Navigazione autonoma, precisa al millimetro

Oggi il termine “produzione” è diventato sinonimo di “complessità”. I prodotti sono sempre più realizzati secondo le specifiche dei singoli clienti; con una connessione IoT è possibile una produzione completamente automatizzata anche con lotti di dimensioni di una sola unità. Una tale moltitudine di varianti richiede processi strettamente intrecciati e, allo stesso tempo, molto flessibili. Le parti e i componenti adatti – in un numero di variazioni pressoché infinito – devono essere pronti presso le singole stazioni di produzione al momento giusto.

AMR in avanzata

Il trasporto del materiale, ad esempio tra i punti di approvvigionamento e gli impianti di produzione, sta diventando sempre più individuale e allo stesso tempo dovrebbe avvenire nel modo più automatizzato possibile. Le piattaforme robotiche mobili – conosciute nel settore come AMR (Autonomous Mobile Robots) – sono quindi sempre più numerose nei magazzini e nei capannoni di produzione di tutto il mondo. La startup Evocortex di Norimberga, fondata nel 2016 con la partecipazione di esperti di robot, si concentra su questo mercato. Strettamente associata alla vicina Università Tecnica di Norimberga e ad altri istituti di istruzione e ricerca, l’azienda è entrata nel mercato con un concetto AMR completamente nuovo. Con i suoi prodotti, offre soluzioni creative e innovative per le esigenze della moderna intralogistica, e in particolare per il tema della navigazione autonoma.

«L’AMR convenzionale spesso necessita di adeguamenti spaziali ai percorsi o addirittura di apportare modifiche tecniche ai processi», spiega l’amministratore delegato Hubert Bauer. «Ad esempio, sono necessarie marcature ottiche in modo che i veicoli possano orientarsi; i percorsi e le intersezioni devono corrispondere alle dimensioni e ai raggi di curvatura specificati. Noi, invece, volevamo creare un robot di trasporto che si adattasse alle esigenze del cliente e non viceversa».

La “impronta digitale” del pavimento del capannone indica la posizione esatta

Gli AMR di Evocortex non richiedono alcun sistema di guida preinstallato per riconoscere la loro posizione e trovare la strada giusta: si basano semplicemente sulle irregolarità del pavimento del capannone. Queste irregolarità si possono trovare anche sui comuni pavimenti in cemento liscio e vengono registrati dalla telecamera ad alta risoluzione del robot. La telecamera si trova nella parte inferiore del veicolo, copre un’area di 10 x 10 cm e utilizza i dati dell’immagine per creare l’equivalente di un’impronta digitale del pavimento del capannone. Dietro questo ingegnoso sistema c’è il Localization Module (ELM) sviluppato da Evocortex.

Durante il processo di apprendimento iniziale, il robot percorre il pavimento del capannone spostandosi su uno schema a griglia. Con l’aiuto di algoritmi complessi, viene creata una mappa ad alta precisione da uno schema di singoli punti. In futuro, ciò sarà possibile anche mediante autoapprendimento grazie all’utilizzo dell’IA (Intelligenza Artificiale). Inoltre, il controllo rileva il movimento proprio del veicolo. Combinando i dati, può posizionare il veicolo su un’area teorica di 1 km con precisione millimetrica. A tal fine sono sufficienti tre punti individuati. Anche se il 50% del pavimento è ricoperto di segatura, l’ELM rimane indifferente e garantisce una navigazione robusta, precisa e accurata. Nuovi graffi permanenti nel pavimento vengono aggiunti alla mappa, mentre gli elementi che sono scomparsi vengono rimossi dopo un certo tempo.

Gli AMR possono essere dotati opzionalmente di sensori LIDAR aggiuntivi su uno o due fronti. Questi effettuano una scansione dell’area nella direzione di marcia e riconoscono gli ostacoli, compresi quelli in movimento come le persone che attraversano il percorso. Il veicolo si arresta quindi immediatamente per garantire la sicurezza dei dipendenti.

Mobilità senza limiti con le ruote Mecanum

Una ruota normale si muove solo nella stessa direzione del suo asse. Per posizionare con precisione un veicolo con ruote di questo tipo, è necessario manovrare allo stesso modo di quando si parcheggia un’auto. Per evitare ciò, gli sviluppatori di Evocortex hanno optato per la ruota Mecanum. Invece di una superficie di scorrimento chiusa, dei rulli bombati sono montati sul suo cerchione. Sono fissati con un angolo di 45° rispetto all’asse della ruota e possono ruotare attorno al proprio asse di supporto obliquo. La forma, le dimensioni e la distanza dei rulli sono selezionate per conferire alla ruota una superficie di rotolamento continua. Quando la ruota Mecanum gira, si creano due componenti di forza, una nel senso di rotazione dell’intera ruota e l’altra perpendicolare a essa. La direzione di movimento che ne risulta sta nel mezzo: la ruota Mecanum “vuole” muoversi con un angolo di 45° rispetto alla direzione dell’asse. Tuttavia, a causa della mobilità dei rulli, non ha rigidità direzionale. Quando vengono applicate altre forze, il movimento può essere deviato in qualsiasi direzione. Su un veicolo con 4 ruote Mecanum, gli angoli di 45° sono sfalsati di 90° ciascuno. Ogni ruota quindi si orienta in una direzione diversa. Variando il senso e la velocità di rotazione di ogni singola ruota, è possibile sterzare il veicolo in qualsiasi direzione da fermo o farlo ruotare sul posto. Sul piano orizzontale, può quindi muoversi liberamente come un hovercraft. Le ruote Mecanum consentono quindi al robot di muoversi in modo agile e omnidirezionale.

Scalabilità millimetro per millimetro

Gli AMR di Evocortex offrono un’ulteriore dimensione di flessibilità: possono essere prodotti in un numero praticamente illimitato di dimensioni. «Se necessario, possiamo adattare il nostro robot millimetro per millimetro alle esigenze dei nostri clienti», sottolinea Bauer. «Tra 400 x 480 mm e 800 x 1200 mm, tutte le dimensioni esterne sono realizzabili». Nel caso delle linee di prodotti EvoRobot R&D ed EvoRobot Industrial, queste dimensioni corrispondono anche approssimativamente alle dimensioni esterne della piattaforma di supporto. Tutta la tecnologia – sensori, controlli, unità di sollevamento e azionamenti delle ruote – è montata sotto la piattaforma. Il modulo d’azionamento delle ruote è un elemento decisivo per questa scalabilità. Situato direttamente al di sopra di ogni ruota, forma con essa un’unità funzionale standardizzata e indipendente. Le ruote possono quindi essere montate a qualsiasi distanza l’una dall’altra. Il prerequisito decisivo per questa disposizione è un motore potente di dimensioni molto ridotte.

«Abbiamo esaminato molto attentamente quali motori sul mercato potevano essere adatti a questo tipo di applicazione», ricorda Hubert Bauer in merito alla fase di sviluppo. «Solo con Faulhaber abbiamo trovato la densità di potenza di cui avevamo bisogno. I motori della concorrenza avrebbero richiesto più spazio per la coppia richiesta».

Enorme potenza, dimensioni minime

I moduli delle ruote dell’EvoRobot sono dotati di motori DC della serie 3257 … CR o 3272 … CR. Ognuno di loro ha un encoder IEF3 e un riduttore 38/2 S. I motori delle ruote dispongono inoltre di un freno per un arresto rapido e per garantire che le ruote rimangano bloccate in posizione una volta ferme. «Grazie all’enorme potenza di questi micromotori, l’EvoRobot è in grado di movimentare fino a 200 kg e presto anche carichi maggiori», spiega ancora Bauer. «Il trasporto funziona anche su una rampa inclinata di 5° e alla velocità di 1 m/s».

La linea di prodotti EvoCarrier è progettata per il trasporto di contenitori per piccoli pezzi. All’interno di questo AMR, lo spazio è ancora più limitato rispetto all’EvoRobot. Il robot è alto meno di 100 mm. Ciò gli permette quindi di muoversi in aperture estremamente basse sotto le merci trasportate. 2 o 4 EvoCarrier possono anche lavorare insieme per trasportare pallet o un’intera scaffalatura. Per l’azionamento, gli sviluppatori hanno scelto un cosiddetto “motore a rotore piatto”: un motore brushless della serie 4221 BXT con una lunghezza di soli 21 mm. L’EvoCarrier può quindi trasportare pile di contenitori per piccoli pezzi (KLT) su rotelle che pesano fino a 120 kg in totale. L’amministratore delegato ritiene che, a lungo termine, anche l’EvoRobot passerà probabilmente ai motori brushless e che continuerà la standardizzazione dei moduli. Oltre al rapporto potenza/volume, l’assenza di manutenzione e l’affidabilità nel servizio continuo giocano un ruolo particolarmente importante nel funzionamento dell’AGV. «Con i motori Faulhaber, i nostri requisiti in termini di durata di vita sono più che soddisfatti», aggiunge Bauer. «Inoltre, anche il fatto che gli azionamenti funzionino con tutti i comuni controlli industriali è un vantaggio. Gli esperti di Faulhaber sono stati inoltre di grande aiuto a trovare l’impostazione dei parametri ottimale per la produzione in serie».