Robot e RFID, un mix tecnologico vincente

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Fig1L’abbinamento tra robot e identificazione in radiofrequenza è da tempo oggetto di ricerche e sperimentazioni, e recenti novità applicative lasciano prevedere interessanti sviluppi di integrazione tra questi due mondi estremamante diversi.

La tecnologia di identificazione automatica in radiofrequenza, per quanto in continua evoluzione, ha raggiunto un grado di maturità tale da renderla applicabile in contesti commerciali, industriali e civili per le più svariate applicazioni. In sintesi, applicando un tag RFID a un prodotto o a un oggetto, quando questo entra nell’area coperta da un lettore RFID manuale o fisso, i dati memorizzati nel tag vengono letti  e successivamente trasferiti al sistema di elaborazione, o anche usati per attivare determinate operazioni conseguenti il riconoscimento dell’oggetto taggato. I lettori di tag RFID manuali, o handheld, sono generalmente meno costosi di quelli fissi, garantiscono una maggiore flessibilità applicativa ma, inevitabilmente,   richiedo un lavoro “manuale”, nel senso che un addetto deve muoversi, per esempio in un magazzino, per eseguire la lettura dei dati associati ai tag apposti sui prodotti a scopo inventario o altro. Questa interpretazione dell’uso degli handheld RFID reader è molto semplicistica, in quanto le condizioni applicative sono innumerevoli, senza contare le caratteristiche tecnologiche di tag e lettori e le distanze di lettura possibili. Altro fattore da considerare è la dimensione del sito da monitorare, sia esso un magazzino o un piccolo negozio: se su spazi ampi un’adeguata organizzazione di lettori fissi è senz’altro auspicabile, in un retail store il lettore manuale è probabilmente la scelta migliore. Ma inizia a farsi avanti un’alternativa che ha tutte le caratteristiche per svilupparsi, quella dell’abbinamento tra RFID e robot, quest’ultimo da vedersi come “veicolo” di un reader RFID, che si muove lungo corsie e scaffali acquisendo dati di inventario che sono poi trasmessi via wireless laddove ne avviene l’elaborazione. Un esempio è AdvanRobot della spagnola Keonn Technologies, di fatto un sistema RFID autonomo e mobile in tutte le direzioni, che realizza automaticamente l’inventario di item con tag RFID in un determinato spazio, magazzino o store, con precisa localizzazione tridimensionale degli item taggati e movimento sincronizzato con le operazioni di acquisizione dati in modo da massimizzare il read rate. In dettaglio AdvanRobot prevede 12 antenne (6 per lato, destro e sinistro), sistema di navigazione, sensori anticollisione, App per il controllo del robot con smartphone o tablet, joystick per controllo remoto, Air Protocol standard EPCglobal UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C, massima distanza di lettura tag RFID pari a 6 metri, read throughput massimo di 400 tag al secondo, comunicazione WiFi IEEE 802.11b/g con sicurezza WEP, peso 64Kg circa e altezza 2 metri. La programmazione avviene tramite joystic, con l’utente che movimenta AdvanRobot generando la mappa di riferimento; attivando il reader mode, il robot inizia a spostarsi autonomamente nello spazio, con localizzazione dei tag, lettura dei dati e invio per elaborazione. Da questa descrizione ne risulta un sistema di acquisizione dati RFID-based semovente più che un robot nel vero senso della parola, ma non si dimentichi che lo scopo di una “macchina robot” è anche quello di farsi carico di operazioni difficili, pericolose e noiose (ed è questo il caso) per l’essere umano. Giusto per sottolineare l’importanza di questa applicazione, si ricorda che Tesco, il famoso gruppo di distribuzione inglese attivo a livello internazionale,  ha iniziato a usare robot equipaggiati con antenne RFID per operazioni di inventario nei propri negozi. Ma parlando di RFID e robot c’è dell’altro.

Localizzazione di oggetti

La visione artificiale è lo strumento con cui i robot possono identificare un oggetto e attivare operazioni previste, per esempio afferrarlo, ma tale identificazione comporta spesso una quantità non indifferente di elaborazioni, con impiego di sofisticati algoritmi come quelli alla base della visione 3D. Inoltre va fatta un’attenza distizione tra identificare un oggetto e localizzarlo. Ma esiste un altro modo per localizzare gli oggetti, quello tramite tag RFID. L’idea di usare tag RFID, in particolare quelli operanti a frequenza UHF che permettono maggiori distanze di rilevamento, non è certo nuova, solo che finora sono state adottate metodologie sostanzialmente complesse basate per esempio su data driven sensor models e mappature ambientali atte a definire l’orientamento e la posizione relativa dell’oggetto munito di tag rispetto al robot, sperimentalmente ineccepibili ma di difficile implementazione nella vita reale. Un esempio di efficace semplificazione del rapporto tra tag RFID e robot arriva dai ricercatori dell’università della Georgia, con il loro metodo di valutazione della forza del segnale RF, definibile come “”hotter or colder style search”. Va subito detto che per ora la soluzione del Georgia Tech Lab permette solo di localizzare un oggetto, diciamo trovarlo all’interno di un ambiente complesso, come è di fatto quello di una normale abitazione, e per quanto riguarda poi la presa e la manipolazione dovrà intervenire ulteriore sensoristica, per esempio la visione artificiale. L’aspetto più importante è che la tecnologia RFID, a differenza della visione artificiale o delle tecniche basate su laser, permette di individuare oggetti che sono nascosti, in un armadio o una scatola, in mezzo a tanti altri, garantendo che si tratta proprio dell’oggetto giusto. Entrando in dettaglio, il robot in questione è un modello sperimentale mobile denominato PR2, di fatto un sistema appartenente alla categoria dei Service Robot, munito di due antenne long range UHF, e gli oggetti sono taggati con smartlabel RFID UHF. Richiesto di trovare un certo oggetto, la cui denominazione è associata a un preciso tag, come operazione preliminare il robot esplora l’area assegnata rilevando da dove provengono segnali da tag RFID, disponibili a una distanza fino a tre metri. Il problema base da risolvere a questo punto è che il tag da solo non mette a disposizione un’informazione di localizzazione, e questa è stata una precisa scelta dei ricercatori per semplificare al massimo l’approccio al progetto. Per cui il robot  attiva le sue antenne, unitamente a uno specifico algoritmo di ricerca, orientandole in direzioni diverse per cercare la fonte da cui proviene il segnale più forte, ovviamente riferito a quello specifico tag che sta cercando. Una volta trovata questa fonte, in sostanza la indica, consentendo il recupero dell’oggetto, e in futuro provvedendo lui stesso a prenderlo. Questa operazione è associata a una mappatura dell’ambiente che viene memorizzata per ottimizzare successive ricerche. Come possibili linee di sviluppo è particolarmente seguita quella medicale: questi robot RFID-enabled potrebbero infatti essere di grande utilità alle persone che necessitano di un supporto, per esempio cercando, prendendo e consegnando il farmaco giusto alla persona giusta e al momento giusto: la tecnologia RFID fornisce infatti una precisa identificazione tal per cui il rischio di consegnare il farmaco sbagliato è annullato se non drasticamente ridotto. Ma anche il mondo dell’industria potrebbe trarre beneficio dall’abbinamento tra Robot e RFID, anche solo riandando al precedente esempio di AdvanRobot e pensando a un sistema robot che non solo identifica item a scopo inventario, ma anche li prende portandoli laddove necessari a un processo produttivo, nella logica di quel coworking su cui molto si sta oggi dibattendo.

Navigazione assistita

Un altro ambito in cui si sta esplicando il mix tecnologico tra robot e RFID è quello delle “navigation task”, partendo dalla semplice considerazione che se un tag RFID viene usato come punto di riferimento e il robot è equipaggiato con un lettore di tag diventa possibile implementare un supporto economico ed efficace per robot mobili in compiti di localizzazione e navigazione. Un’applicazione di cui si era parlato in un nostro precedente articolo sull’argomento, e finalizzata a permettere a un robot di superare i problemi di localizzazione e mappatura di un ambiente, prevedeva un robot mobile   equipaggiato con antenne RF,  lettore di tag e laser range finder, dispositivo che utilizza una raggio laser per determinare la distanza di un oggetto sul principio del tempo di volo, cioè del tempo tra emissione e riflessione del raggio da parte dell’oggetto target. Ma in genere, come confermato dalla letteratura specializzata, le performance delle diverse soluzioni sin qui sperimentate sono poco soddisfacenti. Il motivo è spesso da ricercarsi nel fatto che sono impiegati sistemi RFID commerciali e general purpose, senz’altro adeguati in una vasta gamma di contesti applicativi, ma non quando l’obiettivo è far interagire un robot con l’ambiente. Detto diversamente nel contesto della robotica alcune delle caratteristiche dei sistemi RFID commerciali sono sostanzialmente inessenziali se non sfavorevoli, mentre ne servirebbero altre. Basandosi su queste considerazioni, i ricercatori della divisione RFID dell’ElectroMagnetic Lab Lecce (EML2) dell’Università del Salento per migliorare le performance di un sistema RFID-assisted di navigazione indoor di robot mobili hanno progettato e testato dei dispositivi RFID completamente nuovi in modo che fossero platform tolerant, medium-range, e con performance non influenzate dalla superficie su cui i tag RFID sono apposti, anche su metallo. In particolare per il reader RFID è stata sviluppata un’antenna  linearmente polarizzata, compatta e leggera, basata su una struttura planare miniaturizzata Yagi-Uda con dipolo ad andamento quasi sinuoso (meandered), come nei fiumi con molte curve e anse, e un riflettore parabolico concavo. La denominazione Yagi-Uda deriva dai nomi di chi inventò questa particolare struttura di antenna nel 1926 (i giapponesi Shintaro Uda e Hidetsugu Yagi), caratterizzata da elevato guadagno nelle bande HF, VHF e UHF, e poi ampiamente usata come antenna TV, quella comunemente usata prima dell’avvento delle parabole. Questo nuovo hardware è stato testato dai ricercatori dell’EML2 in diverse situazioni pratiche per stimare gli effetti di posizionamento reciproco tra tag e robot, con risultati molto positivi che dimostrerebbero concettualmente come una soluzione RFID opportunamente customizzata per una specifica applicazione può permettere di superare le barriere che finora hanno limitato lo sviluppo del mix tecnologico tra robotica e identificazione in radiofrequenza.

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