I sistemi di interazione uomo-macchina 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 sanitaria 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, diconseguire 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 ed 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
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 giunto 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.
Intelligent human-machine interaction in the Industry 4.0 era
Human-machine interaction systems are contributing to medical advances, bringing improvements to people’s lives and speeding up the process of digitisation and transformation of manufacturing companies into Smart Factories
Human-machine interaction is set to become increasingly established with the support of business leaders: the majority of Italian company managers are very much in favour of an ever-stronger partnership between people and machines to overcome human limitations. Companies see emerging technologies as a means to enable people and communities around the world to enhance, improve and optimise their lives; from autonomous vehicles, to connected homes, to digital cities. Digital transformation and emerging technologies impact businesses as well as people, fostering digitally driven change, competitiveness and the possibilities offered by innovation.
The relationship between people and technology is destined to become even stronger with the arrival of 5G, which will make it possible to activate previously unachievable innovative services and, thanks to wireless, will extend the use of the internet to SMEs which, for reasons of network coverage, were previously excluded. For example, in logistics it will be possible to control fleets of self-driving trucks by means of robots; it will be possible to develop efficiently managed sensor networks and augmented reality visors to help with the use and maintenance of industrial plants.
Technology can also improve people’s work: augmented reality visors and platforms, for example, will make it possible to monitor production processes and flows, carry out training, and remotely manage maintenance or repairs.
Not only factories
Another area where increasingly sophisticated and advanced IOT devices combined with the fifth generation of mobile networks will lead to a major revolution is the health care sector, which will become less and less hospital-centric in favour of digital home care.
The spread of remote emergency management systems will make it possible to avoid risky hospital transfers. With an ageing population, the digital transformation of the healthcare sector and the reduction of healthcare costs is one of the main goals for the immediate future.
Intelligence as a success factor
Artificial intelligence and advanced interfaces increase the chances of companies succeeding by facilitating the continuous learning of machines and people and developing the methods of interaction between them.
Progress in human-machine interaction is currently linked to the increasingly important need to achieve high levels of competitiveness.
One of the key evaluation parameters of this recently introduced research activity is Overall Equipment Efficiency (OEE).
The purpose of OEE assessment is to identify all activities within a given production process which absorb resources but do not create added value.
The measurement of this parameter thus gives the possibility of implementing continuous improvements, consisting of the identification and subsequent reduction of these activities.
These evaluation processes are thus also fundamental for achieving ever higher levels of progress in human-machine interaction, in accordance with the principles of the Fourth Industrial Revolution.
Industry 4.0 and Man-Machine Interaction
An essential factor in the survival of a modern manufacturing company is its ability to cope with the digitisation of production processes imposed by the advent of Industry 4.0.
The Fourth Industrial Revolution was triggered by the advent of the Internet of Things (IoT) and has led to the extension of the integration of the Internet of Everything (IoE) across the entire industrial value chain.
A further key technology underpinning Industry 4.0 is Cyber-Physical Systems (CPS), whose implementation enables the fusion of the physical and virtual worlds.
A manufacturing company effectively integrating IoT solutions and CPS systems is poised to become a Smart Factory, in which the implemented technologies assist both operators and machines as they perform the critical activities making up a given production process.
The creation of such digital ecosystems allows, in fact, to achieve dynamic characteristics as well as presenting different potentials in terms of optimisation of existing production methods and processes.
The main consequences of these innovations will be the extension of human-machine interaction, in particular how operators and machines can interact efficiently and how a system of machines constituting a production line can be managed by operators without potential errors.
Human – Machine Interaction (HMI) has the great potential to extend and improve OEE.
The implementation of such an interactive system is not, however, a guarantee of success.
The set of evaluations carried out by the preliminary studies leads to a unanimously shared conclusion: the ways to achieve an optimal and effective implementation of an HMI solution are mainly related to the technological progress of the machines, also in terms of choice of components for the realisation of the related kinematic chains.
Operational choices for HMI in Smart Factories
Recently, manufacturing industries have been focusing on the management of increasingly integrated systems by implementing more and more advanced and extensive automation solutions.
In the Industry 4.0 era, the use of Smart Factories as described above involves the use of plant components made up of objects equipped with integrated processing and communication systems.
This transformation is made possible through the implementation of systems based on the Cloud Computing, IoT and CPS technologies mentioned above.
Based on these solutions, machinery and production plants will become increasingly interconnected and autonomous, performing all critical production functions automatically and adaptively, enabling the management of increasingly complex production scenarios and types.
The resulting smart manufacturing will have the main capability to transform the physical world into a digital twin (or cyber twin), which can perform both monitoring and decision-making functions easily and efficiently.
However, what will have a decisive influence on the characteristics of a chosen HMI system will be the increasing complexity of production processes, which will be characterised by being increasingly smart, also resorting to the implementation of systems based on Artificial Intelligence, in order to be able to guarantee the required self-learning characteristics.
To cope with these requirements, operators will need to be backed up by dedicated support systems, whose main purpose is to aggregate and visualise information in an understandable way, in order to facilitate decision-making and increase productivity.
Examples of support systems in Industry 4.0 include all those included in the categories of wearable, wireless and virtual devices (such as tablets, smartphones and smart glasses).
In this context, the use of advanced production models based on Cloud Manufacturing concepts ensures that production resources are shared in a comprehensible manner, while also making them available through the implementation of service-oriented technologies and virtualisation systems, based on IoT and Cloud Computing.
These technologies make it possible to implement an optimal HMI system to achieve the required level of efficiency in interfacing and language conversion between participants, that is, between operators and machines.
Both definitions of HMI tend to emphasise the importance of the conceptualisation of the technologies implemented in the user interface, which are used for the realisation of both hardware and software systems.
It is thus possible to appreciate the importance of the parallelism existing between Cloud Computing and Cloud Manufacturing and the countless possible potentials given the recent advances.
A key component underpinning HMI in manufacturing industries is thus the conceptualisation of the human-machine interface.
From this point of view, the design of an HMI is closely linked to the aforementioned need to prevent potential errors by increasing ease of use for operators.
In these contexts, the use of smart objects allows the creation of support systems capable of providing perception, interaction and mutual interconnection functions, with the advantage of being able to provide additional functions to production in adaptive and automatic modes.
By integrating the man-machine interface with solutions for the analysis of data and models, it is possible to create dedicated digital support solutions for the decision-making activities of operators.
The interfaces thus created will be capable of providing new and increasingly extensive levels of interaction and implementation of the relevant support systems.
The interdisciplinary skills required to create embedded systems in which the level of coordination between physical objects and computational services must be as high as possible, will increasingly lead to the creation of CPS systems in which the HMI will be a fundamental design parameter.
The same man-machine interaction will therefore be at the basis of the choices related to the realisation of kinematic chains, able to optimally face the needs related to the reaction times of electronic safety systems; this thanks to the use of kinematic couplings with limited inertia.
Only through effective coordination between physical objects and virtual models, and between communication and control systems, is it possible to achieve an optimal level of containment of potential errors in human-machine interaction, especially in the critical activities of a production process compliant with the requirements of the Fourth Industrial Revolution.
The role of the component supplier
To give substance to the concept of man-machine interaction in the context of its business model and day-to-day activities, R+W Italia presents the new AIC (acronym for Artificial Intelligence Coupling) family of intelligent couplings.
This model is decidedly oriented towards Industry 4.0, as it is equipped with integrated sensors that allow it to analyse the torque, speed and vibrations to which it is subjected, as well as a series of data that can be transferred to portable devices – via a dedicated app – or personal computers. The ultimate aim is real-time processing of the information collected and its storage, with a view to monitoring the performance of a system and enabling remote predictive maintenance services.
Not just a coupling, then, but a genuine complete system, made up of mechanics and IT, at the heart of which lie those data analysis functions which are a prerequisite for the effectiveness of the relationship between man and machine. It is the result of a development process that lasted around two years and which R+W took on by accepting the challenge of change.
The AIC coupling is a link between the skills of the component manufacturer and those typical of Industry 4.0: a component designed to communicate with people and high technology. Given its peculiarities, AIC can find a place in a wide variety of manufacturing environments, although it is preferably applicable to medium-high torque transmissions and therefore to machines working in continuous cycle, for predictive maintenance and to plan the replacement of parts. It is most suitable for sectors such as paper mills and metals, from pure steelmaking to extrusion. A detailed overview and product information materials are available on the R+W website.
Stefano Vinto
