Bilanciamento di linee di montaggio manuali con presenza di robot cooperanti.

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RELAZIONE PER IL CONSEGUIMENTO DELLA LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA GESTIONALE

Bilanciamento di linee di Montaggio Manuali con

presenza di Robot Cooperanti

RELATORI IL CANDIDATO

Prof. Ing. Gino Dini Mariapia Carrera

Dipartimento di Ingegneria mariapiac91.mc@gmail.com Civile e Industriale

Ing. Michela Dalle Mura

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale

Sessione di Laurea del 20/06/2018 Anno Accademico 2017/2018

Bilanciamento di linee di Montaggio Manuali con presenza di Robot Cooperanti

Mariapia Carrera

Sommario

Lo scopo di questo lavoro di tesi è di proporre uno strumento software per il bilanciamento delle linee di montaggio manuali con l’utilizzo di robot cooperanti. L’aspetto innovativo del sistema sviluppato è riconducibile alla soluzione trovata al trade-off dato dai due obiettivi da raggiungere simultaneamente: da un lato la riduzione del numero delle stazioni e dei tempi totali di assemblaggio per aumentare la produttività, dall’altro una riduzione del carico energetico sugli operatori, grazie all’apposito utilizzo di robot cooperanti per l’ottimizzazione ergonomica.

Dopo aver analizzato il materiale presente in letteratura in merito al bilanciamento delle linee di montaggio, alla valutazione del rischio ergonomico e ai metodi per l’assegnazione dei compiti su linee ibride, è stato sviluppato un algoritmo attraverso il software MATLAB che consente di risolvere i problemi di bilanciamento delle linee di montaggio considerando il fattore ergonomico ed introducendo l’utilizzo dei robot cooperanti.

È stato infine applicato l’algoritmo ad un caso studio per dimostrarne l’efficacia nel raggiungimento della soluzione ottima.

Abstract

The aim of this dissertation is to propose a software tool for balancing the manual assembly lines with the use of cooperating robots. What is new in this model is the solution adopted for trade off made up of two different objectives to be achieved simultaneously: from one side the decrease of stations and assembly process total time in order to increase productivity, on the other side the decrease of energy load on the operators, thanks to the appropriate use of cooperating robots for ergonomic optimization.

After the analysis of all the data available in literature concerning the balancing of assembly line , the ergonomic risk assessment and the approach in task allocation on hybrid lines, an algorithm has been built up thanks to the use of MATLAB software. This

algorithm allow the resolution of balancing assembly line considering two key factor: ergonomic element and introducing the use of cooperating robots.

Finally, a specific algorithm has been applied on a specific case study in order to demonstrate the effectiveness in reaching the best solution.

Sommario

Introduzione e Obiettivi della tesi ... 1

Capitolo 1 ... 4

1. Le linee di montaggio ... 4

1.1. Introduzione alle linee di montaggio ... 4

1.2. Classificazione delle linee di montaggio e grado di automazione ... 5

1.2.1. Grado di automazione ... 5

1.2.2. Tipologia di layout ... 6

1.2.3. Lotto di produzione ... 8

1.2.4. Movimentazione dei componenti ... 8

1.2.5. Lancio in produzione ... 9

1.3. Problemi di bilanciamento e grado di automatizzazione ... 9

1.3.1. Dimensionamento di una linea di montaggio ... 10

1.3.2. Bilanciamento di una linea di montaggio ... 12

1.3.3. Classificazione dei problemi di bilanciamento... 13

1.3.4. Metodi per la risoluzione dei problemi SALBP ... 14

Capitolo 2 ... 18

2. HRC (Human Robot Cooperation) nelle linee di montaggio ... 18

2.1. Introduzione ai sistemi di assemblaggio ibridi ... 18

2.2. Classificazione dei sistemi di assemblaggio ibridi ... 18

2.2.1. Workplace sharing systems ... 19

2.2.2. Workplace and time sharing systems ... 20

2.3. Robotica collaborativa ... 22

2.3.1. Vantaggi economici della robotica collaborativa ... 22

2.3.2. I robot collaborativi ... 23

2.3.3. Descrizione robot collaborativi ... 25

2.4.1. Sistemi di pre-collisione ... 27

2.4.2. Sistemi di post-collisione ... 28

Capitolo 3 ... 30

3. Analisi dello stato dell’arte ... 30

3.1. Introduzione ... 30

3.2. Assegnazione delle attività nei sistemi di assemblaggio ibridi ... 31

3.2.1. Approccio per l’assegnazione dei compiti basato sulle competenze ... 31

3.2.2. Caso dimostrativo ... 33

3.3. Aspetti ergonomici nel bilanciamento delle linee di montaggio ... 37

3.3.1. Metodi per la valutazione del rischio ergonomico ... 37

3.3.2. Modelli per il bilanciamento delle linee di montaggio considerando gli aspetti ergonomici ... 42

3.4. Algoritmo genetico per il bilanciamento delle linee di montaggio ... 46

3.4.1. Introduzione ... 46

3.4.2. Passi per l’implementazione dell’algoritmo genetico ... 46

Capitolo 4 ... 54

4. Proposta di lavoro ... 54

4.1. Scopo ed obiettivi ... 54

4.2. Formulazione del fattore ergonomico... 54

4.2.1. Fatica fisica del lavoratore ... 54

4.2.2. Limite fisico del lavoratore ... 59

4.3. Modello matematico ... 60

4.4. Classificazione delle attività ... 63

4.5. Caratteristiche dell’algoritmo genetico implementato ... 68

4.6. Caso dimostrativo ... 76

Capitolo 5 ... 80

5. Caso Studio... 80

5.2. Implementazione dell’algoritmo ... 88

5.3. Risultati ottenuti ... 89

Conclusioni e sviluppi futuri ... 103

Riferimenti bibliografici ... 105

1

Introduzione e Obiettivi della tesi

Nell’industria 4.0 l’uomo è passato dal dover competere contro le macchine a scoprire di poter cooperare con esse in spazi di lavoro privi di barriere.

I cobot o robot collaborativi nascono dall’idea di far collaborare congiuntamente uomini e robot nel 1995, quando J. Edward Colgate e Michael Peshkin della Northwestern Engineering hanno intrapreso questo progetto di ricerca.

Oggigiorno, grazie alla nascita dei cobot, l’uomo può collaborare con i robot nei sistemi di produzione aumentandone l’efficienza e migliorando le proprie condizioni lavorative, sotto l’aspetto ergonomico, in quanto le operazioni più gravose, dal punto di vista energetico, possono essere svolte dai robot collaborativi. L’inizio della cooperazione uomo-robot all’interno di spazi di lavoro non separati pone l’obiettivo di un’allocazione ottimale delle attività operative, obiettivo peculiare nel problema di bilanciamento delle linee di montaggio.

Il modello sviluppato all’interno del lavoro di tesi considera contestualmente le due problematiche: il bilanciamento delle linee di montaggio e l’assegnazione delle attività nel rispetto dei limiti energetici dell’operatore, valutando il grado di esposizione al sovraccarico biomeccanico, introducendo l’utilizzo dei robot cooperanti. La decisione sull’assegnazione delle attività all’operatore e/o al robot, all’interno della linea di montaggio, viene presa considerando il modello di Kluge, che propone un approccio basato sulle competenze. Questo metodo conduce ad un risultato ragionevole, tuttavia, deve essere integrato con una valutazione dei rischi ergonomici a cui sono sottoposti gli operatori. Il modello ottenuto è adattabile ad un qualsiasi processo di assemblaggio di linee manuali single-model. L’algoritmo sviluppato attraverso il software MATLAB è stato adattato ad un caso studio rappresentativo della realtà industriale.

Per raggiungere gli obiettivi del lavoro di tesi, è stata formalizzata una procedura di lavoro riassumibile nelle seguenti fasi.

Nella prima parte è stata condotta un’analisi sulle linee di montaggio e sono stati individuati i diversi problemi di bilanciamento e le metodologie risolutive proposte in letteratura.

2

Nella seconda parte è stata condotta un’analisi sulle linee di assemblaggio ibride e sulla loro classificazione. È inoltre stato condotto uno studio sulla robotica collaborativa per individuare le caratteristiche dei COBOT e quali sono i sistemi di sicurezza che consentono la HRC (Human Robot Cooperation) nelle linee di montaggio.

Nella terza fase è stata condotta un’analisi sullo stato dell’arte che ha riguardato sia gli approcci per l’assegnazione delle attività nei sistemi di assemblaggio ibridi sia i metodi per la valutazione degli aspetti ergonomici nelle linee di montaggio.

Nell’ultima parte è stato formulato il modello matematico, testato attraverso un caso studio, i cui risultati vengono presentati nel capitolo 5.

3 Nomenclatura

Tek = tempo necessario per eseguire la k-esima operazione;

Tc = tempo ciclo;

Rp = rateo produttivo;

N = numero di stazioni;

Tp= tempo totale di produzione del prodotto;

CL = carico di lavoro; TD = tempo disponibile;

Tr = tempo di riposizionamento;

Tmax = tempo massimo per eseguire le operazioni alle stazioni;

Tsi = tempo necessario alla stazione i-esima per eseguire tutte le operazioni;

Tai = tempo di attesa della stazione i-esima;

ƞl =efficienza di linea;

ƞb =efficienza di bilanciamento; ƞr =efficienza di riposizionamento;

Ėpos-i = tasso di dispendio energetico necessario a mantenere una determinata

postura i-esima;

ΔEmov-i = dispendio energetico metabolico netto necessario per eseguire un

movimento i-esimo;

Ei,j = dispendio energetico dell’operatore j-esimo per eseguire le operazione

assegnate alla stazione i-esima;

Eopk,j =dispendio energetico dell’operatore j-esimo per eseguire l’operazione k-esima;

Etoti,j= dispendio energetico totale dell’operatore j-esimo assegnato alla stazione

i-esima;

Eai,j = dispendio energetico dell’operatore j-esimo durante il tempo di attesa Tai alla stazione i-esima

OEL = tasso di dispendio energetico occupazionale;

VO2max = massimo consumo di ossigeno

4

Capitolo 1

1. Le linee di montaggio

1.1. Introduzione alle linee di montaggio

In questo capitolo si illustreranno i concetti utilizzati in letteratura per definire e caratterizzare le linee di montaggio e relativa classificazione, si descriveranno gli elementi caratterizzanti le diverse tipologie di montaggio e verranno, inoltre, presentati i diversi problemi di bilanciamento e metodologie risolutive proposte nella letteratura scientifica.

Le linee di montaggio, di cui un esempio viene riportato in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata., sono sistemi di assemblaggio di manufatti industriali concepiti alla fine del XIX secolo. Nello specifico, il montaggio è un processo di fabbricazione in cui, ad un elemento base, vengono aggiunti componenti in sequenza, mentre il semilavorato si sposta di stazione in stazione sulla linea, fino alla realizzazione dell’assemblato finale. [1]

Figura 1.1 Linea di montaggio BMW

Il montaggio prevede la suddivisione del lavoro in operazioni elementari che vengono realizzate nelle stazioni di montaggio distribuite lungo la linea.

L’operazione elementare di montaggio non è ulteriormente divisibile in operazioni più semplici, ed è caratterizzata da un obiettivo e da un tempo Tek, che rappresenta il tempo

5

Ogni stazione può prevedere la presenza di uomini, macchine e strumenti.

Il montaggio può includere diversi tipi di operazioni che vanno dall’accoppiamento di elementi, all’avvitatura, alla pressatura, alla deposizione di collanti e alla necessità di eseguire controlli e collaudi intermedi.

1.2. Classificazione delle linee di montaggio e grado di automazione

La scelta della tipologia di montaggio da effettuare [2] dipende da vari fattori: la complessità del prodotto, la dimensione dei pezzi, il volume di produzione, la complessità e durata delle operazioni, ecc.

Le linee di montaggio possono essere quindi classificate sulla base di diversi fattori, come il grado di automazione, la tipologia di layout, il lotto di produzione, la movimentazione dei componenti e le politiche di lancio in produzione.

1.2.1. Grado di automazione

Una prima classificazione può essere fatta considerando il grado di automazione della linea.

Con il termine automazione si intende la capacità di svolgere un processo in modo automatico, senza l’intervento dell’uomo, con l’utilizzo di tecnologie e sistemi di controllo per gestire i processi.

Considerando il grado di automazione, si distinguono tre tipologie di linee di montaggio: - manuali

- automatiche - semiautomatiche Montaggio manuale

Nel montaggio manuale, le operazioni vengono svolte direttamente dagli operatori, con l’utilizzo di appositi utensili ed attrezzature. In funzione del tipo di prodotto da assemblare, gli operatori possono assumere una posizione in piedi o seduta [2]. Il montaggio manuale è preferibile quando è richiesta particolare destrezza nelle operazioni, tale da non poter essere svolta dal robot.

Una linea di montaggio manuale può assumere tre diverse configurazioni:

- montaggio a posto fisso: tutte le attività di assemblaggio si svolgono in un’unica postazione dove possono lavorare più operatori. É una configurazione adatta a volumi di produzione medio-bassi e all’assemblaggio di prodotti con dimensioni elevate (aeroplani, vagoni, ecc.). Questa configurazione è utilizzata anche per

6

prodotti molto semplici, che non giustificano l’utilizzo di una linea di assemblaggio.

- montaggio in linea: le attività di assemblaggio vengono svolte sulla linea di produzione che è composta da stazioni di lavoro dove le operazioni vengono svolte dagli operatori. Il prodotto da assemblare passa da una stazione alla successiva attraverso dei sistemi di movimentazione, che a loro volta possono essere automatici o manuali.

- montaggio in assembly shop: a differenza del montaggio in linea, dove il prodotto segue una movimentazione seriale, passando da una stazione alla successiva, in questa configurazione il prodotto passa da una cella all’altra seguendo la sequenza di operazioni del suo ciclo di montaggio.

Montaggio automatico

Le operazioni vengono svolte da una o più macchine progettate per una determinata sequenza di operazioni di montaggio [2]. Diversamente dal montaggio manuale, il montaggio automatico ha un alto grado di automazione ed è preferibile quando ci sono elevati volumi produttivi e le operazioni sono semplici e ripetitive. Se le macchine utilizzate nel montaggio automatico sono dedicate, progettate per realizzare un determinato prodotto, si parla di automazione rigida; se le macchine sono invece adatte a realizzare cicli differenti, si parla di automazione flessibile.

Montaggio semiautomatico

Il montaggio semiautomatico è una combinazione delle precedenti due: le operazioni di controllo e quelle che richiedono maggiore destrezza vengono svolte dall’operatore, mentre operazioni maggiormente ripetitive vengono svolte dalla macchina.

1.2.2. Tipologia di layout

Il layout riguarda la disposizione planimetrica di tutte le risorse necessarie allo svolgimento di un processo produttivo [3]. In funzione di come vengono collegate le diverse stazioni all’interno dell’impianto, possiamo distinguere:

- linee in serie: le stazioni sono disposte, lungo una linea, seguendo quella che è la sequenza di montaggio del prodotto, come mostrato in Figura 1.2.

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- linee in parallelo: questo tipo di configurazione permette di parallelizzare le operazioni in quanto possono essere duplicate o singole stazioni o un’intera linea, aumentandone la flessibilità, come mostrato in Figura 1.3.

Figura 1.3 Linea in parallelo

- linee ad U: le stazioni vengono disposte a formare una U. Gli operatori in questa configurazione possono lavorare contemporaneamente in più punti della linea, sfruttando le loro competenze, come mostrato in Figura 1.4.

Figura 1.4 Linea ad U

- linee a due lati: linea di montaggio in serie, dove vengono utilizzati entrambi i lati delle stazioni. In questo modo due operatori possono lavorare in parallelo sullo stesso semilavorato, come mostrato in Figura 1.5.

8 1.2.3. Lotto di produzione

Un’altra classificazione può essere fatta in funzione del lotto di produzione [2]:

- linee single-model: lungo tutta la linea viene assemblato un’unica tipologia di prodotto in elevate quantità, come mostrato in Figura 1.6. Le operazioni restano invariate e il carico di lavoro costante. La linea è dedicata.

Figura 1.6 Linea single-model

- linee multi-model: lungo tutta la linea si producono prodotti differenti e si produce in base al lotto economico di produzione. C’è la necessità di un set-up della linea per poter cambiare modello; per minimizzare i costi di set-up la produzione avviene per lotti. La linea multi-model è raffigurata in Figura 1.7.

Figura 1.7 Linea multi-model

- linee mixed-model: vengono assemblati più versioni di un unico prodotto, come si vede in figura 1.8. Lungo la linea si avranno operazioni comuni e operazioni specifiche per le diverse versioni del prodotto.

Figura1.8 Linea mixed-model

1.2.4. Movimentazione dei componenti

La movimentazione dei componenti nelle linee di montaggio comprende [2]: - la movimentazione delle parti all’interno della linea di assemblaggio; - la movimentazione delle parti tra le stazioni della linea;

- l’allontanamento dei prodotti assemblati dall’impianto.

I diversi sistemi di movimentazione implementabili permettono di distinguere diverse tipologie di linee:

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- linee con movimentazione manuale: la movimentazione dei componenti avviene manualmente, ovvero da parte degli operatori. Lungo la linea sono presenti dei buffer da cui gli operatori prelevano le parti ed alimentano la linea. - linee con movimentazione automatizzata: l’alimentazione della linea avviene

attraverso dei convogliatori. L’alimentazione automatizzata può avvenire a velocità costante (linee continue) o a velocità non costante (linee discontinue). 1.2.5. Lancio in produzione

Un’ulteriore classificazione delle linee di montaggio può essere fatta considerando le politiche di lancio in produzione [2]:

- linee sincrone: la movimentazione dei semilavorati da una stazione all’altra avviene simultaneamente. Ogni stazione dispone dello stesso tempo per portare a termine le operazioni che sono state assegnate. Ad ogni intervallo di tempo, definito come tempo ciclo della linea, verrà realizzato un prodotto finito.

- linee asincrone: la movimentazione dei semilavorati da una stazione all’altra non avviene in maniera simultanea. I tempi per il completamento delle operazioni nelle varie stazioni sono diversi, quindi c’è la necessità di prevedere dei buffer intermedi tra le varie stazioni.

1.3. Problemi di bilanciamento e grado di automatizzazione

Con il termine bilanciamento si intende l’assegnazione delle operazioni di montaggio alle diverse stazioni, in modo tale da ridurre il numero di stazioni della linea, livellandone il carico di lavoro. Il bilanciamento delle linee di montaggio è soggetto principalmente a due vincoli.

- rispettare il tempo ciclo;

- rispettare le precedenze tecnologiche;

Dove con precedenze tecnologiche si intende le relazioni di precedenza tra le operazioni elementari individuate per completare il montaggio.

All’interno del lavoro di tesi, le operazioni elementari di montaggio, sono state considerate ulteriormente suddivisibili in micro-movimenti da compiere per portare a termine l’operazione elementare.

Il ciclo di montaggio rappresenta la sequenza delle operazioni elementari da compiere per la realizzazione del prodotto, per ogni operazione sarà definito il tempo di esecuzione e le rispettive precedenze tecnologiche.

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1.3.1. Dimensionamento di una linea di montaggio

Il dimensionamento di una linea di montaggio è necessaria per determinare la capacità produttiva della singola stazione e consiste nell’individuare i parametri che caratterizzano una linea di montaggio. [2]

In particolare, la trattazione che segue considera una linea di montaggio manuale single-model.

Il rateo produttivo Rp individua la produttività che una linea di montaggio deve avere, per poter soddisfare una domanda annua:

𝑅𝑝= 𝐷𝑎

𝑊𝑦 𝑆𝑤 𝐻𝑠 [unità/ora] (1.1) Dove:

Da = domanda annua prodotto [unità/anno]

Wy = numero di settimane per anno in cui la linea deve funzionare [settimane/anno]

Sw = numero di turni alla settimana [turni/settimane]

Hs = numero di ore per turno [ore/turno]

Il rateo produttivo deve essere trasformato in una cadenza Tc, tempo ciclo, che rappresenta l’intervallo di tempo tra il completamento di un oggetto al successivo, che coincide con il tempo che ciascuna stazione ha per completare le operazioni di montaggio.

𝑇𝑐 = 60

𝑅𝑝′ [min/pezzo] (1.2)

dove Rp’ rappresenta il rateo produttivo che si avrebbe nel caso in cui non fossero

presenti le perdite produttive dovute all’inefficienza della linea, come guasti, fermi della linea, mancanza di componenti, ecc.

Considerando questa differenza tra Rp e Rp’, si può definire l’efficienza della linea come: ƞL = 𝑅𝑝

𝑅𝑝′ (1.3)

Il valore dell’efficienza di linea, nelle linee manuali, è compreso tra 0.90 e 0.98. È possibile esprimere TC in funzione dell’efficienza di linea:

TC = 60 ƞL

𝑅𝑝 [min/pezzo] (1.4)

Un altro elemento importante è il numero minimo di stazioni di lavoro N, che si valuta in funzione di Rp e del tempo totale di produzione Tp.

Tp = ∑ 𝑇ek [min] (1.5)

Il numero minimo di stazioni può essere valutato come: N = 𝐶𝐿

11 Dove:

CL = carico di lavoro che deve essere completato in un certo periodo di tempo CL = Rp Tp [min di lavoro/ora] (1.7)

TD = tempo disponibile nel periodo considerato

TD = 60 ƞL [min/ora] (1.8)

Quindi, un peggioramento dell’efficienza della linea porterebbe ad una diminuzione del tempo disponibile e un aumento del numero di stazioni necessarie.

Il numero di stazioni così calcolato rappresenta un dato del tutto teorico e non tiene conto di due aspetti importanti:

- perdite dovute al riposizionamento: in ogni stazione l’operatore impiega un certo tempo per riposizionarsi e l’unità di movimentazione un certo tempo per fermarsi nella stazione di lavoro.

Supponendo che il Tr, tempo di riposizionamento, sia uguale per tutte le

stazioni, si ha che:

Tmax ≤ Tc - Tr (1.9) Tmax = ∑ 𝑇si (1.10)

con Tsi tempo necessario per eseguire tutte le operazioni di montaggio assegnare

alla stazione i-esima.

- suddivisione del carico di lavoro: è impossibile suddividere equamente il carico di lavoro su tutte le stazioni a causa dei vincoli tecnologici del ciclo di montaggio e della durata non infinitesima delle operazioni.

Questo comporta che ci saranno delle stazioni dove le attività vengono ultimate in un tempo inferiore rispetto al tempo ciclo assegnato in cui l’operatore resta in attesa, Tai (idle time).

Tc = Tmax + Tr (1.11) Tai = Tc – ( Tr + Tsi) (1.12)

Le perdite dovute al riposizionamento possono essere misurate attraverso l’efficienza di riposizionamento. ƞr = 𝑇𝑚𝑎𝑥 𝑇𝑐 = (𝑇𝑐−𝑇𝑟) 𝑇𝑐 = 1 − 𝑇𝑟 𝑇𝑐 (1.13)

12

Figure 1.9 Esempio di distribuzione del carico di lavoro su una linea a tre stazioni

In Figura 1.9 è schematizzata una linea di montaggio a tre stazioni, con la stazione 2 completamente satura, a differenza delle stazioni 1 e 3 che presentano un tempo di attesa diverso da zero.

1.3.2. Bilanciamento di una linea di montaggio

L’obiettivo nel bilanciamento di una linea di montaggio è quello di ridurre il numero di stazioni lungo la linea, saturando al massimo il tempo disponibile e minimizzando il costo di produzione. [2]

Qualunque sia l’approccio impiegato, una volta raggiunta una determinata soluzione, è possibile misurarne la bontà attraverso l’efficienza di bilanciamento.

ƞb = 𝑇𝑝

(𝑁 𝑇𝑚𝑎) (1.14)

I valori tipici di ƞb sono compresi tra 0.90 e 0.95.

Un altro parametro è il ritardo di bilanciamento che rappresenta il tempo perduto a causa di un non completo bilanciamento.

d = 𝑁 𝑇𝑚𝑎𝑥−𝑇𝑝

𝑁 𝑇𝑚𝑎𝑥 (1.15)

d=0 indica un tempo perduto nullo e quindi una completa saturazione. Quindi, l’efficienza globale di una linea è data da:

ƞ = ƞL ƞr ƞb (1.16)

Utilizzando questo fattore è possibile calcolare un valore più realistico del numero di stazioni lungo la linea:

Tai

Tsi

Tr

13 N = 𝑅𝑝 𝑇𝑝

60 ƞ (1.17)

1.3.3. Classificazione dei problemi di bilanciamento

Il problema di bilanciamento di una linea di assemblaggio, Assembly line balancing problem (ALBP), è un problema di tipo decisionale e consiste nel determinare la migliore assegnazione delle operazioni di montaggio tra le diverse stazioni.

In letteratura, i problemi di bilanciamento di una linea di assemblaggio, vengono suddivisi in [4]:

- SALBP: Simple Assembly Line Balancing Problem, per il bilanciamento di line single model;

- GALBP: Generalized Assembly Line Balancing Problem, comprende tutti i problemi di bilanciamento di linee che non sono riconducibili nella SALBP. È una classe di problemi molto ampia, che contiene tutte le estensioni del problema, che potrebbero essere rilevanti nella pratica.

- RALBP: Robotic Assembly Line Balancing Problem, problemi di assegnazione ottimale dei robot alle stazioni lungo la linea e distribuzione equilibrata del lavoro tra le diverse stazioni.

I problemi di tipo SALBP, adatti al bilanciamento di linee single model, hanno delle ipotesi di applicazione:

- i parametri del prodotto devono essere tutti noti;

- i tempi delle operazioni Tek devono essere deterministici ed indipendenti. I tempi Tsi sono minori del tempo ciclo;

- il sistema di movimentazione è automatico e il Tc è fisso; - l’intervallo di lancio è costante ed uguale al Tc;

- l’assegnazione delle operazioni deve rispettare il vincolo delle precedenze tecnologiche;

- le operazioni possono essere assegnate a qualsiasi stazione e devono essere svolte completamente nella stessa stazione;

- le stazioni sono unilaterali e il layout è seriale.

Per un problema SALBP è possibile distinguere varie versioni, che differiscono in base all’obiettivo di ottimizzazione [5]:

14

- SALBP-1: dato un Tc della linea, si minimizza il numero di stazioni N; è la versione dei problemi SALBP che viene utilizzata al momento dell’istallazione di una nuova linea;

- SALBP-2: è il duale del problema SALBP-1. Definito il numero di stazioni, si minimizza il tempo ciclo della linea;

- SALBP-F: data una combinazione di N e Tc, definisce la fattibilità di una sequenza di montaggio;

- SALBP-E: data una combinazione di N e Tc, massimizza l’efficienza di bilanciamento della linea, ƞb.

In Tabella 1.1 viene schematizzata la classificazione dei problemi SALBP appena descritta.

Tempo ciclo (Tc)

Numero stazioni di lavoro (N)

Parametro Noto Parametro da minimizzare

Parametro Noto SALBP-F SALBP-2

Parametro da minimizzare

SALBP-1 SALBP-E

Tabella 1.1 Classificazione problemi SALBP

Considerando il tempo ciclo e il rateo produttivo come parametri fissi e definiti, SALBP-1 viene utilizzato per la progettazione di una linea nuova. SALBP-2 viene utilizzato nel ri-bilanciamento di una linea già esistente.

1.3.4. Metodi per la risoluzione dei problemi SALBP

Per la risoluzione dei problemi SALBP sono stati utilizzati numerosi metodi. Data la natura combinatoria del problema in pochi sono risultati esatti nella risoluzione dei problemi di bilanciamento, in particolar modo per i problemi SALBP-1.

Una limitazione non trascurabile è data dalla dimensione del problema, in termini di tempo di calcolo. Per superare ciò sono stati considerati dei metodi approssimativi che forniscono soluzioni prossime alla soluzione ottima.

Il problema SALBP può essere risolto tramite metodi euristici e metodi iterativi. I metodi euristici sono metodi basati sul senso pratico e sulla sperimentazione.

Con questi metodi si ottiene una soluzione in tempi ragionevoli, che può non essere ottima [2].

15 I principali metodi euristici sono:

- metodo Largest candidate rule (LRC); - metodo Kilbridge e Wester (K&W);

- metodo Ranked Positional Weight (RPW).

I metodi iterativi, iterando per un certo numero di volte lo stesso procedimento, forniscono una soluzione ottima migliorandola di volta in volta con le opportune modifiche.

Alcuni dei metodi iterativi sono: - metodo Tabu Search; - metodoAlgoritmo genetico.

Metodo Largest candidate rule (LRC)

I passi del metodo LRC sono [2]:

- ordinare in maniera decrescente rispetto al tempo di esecuzione Tek le operazioni elementari;

- assegnare alle stazioni una o più operazioni, seguendo l’ordine della lista, rispettando le precedenze tecnologiche e i vincoli di tempo. Dopo aver assegnato un’operazione si riparte dall’inizio della lista;

- quando l’operazione da assegnare presenta un Tek maggiore del tempo a disposizione della stazione, si passa alla successiva stazione;

- ripetere i passi fino a completare l’assegnazione delle operazioni.

Metodo Kilbridge e Wester (K&W)

Questo metodo solitamente fornisce un metodo migliore del precedente. I passi del K&W sono [2]:

- rappresentare il diagramma delle precedenze ordinato per colonne. Da questo diagramma è possibile ottenere una lista ordinata secondo le precedenze. Le operazioni che cadono nella stessa colonna saranno ordinate in funzione del tempo di esecuzione.

- assegnare alle stazioni una o più operazioni, seguendo l’ordine della lista, rispettando le precedenze tecnologiche e i vincoli di tempo. Dopo aver assegnato un’operazione si riparte dall’inizio della lista;

- quando l’operazione da assegnare presenta un Tek maggiore del tempo a disposizione della stazione, si passa alla successiva stazione;

16

- ripetere i passi fino a completare l’assegnazione delle operazioni.

Metodo Ranked Positional Weight (RPW).

Questo metodo è più preciso dei due metodi descritti in precedenza. I passi del RPW sono [2]:

- per ogni operazione elementare, calcolare l’indice RPW come sommatoria dei Tek

delle operazioni elementari che seguono l’operazione j-esima nel grafo delle precedenze.

RPWj = ∑𝑛_𝑘=𝑗𝑇ek

Dove:

j= operazione j-esima;

n= numero di tutte le operazioni che seguono la j-esima; Tek= tempi di esecuzione dell’operazione k-esima.

- assegnare alle stazioni una o più operazioni, seguendo l’ordine della lista, rispettando le precedenze tecnologiche e i vincoli di tempo. Dopo aver assegnato un’operazione si riparte dall’inizio della lista;

- quando l’operazione da assegnare presenta un Tek maggiore del tempo a disposizione della stazione, si passa alla successiva stazione;

- ripetere i passi fino a completare l’assegnazione delle operazioni.

Metodo Tabu Search

Il Tabu Search nasce come l’evoluzione del modello “metodo di discesa” utilizzato per trovare il minimo di una funzione all’interno di uno spazio di soluzioni [6]. Il metodo consiste nel partire da una soluzione iniziale e da questa eseguire una serie di mosse che portano ad una nuova soluzione all’interno dell’insieme di adiacenza della soluzione corrente, dove la funzione obiettivo assume un valore minimo inferiore rispetto a quello attuale. Il limite di questo metodo è dovuto al fatto che, se nell’insieme di adiacenza non esistono soluzioni migliori di quella corrente, la ricerca si ferma e come soluzione migliore mi fornisce un minimo locale dello spazio delle soluzioni, a volte molto distante dal minimo globale.

Con il metodo del Tabu Search si cerca di superare questo limite del ‘metodo di discesa’. Questo metodo consiste nel rendere ‘tabù’ le ultime mosse eseguite nel cammino di ricerca, in modo tale da evitare di ricadere nei minimi locali. Il metodo, pertanto, possiede una memoria: durante l’esecuzione viene tenuta traccia delle informazioni

17

locali, relative alla soluzione finale, e delle informazioni sull’itinerario percorso. Queste informazioni vengono utilizzate per la soluzione successiva, che viene scelta all’interno dell’insieme di adiacenza.

L’algoritmo può avere diversi criteri per terminare, tra cui: - viene raggiunto il numero massimo di iterazioni; - viene raggiunto il tempo massimo di calcolo;

- il valore della funzione obiettivo trovato è uguale al limite inferiore.

Metodo Algoritmo genetico

L’algoritmo genetico si ispira al principio di evoluzione naturale e della genetica per sviluppare delle soluzioni ammissibili che migliorano reiterando l’algoritmo stesso. L’algoritmo parte da una soluzione ammissibile di partenza, una popolazione costituita da vari individui, che evolvono durante le iterazioni con l’obiettivo di convergere verso la soluzione ottima.

Ogni soluzione ammissibile trovata viene valutata tramite una funzione obiettivo, chiamata fitness, che ne rappresenta la bontà. Sulla base del valore di fitness calcolato, ogni individuò potrà essere selezionato per generare la nuova popolazione, formata da nuovi individui chiamati figli.

Ogni individuo ‘genitore’ selezionato per generare la nuova popolazione, trasmetterà parte del proprio patrimonio genetico al figlio, attraverso due operatori genetici: crossover e mutazione.

A ogni iterazione la soluzione tenderà sempre a migliorare. Il numero di iterazioni dipende dal criterio di stop che si è scelto, come ad esempio il numero massimo di iterazioni.

Per una descrizione maggiormente dettagliata del metodo, si rimanda al capitolo 3.3 del presente elaborato.

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Capitolo 2

2. HRC (Human Robot Cooperation) nelle linee di montaggio

L’ergonomia è una scienza applicata che si occupa dell’interazione tra l’uomo e l’ambiente circostante. Nello specifico, l’ergonomia sui luoghi di lavoro si occupa della progettazione degli spazi, degli attrezzi e dei processi produttivi in funzione delle capacità specifiche dei lavoratori.

Negli ultimi anni, la necessità di garantire elevati standard di sicurezza e la consapevolezza dell’importanza del fattore umano all’interno dei cicli produttivi sta portando sempre più aziende ad iniziare progetti che prevedono l’introduzione di migliori condizioni di lavoro tramite la ri-progettazione delle proprie linee di produzione [7].

L’obiettivo principale di ogni azienda è quello di massimizzare il profitto. Se in passato, per l’ottimizzazione delle linee si sono considerati come unici parametri il volume di produzione e l’efficienza della linea, ad oggi non si possono non considerare i costi indiretti che ogni danno sanitario di un lavoratore provoca.

La particolare attenzione rivolta ai problemi ergonomici, la flessibilità e la variabilità richiesta ai processi di assemblaggio hanno contribuito negli anni a porre sempre maggiore attenzione sui sistemi di assemblaggio ibridi.

L’interazione tra uomo e robot migliora l’efficienza dei singoli processi di assemblaggio, in particolar modo quando un robot funge da assistente intelligente. I robot possono essere considerati come sistemi intelligenti quando svolgono compiti che richiedono capacità a livello cognitivo, come: manipolazione, spostamenti di oggetti, localizzazione, costruzione di mappe, pianificazione ed esecuzione dei movimenti [8].

Le linee di assemblaggio ibride possono pertanto essere classificate in funzione del contributo che robot ed operatori possono fornire alle operazioni di montaggio.

2.2. Classificazione dei sistemi di assemblaggio ibridi

Nei sistemi di assemblaggio ibridi, dove uomo e macchine cooperano per il raggiungimento degli obiettivi, si devono sfruttare i punti di forza di entrambe le parti.

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Le macchine permettono di aumentare la produttività della linea e diminuire i punti di rottura; come contro richiedono un elevato sforzo di programmazione e posseggono delle abilità limitate, che non sono adatte alla manipolazione di parti complesse.

L’uomo ha maggiori capacità motorie, tale da poter svolgere le attività che richiedono maggiore destrezza, una maggiore flessibilità e rapidità di adattamento, ma è meno preciso, può distrarsi ed ha una forza disponibile minore del robot.

Macchina

+

Maggiore produttività Minori punti di rottura

-

Abilità limitate per parti complesse

Uomo

+

Flessibilità e rapidità di adattamento

-

Minore forza disponibile

Tabella 2.1 Punti di forza e di debolezza uomo e macchine cooperanti

Facendoli collaborare nei sistemi di assemblaggio dove c’è una divisione sequenziale del lavoro si riescono ad utilizzare i punti di forza di entrambi, sintetizzati in Tabella 2.1. I sistemi di assemblaggio ibridi possono essere classificati in [9]:

- Workplace sharing systems;

- Workplace and time sharing systems. 2.2.1. Workplace sharing systems

Nella workplace sharing system (esempio in figura 2.1) l’uomo e il robot condividono lo stesso posto di lavoro ed entrambi possono eseguire operazioni di manipolazione ed operazioni di assemblaggio.

20 Le configurazioni possibili sono:

- il robot esegue operazioni di assemblaggio e l’uomo operazioni di manipolazione; - l’uomo esegue operazioni di assemblaggio e il robot operazioni di manipolazione Nella workplace sharing system l’interazione tra il robot e l’uomo è limitata al non avere delle collisioni. Viene definita una distanza di sicurezza: se la distanza tra uomo e robot è inferiore al valore di riferimento il robot si blocca.

Dato che la divisione del lavoro è sequenziale, se l’uomo svolge le operazioni in un intervallo di tempo maggiore del robot quest’ultimo lo attende. La distribuzione dei tempi nella configurazione workplace sharing system è la seguente:

Figura 2.3 Divisione dei tempi nella Workplace sharing system

Come si vede in Figura 2.1, l’operatore e il robot non svolgono mai la stessa operazione contemporaneamente, c’è solo una condivisione dello spazio di lavoro.

2.2.2. Workplace and time sharing systems

Nella workplace and time sharing system (esempio in figura 2.3) l’uomo e il robot condividono lo stesso posto di lavoro e possono eseguire congiuntamente le operazioni di assemblaggio e di manipolazione.

21 Le configurazioni possibili sono:

- il robot esegue operazioni di assemblaggio e l’uomo operazioni di manipolazione; - l’uomo esegue operazioni di assemblaggio e il robot operazioni di manipolazione; - entrambi eseguono operazioni di manipolazione;

- entrambi eseguono operazioni di assemblaggio.

Nella workplace and time sharing system il grado di interazione tra uomo e robot è maggiore. Se l’area in cui si sta muovendo il robot non rientra nell’area di lavoro condivisa con l’operatore umano, il robot si muove alla massima velocità. Nel momento in cui le due aree coincidono, il robot si ferma e cambia modalità di funzionamento. In questo caso è l’uomo che muove il robot manualmente attraverso dei sistemi di manipolazione di cui è dotato.

La distribuzione dei tempi nella configurazione workplace and time sharing system è la seguente:

Figura 2.4 Divisione dei tempi nella Workplace and time sharing system

Come si vede in Figura 2.4, robot ed operatore possono, in questa configurazione, svolgere contemporaneamente la stessa operazione, condividendo non solo l’area di lavoro ma anche il tempo per l’esecuzione dell’operazione.

Le dimostrate esigenze industriali nel combinare i vantaggi del montaggio manuale e del montaggio robotizzato hanno portato negli ultimi anni allo sviluppo di nuovi tipi di robot industriali, chiamati robot collaborativi, capaci di fornire un importante supporto di potenza al lavoratore.

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2.3. Robotica collaborativa

2.3.1. Vantaggi economici della robotica collaborativa

Si definisce robotica collaborativa qualsiasi forma di interazione tra uomo e sistema robotizzato funzionale all’esecuzione di un compito produttivo, che non potrebbe essere eseguito altrimenti o in modo altrettanto efficace o remunerativo [10].

Nella scelta della robotica collaborativa, un elemento importante è il driver di costo, considerato come costo per unità di prodotto (costo unitario). Questo valore di costo lo si ottiene sommando il costo del macchinario, i costi di set-up e i costi operativi diretti, come ad esempio i costi di manutenzione. L’andamento è decrescente all’aumentare di volumi di produzione per celle molto specializzate e volumi minimi elevati, mentre per le operazioni manuali il costo unitario si mantiene circa costante. La soluzione manuale è competitiva per volumi molto ridotti, mentre la robotica collaborativa per volumi medio-piccoli dove è possibile ridurre rapidamente i costi iniziali, come si può vedere in Figura 2.5.

Figura 2.5 Comparazione tecnologie robotiche su andamento costi operativi [10]

Potendo assegnare in una stazione di lavoro, all’interno dello stesso intervallo di tempo (tempo ciclo), operazioni che vengono svolte parallelamente dal robot, impegnato nell’esecuzione di alcune fasi, e dall’operatore, impegnato nell’esecuzione di altre attività, come il controllo e la finitura, è possibile incrementare la produttività della linea.

Un ulteriore elemento è dato dalla riduzione dei tempi di setup, che aumentano la flessibilità della linea [10]. I tempi di setup infatti si riducono grazie all’aumento della

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flessibilità e alla semplicità nel programmare il robot a svolgere le operazioni che gli vengono assegnate, ad esempio attraverso l’auto-apprendimento.

Oltre alla riduzione del costo e all’aumento della flessibilità, l’utilizzo dei robot collaborativi porta ad automatizzare applicazioni che diversamente sarebbero totalmente manuali. Considerando che esiste un limite alle capacità di manipolazione di un robot, se si utilizzasse il robot collaborativo a supporto dell’operatore, sottraendo a quest’ultimo tutte quelle operazioni che sono robotizzabili, e assegnandoli compiti che richiedono un grado di destrezza maggiore, il robot collaborativo risulterebbe un co-worker impareggiabile.

2.3.2. I robot collaborativi

I cobot o robot collaborativi nascono dall’idea di far lavorare congiuntamente uomini e robot nel 1995, quando J. Edward Colgate e Michael Peshkin della Northwestern Engineering hanno intrapreso questo progetto di ricerca [11]. Per garantire la sicurezza dei lavoratori, i primi cobot non avevano una fonte di energia propria, ma attraverso l’uso di servomotori un collaboratore umano forniva la forza necessaria per spostare il carico.

Un altro importante elemento dei cobot è la capacità di fornire un supporto di potenza al lavoratore, in modo che l’inerzia apparente di pezzi meccanici possa essere ridotta di un fattore dieci o maggiore. In questo modo lo sforzo fisico del lavoratore durante la manipolazione di pezzi di grande dimensione è ridotto in modo significativo [12]. Un esempio è illustrato in figura 2.6, dove il cobot viene utilizzato sulla linea di assemblaggio della Ford.

L’utilizzo dei robot collaborativi rappresenta una tecnologia emergente ma già implementata a livello industriale, soprattutto nell’automotive, dove le operazioni richiedono uno sforzo significativo e quindi dove il tema dell’ergonomia è particolarmente importante.

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Figura 2.6 Cobot su linea di assemblaggio Ford

Durante la manipolazione di carichi pesanti un supporto alternativo all’utilizzo dei cobot per i lavoratori è rappresentato dai sistemi esoscheletrici (esempio in Figura 2.7).

Figura 2.7 Sistema esoscheletrico su linea di assemblaggio

Se confrontati con i cobot, i sistemi esoscheletrici offrono un maggiore grado di mobilità ma affinché la mano si adatti al sistema e riesca a raggiungere un grado di destrezza adeguato all’operazione da svolgere è necessario un tempo maggiore.

Per poter aumentare la flessibilità delle linee di montaggio, considerando che la cooperazione tra uomo e robot porta quest’ultimi a lavorare a stretto contatto, c’è la possibilità di utilizzare dei robot umanoidi o antropomorfi. I robot umanoidi (esempio in

Figura 2.9 Esempio di robot portatili Figura 2.8 Esempio di robot umanoide o antropomorfo

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figura 2.8) sono costituiti da due braccia, hanno una struttura molto leggera, che garantisce una sicurezza intrinseca del robot e sono in grado di eseguire operazioni I robot portatili (esempio in figura 2.9) sono un’ulteriore alternativa in uno scenario cooperativo.

Si possono utilizzare in un’area di lavoro non limitata alla postazione di lavoro, spostandoli all’interno della zona di produzione. Tra i maggiori vantaggi abbiamo l’aumento della flessibilità e la riduzione dei costi.

2.3.3. Descrizione robot collaborativi

I principali obiettivi da raggiungere nella progettazione dei robot cooperanti sono [12]: - avere una ridondanza cinematica: un numero di DOF (degree of freedom)

superiore a quello necessario per svolgere le operazioni. Questo permette di avere una maggiore flessibilità di movimento e una maggiore interazione;

- avere un peso totale del sistema inferiore a 15 kg; - avere per le braccia uno spazio di lavoro fino a 1,5 m; - non avere collegamenti ingombranti.

I robot collaborativi hanno un rivestimento dotato di aree sensibili, tale da percepire simultaneamente la vicinanza e il contatto con una persona o un altro componente del processo produttivo. Sono inoltre dotati di un sistema di percezione di impulsi tattili e sono capaci di modificare la propria traiettoria a seguito di un contatto. L’operatore può anche movimentare il robot manualmente con la manual guide.

Esistono attualmente in industria diversi produttori di robot cooperanti, tra cui si distinguono maggiormente: Universal Robot, KUKA e Comau. Per la descrizione che segue viene considerato il Kuka LightWeight Robot (LWR).

Come mostrato in Figura 2.10, i principali componenti del robot sono:

1) Polso “In Line”; 2) Moduli in giunto; 3) Base frame.

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In ognuno dei sette assi sono presenti dei sensori di coppia, che uniti ad un modello dinamico del robot servono a controllare i giunti.

I cobot sono dotati di un sistema di visione integrato, che consente di prevedere i movimenti di una persona, nel suo raggio d’azione, e sono potenziati con laser scanner che controllano l’interazione dell’uomo con l’area di lavoro.

Figura 2.11 Interazione uomo-robot [13]

I dati sono inviati ad un software che gli elabora e modifica di conseguenza la traiettoria del robot [14], come si evince dalla figura 2.11. Combinando queste due modalità di controllo, il cobot è in grado di poter cooperare con l’uomo in qualsiasi processo o settore.

La programmazione dei robot industriali può avvenire on-line, mentre è in funzionamento, o offline, quando il cobot è spento.

Per la creazione dei percorsi vengono utilizzati dei layout tridimensionali o un apprendimento interattivo del robot, che prevede l’utilizzo di un puntatore laser per insegnare la traiettoria al cobot.

2.4. Sistemi di sicurezza

Dal momento in cui uomo e robot si trovano a lavorare nella stessa area condivisa, nasce il problema di dover garantire la sicurezza nell’interazione uomo-robot.

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La norma europea UNI EN 775:1994 “Robot industriali di manipolazione – Sicurezza”, convertita in standard internazionale ISO 10218:2006 “Robot e dispositivi robotizzati – I requisiti di sicurezza per i robot industriali” [15] costituiscono la base per la sicurezza in una cella robotizzata.

I sistemi di sicurezza per la cooperazione uomo-robot possono essere classificati in: - Sistemi di pre-collisione;

- Sistemi di post-collisione. 2.4.1. Sistemi di pre-collisione

I sistemi di pre-collisione sono dei sistemi di sicurezza atti ad evitare collisioni tra il robot e l’operatore umano all’interno dell’area di lavoro.

Negli anni si è passati da sistemi di sicurezza pre-collisione, che andavano a limitare il funzionamento del braccio del robot in aree ristrette, all’introduzione di tecnologie a supporto della sicurezza, ma che non limitano la flessibilità dei robot.

Kuka Roboter Gmbh ha sviluppato dei sistemi per robot industriali, che incorporano la tecnologia SafetyBus utilizzando telecamere e sensori laser per rilevare la presenza di ‘ostacoli’ che potrebbero rappresentare possibili collisioni [9].

SafetyEYE è un sistema di telecamere 3D, che permette a uomo e robot di lavorare nella stessa area. Oltre alla presenza delle telecamere, il sistema di rilevamento è composto da un computer ed un controllore. Il computer riceve le immagini dalle tre telecamere, che vengono posizionate nell’area e crea un’immagine tridimensionale. Quest’ultima viene sovrapposta ad un’immagine dove l’area è sgombra da possibili collisioni, per vedere se ci sono delle zone violate, come illustrato in Figura 2.12.

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Il computer fornisce i dati al controllore del sistema di sicurezza, che interfacciandosi con il controllore della macchina in caso di violazione spegne le uscite [16].

Le situazioni che possono presentarsi sono:

- il lavoratore entra della zona di pericolo immediato: i movimenti del robot vengono immediatamente fermati;

- il lavoratore entra in una zona di pericolo non immediato: è una area che il robot raggiunge dopo un certo numero di secondi. Il controllore rallenta la velocità del robot. Quando il lavoratore torna in una zona di non pericolo, il robot torna alla sua normale velocità.

Kuka, seguito da Reis, ABB e Fanuc, ha realizzato un software che fa affidamento direttamente al controller del robot, migliorando i tempi di risposta del sistema.

Un altro sistema che consente una cooperazione sicura tra robot e operatore è il sistema di videosorveglianza basato su telecamere PMD, sviluppato da Fraunhofer IPA. Il sistema utilizza i dati sulla distanza e gli angoli dei giunti del robot come input e genera un output, che può essere un avvertimento di rischio o può fermare il robot. I dati vengono elaborati su un piano cartesiano, in modo da conoscere la superficie degli oggetti che sono presenti nell’area di lavoro [9].

2.4.2. Sistemi di post-collisione

I sistemi di post-collisione sono dei sistemi di sicurezza atti ad intervenire quando si rilevano delle collisioni tra il robot e l’operatore.

Vengono utilizzati dei sensori di coppia ed il software LWR per il rilevamento rapido di collisioni o di guasti. Per valutare la gravità dell’impatto, vengono utilizzati gli indici di gravità.

L’HIC (Head Injury Criterion) è un indice che valuta l’accelerazione della testa durante un impatto. È il più importante ed usato indice per quantificare il livello di lesioni riportate in seguito ad un incidente automobilistico ed è stato introdotto anche in robotica.

Oberer e Schraft hanno esteso il test HIC anche per la valutazione degli impatti su torace ed arti inferiori, in seguito ad un contatto tra robot e operatore [18]. La figura 2.13 mostra i risultati delle misurazioni HIC per diversi tipi di robot e diverse velocità di impatto, classificati secondo la valutazione EuroNCAP protocollo e limiti biomedici. Le lesioni che si possono riportare in seguito ad un contatto uomo-robot sono classificati in 5 livelli:

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- lesioni basse (area gialla): con valori di HIC inferiori a 770, dove l’impatto è significativo ma l’uomo non è in pericolo di vita;

- lesioni medie (area arancio): con valori di HIC inferiori a 890, dove l’impatto è significativo ma l’uomo non è in pericolo di vita;

- lesioni alte (area marrone): con valori di HIC inferiori a 1000, dove l’impatto è significativo ma l’uomo non è in pericolo di vita;

- lesioni molto alte (area rossa): con valori di HIC superiori a 1000.

Figura 2.13 Valori HIC per diverse velocità del robot

Come si può vedere dalla Figura 2.13, considerando il robot dalla dimensione maggiore (Kuka KR500 di 2,350 kg) nel range di velocità da 2.9 m s-1 _{a 3.7 m s}-1_{, i valori di HIC}

sono situati nell’area verde, pertanto non rappresentano una minaccia significativa per l’uomo.

Questo risultato giustifica la presenza di robot e uomo nella stessa area di lavoro in quanto, anche in una situazione estrema, ingombro massimo del robot e massima velocità raggiunta, le lesioni in seguito ad un impatto non sono classificate come gravi.

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Capitolo 3

3. Analisi dello stato dell’arte

Attualmente molte aziende hanno introdotto l’uso di robot collaborativi nelle linee di produzione. Tra gli esempi industriali di maggiore rilievo troviamo:

La BMW ha introdotto nei suoi stabilimenti i robot cooperanti per svolgere compiti che potrebbero causare delle lesioni da sforzo ripetuto ai lavoratori umani. Gli UR10 sono stati inseriti in prossimità dell’operatore per eseguire la sigillatura delle porte.

Negli stabilimenti della Volkswagen sono stati introdotti i cobot UR-5 lungo la linea di assemblaggio per l’inserimento delle candele nella testa del cilindro.

Continental Automotive Spagna ha istallato due robot UR10 per eseguire le operazioni di gestione e validazione dei circuiti stampati e dei componenti nel corso del processo produttivo, un’operazione ripetitiva ma che richiede precisione.

Questi sono solo alcuni dei possibili esempi dell’introduzione della robotica collaborativa all’interno delle linee di assemblaggio.

Coordinare robot e uomini in stretta vicinanza fisica pone delle sfide nella progettazione dell’interazione uomo-robot in quanto la stessa interazione non deve ledere l’incolumità dell’operatore. La pianificazione del processo deve tener conto di quali attività possono essere svolte dall’uomo, quali dal robot e quali in modalità cooperante. Inoltre, l’automazione di alcune attività può provocare una sensazione di allontanamento dal processo produttivo dell’operatore, con un conseguente peggioramento delle prestazioni lavorative.

Nell’andare ad assegnare le attività all’uomo o al robot, all’interno dei problemi di bilanciamento delle linee di montaggio, si devono considerare:

- le competenze che l’operatore possiede e che può mettere a disposizione del processo;

- i limiti ergonomici di ciascun operatore, cioè l’energia fisica massima del lavoratore.

Nell’affrontare l’analisi dello stato dell’arte per i problemi di bilanciamento delle linee di montaggio, verrà posta particolare attenzione a questi due aspetti in quanto caratterizzano maggiormente la Human Robot Collaboration.

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3.2. Assegnazione delle attività nei sistemi di assemblaggio ibridi

Nell’assegnazione delle attività all’interno di un processo di assemblaggio ibrido , una prima analisi da svolgere riguarda quelle che sono le competenze che ogni operatore possiede e il modo con il quale implementarle all’interno del processo produttivo.

Di seguito viene descritto un metodo per l’assegnazione, presente in letteratura, basato sulle competenze e convalidato su un processo di assemblaggio dell’industria aeronautica.

3.2.1. Approccio per l’assegnazione dei compiti basato sulle competenze

L’inizio della cooperazione uomo-robot all’interno di spazi di lavoro non separati pone l’obiettivo di un’allocazione ottimale delle attività operative.

In letteratura, la maggior parte delle trattazioni riguardano metodi di ottimizzazione riferiti a situazioni dove c'è una netta separazione dello spazio di lavoro tra uomo e robot. Thiemermann ha descritto, come mostra la figura 3.1, i potenziali che potrebbero essere sfruttati nella HRC (Human Robot Cooperation) [19].

Dal punto di vista dei costi, si hanno dei benefici grazie alla possibilità di poter avere una automatizzazione personalizzata e una maggiore variabilità di prodotti realizzabili, dovuta alla programmabilità dei cobot, che permette di recuperare in tempi minori i costi d’investimento.

In termini di tempo si ha un grado di utilizzo maggiore della linea rispetto alla situazione non cooperante, minori tempi di setup e una migliore flessibilità che si traducono in un maggior tempo a disposizione delle operazioni di assemblaggio della linea.

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Dal punto di vista della qualità si ha un controllo di qualità costante e maggiore, in quanto l’operatore è responsabile del controllo delle operazioni che vengono svolte da lui, ma svolge anche un’attività di supervisione del robot.

In fase di pianificazione del processo produttivo devono essere condotte delle analisi che permettano di individuare:

- il livello di abilità per ogni operatore, inteso come capacità tecnica; - il livello di abilità di ogni robot a disposizione, inteso come DOF; - le caratteristiche del prodotto;

- le caratteristiche del processo.

L’assegnazione dei compiti al robot o all’operatore deve considerare la compatibilità tra le abilità richieste dall’operazione e quelle possedute dall’operatore o dal robot. Inoltre, le risorse devono essere utilizzate nei limiti ergonomici definiti, cioè considerando l’energia massima disponibile per ogni operatore.

In seguito viene descritto il metodo di Kluge [20], che utilizza un approccio per l’assegnazione dei compiti basato sulle competenze.

Kluge suddivide la descrizione del metodo su tre livelli: - I livello: Attività di assemblaggio di base;

- II livello: Compito specifico. Descrizione del prodotto, requisiti, competenze e risorse richieste;

- III livello: Parametri. Singoli valori per l’assemblaggio del componente.

Le attività di assemblaggio di base a loro volta sono suddivise, secondo Müller [21], in: manipolazione, accoppiamento, messa in servizio, processi di supporto e operazioni speciali.

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L’attività specifica deriva dall’attività di base selezionata e permette di individuare quelle che sono le abilità richieste per poter eseguire l’operazione, come si evince dalla figura 3.2 .

Si può caratterizzare meglio l’attività introducendo dei parametri, in modo che il processo sia descritto sufficientemente in dettaglio per l’assegnazione dei compiti, come mostrato nell’esempio in tabella 3.1, per l’attività di accoppiamento.

Attività di assemblaggio di base Attività specifica Parametri Nome Valore Unità di

misura

Tipo

Accoppiamento Premere contro Elemento Forza Min. Posizione Telaio 20 1 N Stringa Real Int Tabella 3.1 Descrizione attività di accoppiamento di elementi

Descrivendo le attività per ognuno dei tre livelli di dettaglio si riescono a determinare le caratteristiche del prodotto e del processo.

Alla luce dei requisiti emersi per i compiti analizzati, le abilità degli operatori e dei robot sono confrontate a coppie. In questo modo se per l’esecuzione dell’operazione è richiesta una competenza superiore a quella posseduta dai lavoratori, l’attività viene assegnata al robot.

L’assegnazione dei compiti attraverso il metodo delle competenze prevede anche un’analisi del layout, che va a considerare la disponibilità delle risorse nelle varie postazioni di lavoro. In ultimo viene valutato il livello di esposizione al rischio da parte dell’operatore, come condizioni ambientali e postura: una situazione di elevata esposizione a rischio ergonomico, comporta l’assegnazione dell’operazione al robot. Di seguito viene presentato un caso studio su un processo di assemblaggio dell’industria aeronautica, condotto per la validazione del metodo per l’assegnazione delle attività basato sulle competenze.

3.2.2. Caso dimostrativo

Il caso studio presentato per convalidare il metodo illustrato precedentemente, considera le attività per l’assemblaggio di fusoliere di aeromobili [21].

Come si vede dalla figura 3.3 i singoli componenti vengono assemblati in sottoinsiemi, che a loro volta verranno uniti a formare delle sezioni della fusoliera. I singoli componenti vengono analizzati per individuarne le proprietà e ricavare da queste i requisiti per il processo di assemblaggio.

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Figura 3.3 Caso dimostrativo assemblaggio fusoliera aereo

In figura 3.4 è illustrato l’elemento shell della fusoliera: è composta da un rivestimento (skin) sul quale vengono applicati degli elementi trasversali (stringers) fissati attraverso dei frames e stabilizzati da delle clip.

Figura 3.4 Shell fusoliera

Tutti gli elementi che compongono l’elemento shell della fusoliera hanno una bassa elasticità. L’assemblaggio della fusoliera segue il grafo delle precedenze mostrato in figura 3.5:

S10

S30

S20

S40 S990

35 Con:

S10: Skin  Attivazione della superficie1

S20: Skin  Applicazione dell’adesivo S30: Frame  Attivazione della superficie S40: Frame  Accoppiamento

S990: Ispezione assemblato

Considerando le attività, le risorse con le rispettive competenze individuate, le abilità richieste per eseguire le operazioni di assemblaggio e considerando i limiti ergonomici da rispettare si può procedere con l’assegnazione dei compiti a uomini e robot.

Per convalidare l’approccio basato sulle competenze nell’assegnazione dei compiti, presso il Centro di Meccatronica e Automazione (ZeMA) di Saarbrücken, è stato creato un sito di dimostrazione costituito da [21]:

Apparecchiatura:

- Tavolo dove organizzare l’equipment necessaria all’assemblaggio;

- Traversa dotata di illuminazione e sistemi di assistenza, come proiettori e telecamere.

Moduli meccatronici: - UR-10;

- Attrezzature necessarie per il processo, come ad esempio una torcia al plasma, sistemi di controllo per il dosaggio dell’adesivo e strumenti di ispezione.

Pianificazione e controllo dell’ambiente:

- Software per la pianificazione e la simulazione; - PLC (programmable logic controller).

Lo scenario applicativo che si sta considerando è composto da quattro processi di base: attivazione della superficie, applicazione dell’adesivo, accoppiamento e ispezione dell’assemblato. Per ogni processo base vengono individuati i compiti specifici e, confrontando le abilità dell’uomo e del robot, si determinano i requisiti delle attività, come si è riassunto in figura 3.6.

Se ad esempio si considera il processo di applicazione dell’adesivo, il robot riesce a garantire un maggiore controllo di processo, una velocità di deposizione e una distanza costante, ma come contro richiede che vengano utilizzati dei sensori di supporto al

36

processo. L’uomo non assicura una velocità ed una distanza costante nell’applicazione dell’adesivo, ma ha la possibilità di accedere in più aree, essendo dotato di maggiore destrezza.

Analizzando i parametri di processo, si evince come per l’attività di attivazione della superficie, il risultato raggiunto dall’uomo e dal robot è il medesimo; quindi questa attività può essere assegnata ad entrambi. Una situazione diversa la si ha nel caso dell’applicazione dell’adesivo: data l’elevata precisione che garantisce il robot nella deposizione del collante, l’operazione è assegnata all’uomo solo se l’accessibilità all’area interessata fosse limitata, mentre in tutte le altre situazioni l’attività è svolta dal robot.

Figura 3.6 Comparazione abilità uomo-robot

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Nel caso studio che è stato condotto [21] non ci sono problemi di raggiungibilità dei punti interessati, quindi l’attività è stata assegnata al robot.

Questo tipo di analisi viene condotta su tutti i processi di base. Gli scenari applicativi individuati sono rappresentati in figura 3.7.

C1, C2, C3 e C4 rappresentano i componenti coinvolti nei quattro processi base.

Nella configurazione di tipo A i processi assegnati all’uomo sono l’attivazione della superficie e l’accoppiamento degli elementi, mentre l’applicazione dell’adesivo e l’ispezione dell’assemblato vengono svolte dal robot.

Nella configurazione di tipo B il processo di attivazione della superficie, che può essere svolto in maniera indifferente da entrambi, è assegnato al robot. È una configurazione preferibile nel caso in cui l’uomo fosse una risorsa scarsa, in quanto gli viene assegnata solo l’attività di accoppiamento degli elementi. Inoltre è possibile riconfigurare le attività, applicando l’adesivo subito dopo l’attivazione della superficie del componente C3.

L’assegnazione delle attività all’uomo o al robot, utilizzando l’approccio basato sulle competenze, conduce ad un risultato ragionevole. Tuttavia, deve essere integrato con una valutazione dei rischi ergonomici a cui sono sottoposti gli operatori.

3.3. Aspetti ergonomici nel bilanciamento delle linee di montaggio

3.3.1. Metodi per la valutazione del rischio ergonomico

La necessità di individuare il grado di esposizione al sovraccarico biomeccanico a cui è sottoposto un lavoratore ha fatto sì che negli anni si sviluppassero diverse tecniche di analisi e valutazione del rischio ergonomico. Tra questi metodi di stima dei fattori di rischio, che possono causare malattie professionali, troviamo i metodi biomeccanici e i metodi posturali.

I metodi biomeccanici stimano i carichi meccanici su diverse parti del corpo attraverso la modellizzazione matematica, come il modello di previsione di resistenza statica bidimensionale (2D) o il modello software 3D SSPP. I metodi posturali stimano il numero di combinazioni posturali indesiderate, ovvero quelle associate allo sviluppo di distorsioni e tensioni, e la percentuale del lavoro in cui queste combinazioni sono presenti. Alcune di queste metodologie sono: il metodo per la valutazione degli arti superiori RULA, il sistema di analisi posturale OWAS e il metodo OCRA.