, IoE) all’interno dell’intera catena del valore nell’Industria. Un’ulteriore e fondamentale tecnologia alla base dell’Industria 4.0 è data dai Sistemi Ciberfisici (Cyber – Physical Systems, CPS), la cui implementazione consente la fusione del mondo fisico con quello virtuale. Un’azienda del settore manifatturiero che integra efficacemente soluzioni di IoT e sistemi CPS è pronta a diventare una Smart Factory, all’interno della quale le tecnologie implementate assistono sia gli operatori che le macchine, durante lo svolgimento delle attività critiche costituenti un determinato processo di produzione. La realizzazione di tali ecosistemi digitali consente, infatti, di conseguire caratteristiche di dinamicità oltre a presentare diverse potenzialità in termini di ottimizzazione dei metodi e dei processi di produzione preesistenti. Le principali conseguenze di queste innovazioni saranno date dall’estensione dell’interazione uomo – macchina, in particolare di come gli operatori ed i macchinari possono interagire in maniera efficiente e di come un sistema di macchinari costituente  una linea di produzione può essere gestito dagli operatori senza errori potenziali. L’Interazione uomo-macchina (Human – Machine Interaction, HMI) ha la grande potenzialità di poter estendere e migliorare l’OEE. L’implementazione di un tale sistema interattivo non costituisce, comunque, una garanzia di successo. L’insieme delle valutazioni messe in atto dagli studi preliminari porta ad una conclusione unanimemente condivisa: le modalità di conseguimento di un’implementazione ottimale ed efficace di una soluzione HMI sono principalmente legate al progresso tecnologico dei macchinari, anche in termini di scelta della componentistica per la realizzazione delle relative catene cinematiche.

Scelte operative per l’HMI nelle Smart Factory

Le industrie del settore manifatturiero, di recente, stanno ponendo la massima attenzione sulla gestione di sistemi sempre più integrati, per mezzo dell’implementazione di soluzioni  di automazione sempre più avanzate ed estese. Nell’era dell’Industria 4.0, il ricorso alle Smart Factory prima descritte comporta un ricorso ad una componentistica d’impianto costituita da oggetti equipaggiati con sistemi integrati di elaborazione e comunicazione. Tale trasformazione viene resa possibile tramite l’implementazione di sistemi basati sulle tecnologie di Cloud Computing, di IoT e dei CPS, accennati in precedenza. Sulla base di queste soluzioni, i macchinari e gli impianti di produzione diventeranno sempre più interconnessi ed autonomi, svolgendo tutte le funzioni critiche della produzione in maniera automatica ed adattativa, consentendo la gestione di scenari e tipologie produttive sempre più complesse. La produzione intelligente così ottenuta avrà la capacità principale di trasformare il mondo fisico in un digital twin (o in un cyber twin), che potrà svolgere sia le funzioni di monitoraggio che quelle decisionali in maniera facile ed efficiente. Ciò che comunque influenzerà in maniera determinante le caratteristiche di un sistema di HMI scelto sarà la crescente complessità dei processi di produzione, che saranno caratterizzati dall’essere sempre più smart, ricorrendo anche all’implementazione di sistemi basati sull’Intelligenza Artificiale, al fine di poter garantire le caratteristiche di autoapprendimento richieste. Per fare fronte a tali esigenze, gli operatori avranno la necessità di essere supportati da sistemi di supporto dedicati, il cui scopo principale è quello di aggregare e visualizzare le informazioni in maniera comprensibile, al fine di facilitare le attività decisionali e di incrementare la produttività. Tra i vari esempi di sistemi di assistenza in ambiti di Industria 4.0 vi sono tutti quelli che possono essere comprese nelle categorie wearable, wireless e dispositivi virtuali (come tablet, smartphone e smart glasses). In questo contesto, il ricorso ai modelli di produzione avanzata basati sui concetti di Cloud Manufacturing garantisce la condivisione delle risorse di produzione in maniera comprensibile, rendendole anche disponibili tramite l’implementazione di tecnologie orientate ai servizi e di sistemi di virtualizzazione, basate sull’IoT ed il Cloud Computing. Le tecnologie indicate rendono possibile l’implementazione di un sistema HMI ottimale, che permette di conseguire il livello di efficacia richiesto nell’interfacciamento e nella conversione dei linguaggi tra partecipanti, ovvero tra operatori e macchinari. Entrambe le definizioni considerate dell’HMI tendono ad enfatizzare l’importanza della concettualizzazione delle tecnologie implementate nell’interfaccia utente, impiegate  per la realizzazione sia dei sistemi hardware che di quelli software. Risulta così possibile apprezzare l’importanza del parallelismo esistente tra Cloud Computing e Cloud Manufacturing e le innumerevoli potenzialità possibili, alla luce dei recenti progressi. Un componente chiave alla base dell’HMI nelle industrie del settore manifatturiero è così dato dalla concettualizzazione dell’interfaccia uomo – macchina. Da questo punto di vista, l’ambito progettuale di un’interfaccia HMI è strettamente legato alle necessità accennate di prevenzione degli errori potenziali tramite l’incremento della semplicità d’uso  per gli operatori. In questi contesti, il ricorso agli oggetti smart consente la realizzazione di sistemi di supporto capaci di fornire funzionalità di percezione, interazione ed interconnessione reciproca, con il vantaggio di poter fornire funzionalità aggiuntive alla produzione in modalità adattative ed automatiche. Integrando l’interfaccia uomo-macchina con soluzioni per l’analisi dei dati e dei modelli, si possono realizzare soluzioni dedicate di supporto digitale alle attività decisionali degli operatori. Le interfacce così realizzate, risulteranno così capaci di fornire nuovi e sempre più estesi livelli di interazione e di realizzazione dei relativi sistemi di supporto. Le competenze interdisciplinari, necessarie alla realizzazione di sistemi embedded nei quali il livello di coordinazione tra oggetti fisici e servizi computazionali deve essere il più elevato possibile, porterà sempre di più verso la realizzazione di sistemi CPS nei quali l’HMI  costituirà un parametro progettuale fondamentale. La stessa interazione uomo-macchina sarà quindi alla base delle scelte relative alla realizzazione di catene cinematiche, capaci di fare fronte in maniera ottimale alle esigenze connesse ai tempi di reazione dei sistemi di sicurezza elettronici; ciò grazie al ricorso di accoppiamenti cinematici dall’inerzia contenuta. Solo grazie ad un’efficace coordinazione tra oggetti fisici e modelli virtuali, contestuale a quella tra sistemi di comunicazione e quelli di controllo, si può conseguire un livello ottimale di contenimento dei potenziali errori nell’interazione uomo – macchina, specie nell’ambito delle attività critiche di un processo produttivo rispondente ai requisiti della Quarta Rivoluzione Industriale.

Il ruolo del fornitore di componenti nell’ambito dell’interazione uomo-macchina

Per dare concretezza al concetto dell’interazione uomo-macchina nel contesto del suo modello di business e della sua quotidiana attività, R+W Italia  presenta la nuova famiglia di giunti intelligenti AIC (acronimo di Artificial Intelligence Coupling). Si tratta di un esemplare decisamente orientato in direzione di Industria 4.0, perché dotato di sensori integrati che gli permettono di analizzare coppia, velocità e vibrazioni a cui è sottoposto, oltre a una serie di dati trasferibili a dispositivi portatili – mediante una app dedicata – o personal computer. Lo scopo finale è una elaborazione in tempo reale delle informazioni raccolte e la loro memorizzazione, in vista del monitoraggio delle prestazioni di un sistema e dei servizi di manutenzione predittiva remota.

Non un semplice giunto, quindi, ma un autentico sistema completo, fatto di meccanica e IT, al cui centro risiedono quelle funzioni di data analysis che sono presupposto dell’efficacia del rapporto fra uomini e macchinari. È il frutto di uno sviluppo durato circa un biennio e che R+W ha affrontato accettando la sfida del cambiamento. Il giunti AIC rappresenta un anello di congiunzione fra le competenze del produttore di componenti e quelle tipiche di Industria 4.0: un componente pensato per comunicare con l’uomo e con l’hi-tech. Viste le sue peculiarità, AIC può trovare spazio in una vasta varietà di ambienti manifatturieri, per quanto sia preferibilmente applicabile alle trasmissioni di coppia medio-alte e pertanto alle macchine che lavorano a ciclo continuo, per l’assistenza predittiva e per pianificare la sostituzione dei pezzi. Si adatta per lo più a settori quali quello delle cartiere e dei metalli, fra siderurgia pura ed estrusione. Una panoramica dettagliata e i materiali informativi sul prodotto sono disponibili sul sito di R+W.