A evolução e o futuro da robótica na manufatura

Os empregos industriais envolvem frequentemente a realização repetida das mesmas tarefas físicas, como levantar e montar peças pesadas. Este tipo de tarefa manual pode ser arriscado. Em 2023, foram comunicados apenas nos Estados Unidos 5 283 acidentes de trabalho mortais.

No entanto, com a utilização crescente de robôs industriais inteligentes e de tecnologias como a inteligência artificial (AI) e a visão computacional, muitas destas tarefas de alto risco estão agora a ser realizadas por máquinas. Atualmente, os robôs na indústria transformadora conseguem levantar materiais pesados, inspecionar equipamentos em busca de problemas e trabalhar lado a lado com pessoas para melhorar a segurança e a eficiência no chão de fábrica.

Neste artigo, vamos analisar como os robôs industriais estão a mudar o funcionamento das fábricas e a ajudar a criar locais de trabalho mais seguros e produtivos. Vamos começar!

O que são robôs industriais?#

Os robôs industriais são máquinas inteligentes concebidas especificamente para ajudar em tarefas de fabrico. Em particular, os robôs na indústria transformadora são normalmente construídos para levantar componentes pesados de produtos, como peças de automóveis ou aviões, ou para realizar tarefas minuciosas e detalhadas com grande rapidez, como montar circuitos eletrónicos ou embalar produtos.

Ao contrário dos robôs humanoides que vemos frequentemente em filmes de ficção científica como O Exterminador Implacável ou Eu, Robô, os robôs industriais são geralmente estacionários e construídos com um único braço robótico. Normalmente, este braço robótico pode mover-se em várias direções e ser programado para diferentes trabalhos na indústria transformadora, como soldar, montar ou transportar materiais.

Os robôs industriais são especialmente bons a realizar trabalho repetitivo de forma rápida e precisa, sem precisarem de pausas, o que os torna ideais para utilização em fábricas e armazéns. Como resultado, mais de 4 milhões de robôs são utilizados em fábricas em todo o mundo.

Tipos de robôs industriais#

Os robôs nas fábricas estão a tornar-se mais comuns e a assumir uma vasta gama de tarefas. Eis alguns tipos diferentes de robôs industriais e a forma como são utilizados para tornar o trabalho fabril mais eficiente e seguro:

• Robôs cartesianos: Também conhecidos como robôs de pórtico, estes robôs movem-se em linhas retas utilizando três articulações deslizantes ao longo dos eixos X, Y e Z. O seu design simples permite obter elevada precisão, tornando-os ideais para tarefas de fabrico e automação.

• Robôs articulados: Estes robôs com braço articulado imitam o movimento de um braço humano utilizando várias articulações rotativas. Oferecem flexibilidade e uma ampla amplitude de movimentos, sendo normalmente utilizados na montagem, pintura e embalagem.

• Robôs delta: Com três braços leves ligados a uma base triangular, os robôs delta foram concebidos para oferecer velocidade e agilidade. São adequados para operações de recolha e colocação a alta velocidade, especialmente na indústria da embalagem.

• Robôs polares: Entre os primeiros tipos de robôs industriais, os robôs polares utilizam uma combinação de articulações rotativas e lineares para proporcionar uma amplitude de movimento esférica. São úteis para tarefas que exigem um alcance amplo e multidirecional.

• Robôs SCARA: Abreviatura de braço robótico de montagem de conformidade seletiva, os robôs SCARA utilizam duas articulações rotativas e uma articulação linear. São ideais para tarefas que exigem movimentos horizontais e verticais rápidos e precisos, como a montagem de componentes eletrónicos e o processamento de alimentos.

História da robótica na indústria transformadora#

Antes de analisarmos exemplos específicos de como os robôs industriais estão a fazer a diferença, vejamos a evolução dos robôs na indústria transformadora e compreendamos melhor como a robótica industrial mudou ao longo dos anos:

• Fabrico inicial (era pré-robótica): Antes da robótica, o fabrico dependia inteiramente do trabalho manual e de ferramentas básicas. A Revolução Industrial introduziu a energia a vapor, máquinas e linhas de montagem, o que aumentou a produtividade, mas deixou muitas tarefas repetitivas, perigosas ou intensivas em mão de obra.

• Introdução dos robôs industriais (décadas de 1950 a 1980): Em 1954, George Devol inventou o Unimate, o primeiro robô programável. Em 1961, a General Motors já o tinha implementado para fundição sob pressão e soldadura, tornando-se o primeiro robô industrial em utilização. Isto marcou uma grande mudança, automatizando tarefas perigosas e repetitivas, especialmente no fabrico de automóveis.

• Expansão e aperfeiçoamento (décadas de 1990 a 2000): Os robôs tornaram-se mais rápidos, precisos e acessíveis. A sua utilização expandiu-se para setores como a eletrónica, a indústria farmacêutica e o processamento de alimentos. A automação flexível permitiu que os robôs realizassem várias tarefas com uma reprogramação mínima.

• Ascensão dos robôs colaborativos (década de 2010 até ao presente): Os robôs colaborativos, ou cobots, surgiram para trabalhar em segurança ao lado das pessoas. Com sensores integrados, AI e sistemas de câmaras, conseguem adaptar-se ao ambiente e ajudar em tarefas complexas ou delicadas.

Fig. 1. Robô Unimate de George Devol. (Fonte)

Olhando para o futuro, é provável que os robôs industriais se tornem ainda mais inteligentes e adaptáveis. Investigadores e engenheiros estão a trabalhar ativamente em tecnologias que permitem aos robôs aprender, adaptar-se a novas situações e colaborar mais estreitamente com as pessoas de formas úteis e dinâmicas.

Exemplos de robótica industrial#

De seguida, vamos explorar exemplos reais de robôs na indústria transformadora e a forma como estão a ser utilizados no chão de fábrica.

Robôs industriais no fabrico de aeronaves#

O fabrico de aeronaves envolve processos complexos e delicados, especialmente no caso de aeronaves de grandes dimensões, como o Boeing 777. Por exemplo, a montagem de um único 777 requer mais de 60 000 rebites. Tradicionalmente, esta tarefa envolvia dois trabalhadores: um para operar a rebitadora e outro para segurar uma barra de aço atrás do painel, fixando o elemento de união.

Este tipo de tarefa pode ser fisicamente exigente e provocar lesões nos braços, nas costas e nos ombros. Além disso, a precisão é fundamental no fabrico de aeronaves, havendo pouca margem para erros.

Para melhorar estes fluxos de trabalho, a Boeing adotou robôs industriais. Na sua fábrica do 777 em Everett, Washington, a empresa introduziu o sistema Montagem Automatizada Vertical da Fuselagem (FAUB), um processo de montagem robótica concebido para automatizar a perfuração e a rebitagem de secções da fuselagem.

Fig. 2. Robôs FAUB a trabalhar na fuselagem de um avião Boeing. (Fonte)

Depois de programados, estes robôs conseguem perfurar dezenas de milhares de orifícios perfeitos para rebites. Ao contrário da configuração antiga, com estruturas fixas, os robôs FAUB são móveis e podem deslocar-se ao longo das linhas de montagem em veículos guiados. Depois de os trabalhadores posicionarem os painéis da fuselagem, os robôs assumem a perfuração e a rebitagem, aumentando tanto a velocidade como a precisão. Esta abordagem está alinhada com os desenvolvimentos recentes na indústria da robótica, que continua a procurar soluções de fabrico mais inteligentes, seguras e eficientes.

Produção alimentar possibilitada por robôs industriais#

Os robôs na indústria transformadora também estão a ser amplamente adotados na indústria alimentar. Na fábrica da Nestlé na Alemanha, por exemplo, a produção de alimentos para bebés é gerida através de uma linha de embalagem totalmente automatizada. Os robôs realizam tarefas como transportar tabuleiros de alimentos cheios e selados para caixas de esterilização e, posteriormente, para embalagens destinadas à expedição. Isto torna toda a operação mais rápida, segura e fiável.

A Nestlé também utiliza robôs móveis, como o Spot da Boston Dynamics, para monitorizar problemas de manutenção nas suas instalações. Ao contrário dos sensores fixos tradicionais, que só conseguem detetar problemas em áreas específicas, o Spot pode deslocar-se livremente pela fábrica. Este conceito de automação móvel e flexível é uma tendência crescente na indústria da robótica.

O Spot consegue subir escadas, deslocar-se em espaços apertados e lidar com pisos irregulares. Está equipado com sensores especiais que o ajudam a verificar se as máquinas da fábrica, como motores e compressores, apresentam calor, ruído ou outros sinais de alerta. O Spot também consegue detetar facilmente problemas numa fase inicial, ajudando a resolvê-los antes de se tornarem graves.

Fig. 3. Spot, um robô industrial, a inspecionar uma instalação de produção alimentar. (Fonte)

Fabrico de automóveis com a ajuda de robôs industriais#

Os robôs industriais sempre foram uma parte fundamental do fabrico de automóveis. De facto, 33% de todas as instalações de robôs industriais nos EUA encontram-se na indústria automóvel.

Um exemplo interessante disso ocorreu na fábrica da BMW em Spartanburg, em 2013. Nessa instalação, pessoas e robôs trabalharam lado a lado na linha de montagem de portas, sem barreiras de segurança, tornando-a a primeira instalação da BMW a utilizar este tipo de colaboração direta entre humanos e robôs na produção regular.

Foram utilizados quatro robôs para instalar o isolamento acústico e contra a humidade no interior das portas dos modelos BMW X3. Primeiro, os trabalhadores colocavam e pressionavam ligeiramente a película adesiva no lugar; depois, os robôs assumiam o controlo, utilizando cabeças de rolos para concluir a tarefa com elevada precisão.

O sistema era totalmente automatizado e conseguia medir a pressão exata aplicada durante o processo, permitindo uma monitorização constante da qualidade. Se o trabalho do robô fosse interrompido, um trabalhador humano podia intervir facilmente e concluir a tarefa manualmente, mantendo a produção em funcionamento sem atrasos.

Fig. 4. Robôs a trabalhar lado a lado com trabalhadores numa fábrica de automóveis. (Fonte)

Benefícios da robótica na indústria transformadora#

De seguida, vamos analisar mais detalhadamente alguns dos principais benefícios da utilização de robôs na indústria transformadora.

• Precisão e exatidão: Os robôs industriais oferecem elevados níveis de precisão e velocidade. Alguns conseguem realizar tarefas com uma precisão de até um mícron.

• Fiabilidade: Com uma vida útil de até 100 000 horas sem falhas, os robôs industriais podem funcionar durante longos períodos sem interrupções.

• Maior segurança no local de trabalho: Os robôs também realizam tarefas perigosas, como trabalhar em espaços confinados ou junto de materiais perigosos, ajudando a reduzir em 35% os dias de trabalho perdidos devido a lesões.

• Aumento da produtividade: Ao contrário das pessoas, os robôs não precisam de pausas, dias de folga ou descanso. Podem trabalhar continuamente, o que pode aumentar significativamente a produtividade.

• Rentabilidade: Embora a compra e a instalação destes robôs possam ser dispendiosas inicialmente, proporcionam poupanças significativas ao longo do tempo. Reduzem os custos laborais, diminuem os potenciais erros e cortam as despesas relacionadas com lesões.

• Escalabilidade: Depois de instalados os robôs, os fabricantes podem aumentar a produção mais facilmente, sem precisarem de contratar trabalhadores adicionais ou fazer alterações significativas. Isto significa que podem responder rapidamente ao aumento da procura e manter a flexibilidade num mercado em mudança.

Desafios e limitações da robótica na indústria transformadora#

Embora os robôs industriais ofereçam muitas vantagens, também apresentam alguns desafios, especialmente no que diz respeito à experiência e à manutenção. Estes robôs utilizados nas fábricas requerem profissionais qualificados para os programar, operar e manter.

Apesar de muitos robôs utilizados atualmente na indústria integrarem inteligência artificial e aprendizagem automática, continuam a necessitar de manutenção regular para evitar avarias. Se uma equipa de fabricantes ainda não tiver este conhecimento, formar os funcionários pode ser dispendioso e demorado.

Curiosamente, a solução para estes desafios também surge sob a forma de AI de visão, mais especificamente, visão computacional, um ramo da AI que se centra na compreensão de dados visuais. Por exemplo, modelos de visão computacional como o Ultralytics YOLO11 podem ser treinados para detetar e acompanhar robôs industriais. Os conhecimentos obtidos através do acompanhamento destes robôs com YOLO11 podem ser utilizados para identificar problemas numa fase inicial, num processo conhecido como manutenção preditiva. Isto reduz a necessidade de supervisão especializada e diminui as avarias inesperadas.

Além disso, a visão computacional também pode apoiar a criação de gémeos digitais em tempo real. Os gémeos digitais são modelos virtuais de máquinas e robôs físicos, criados com dados visuais recolhidos no ambiente de fabrico.

Os gémeos digitais permitem aos fabricantes monitorizar equipamentos em tempo real, identificar problemas antes de estes causarem interrupções e testar melhorias nos processos sem interromper a produção real. Esta tecnologia promove um desempenho mais consistente, melhora a tomada de decisões e reduz os períodos de inatividade dispendiosos.

Tecnologias de inteligência artificial e aprendizagem automática#

Ao discutir os desafios da utilização de robôs industriais, vimos que muitos são agora alimentados por AI e aprendizagem automática. Mas como funciona isto na prática e qual é o papel da AI na robótica?

Os robôs industriais tradicionais estão limitados a tarefas fixas e repetitivas. Seguem instruções pré-programadas e não conseguem adaptar-se facilmente às mudanças na linha de produção. Isto torna-os menos eficientes em ambientes onde a flexibilidade, a velocidade e a precisão são essenciais.

Sem AI, os robôs não conseguem detetar defeitos nos produtos em tempo real nem adaptar-se a pequenas variações nos materiais ou no posicionamento, o que frequentemente resulta em processos mais lentos, mais erros e períodos de inatividade maiores. A AI no fabrico está a permitir que os robôs ultrapassem as tarefas simples e pré-programadas.

Especificamente, com a aprendizagem automática no fabrico, os robôs podem analisar dados do ambiente, reconhecer padrões e melhorar o seu desempenho ao longo do tempo. Por exemplo, um robô equipado com visão pode identificar diferentes objetos numa linha de montagem, ajustar os seus movimentos com base no que vê e até detetar defeitos ou anomalias em tempo real. Nos bastidores, a visão computacional é a força motriz desta inovação.

Normalmente, um robô equipado com visão dispõe da infraestrutura de hardware necessária para executar modelos de visão computacional como o Ultralytics YOLO11. Quando integrado com câmaras e visão computacional, um robô adquire as capacidades do modelo subjacente. No caso do YOLO11, isto significa que um robô pode executar tarefas de visão computacional, como deteção de objetos, acompanhamento e segmentação.

O impacto da Internet das Coisas (IoT)#

Outros dois conceitos relacionados com os robôs industriais são a IoT no fabrico e a computação periférica. A IoT refere-se a uma rede de dispositivos ligados que recolhem e partilham dados, principalmente através da Internet. Por outro lado, a computação periférica processa os dados diretamente na fonte, como um robô ou sensor, sem precisar de os enviar primeiro para um servidor central.

Quando os dispositivos IoT industriais (IIoT) recolhem grandes quantidades de dados, enviá-los para um sistema central na cloud para análise pode causar atrasos, conhecidos como latência, e tornar os processos mais lentos. No entanto, ao utilizar computação periférica juntamente com a IoT, os fabricantes podem processar os dados instantaneamente, permitindo obter respostas em tempo real e potenciar a automação.

Um exemplo claro da colaboração entre AI e IoT no fabrico é a manutenção preditiva. Nas fábricas inteligentes, um dos principais objetivos da Indústria 4.0 é antecipar as falhas dos equipamentos antes de estas ocorrerem.

Para o conseguir, os dispositivos IIoT têm de permanecer totalmente funcionais e fiáveis. Ao combinar computação periférica, AI e visão computacional, estes dispositivos podem monitorizar continuamente o seu próprio estado, detetar quando é necessária manutenção ou recarga e desencadear automaticamente as ações necessárias. Isto mantém as máquinas a funcionar sem problemas, reduz os períodos de inatividade não planeados e melhora a eficiência geral.

Como a automação e a robótica melhoram a eficiência do fabrico#

Agora que compreendemos melhor tecnologias como AI, visão computacional, IoT e computação periférica, vamos explorar como podem trabalhar em conjunto para tornar a automação do fabrico mais eficiente.

O principal objetivo da automação é simplificar os processos e torná-los mais rápidos, fiáveis e menos sujeitos a erros humanos. Considera, por exemplo, uma fábrica que monta eletrónica de consumo, como smartphones. Braços robóticos equipados com visão podem realizar com precisão a tarefa delicada de colocar componentes minúsculos em placas de circuito.

Ao mesmo tempo, os sistemas de visão alimentados por AI podem inspecionar cada etapa da montagem, identificando em tempo real defeitos como peças desalinhadas ou juntas de soldadura defeituosas. Entretanto, os sensores IoT podem monitorizar fatores ambientais como a temperatura, o pó e a vibração, que podem afetar a qualidade dos componentes sensíveis.

Com a computação periférica, o sistema pode processar instantaneamente estes dados e fazer ajustes imediatos, como pausar a linha ou recalibrar um robô, sem esperar por respostas baseadas na cloud. Em conjunto, o fabrico automatizado pode criar uma linha de produção mais rápida, precisa e altamente adaptável, resultando numa maior qualidade dos produtos e em custos operacionais mais baixos.

Como está a robótica a transformar o futuro do fabrico?#

O futuro dos robôs industriais está a evoluir rapidamente, com tecnologias como a AI de visão no fabrico e a IoT a desempenharem um papel importante. Com estas ferramentas, os robôs conseguem ver aquilo em que estão a trabalhar, identificar defeitos, verificar a qualidade dos produtos e prever problemas à medida que ocorrem. Muitos fabricantes já utilizam estes sistemas para tornar as suas operações mais eficientes e consistentes.

O mercado da robótica industrial tem crescido de forma constante, impulsionado por melhorias contínuas na robótica, pelo acesso mais fácil a engenheiros qualificados e pela utilização de simulação e testes virtuais. Estes desenvolvimentos tornam mais rápida a conceção e o aperfeiçoamento de robôs para utilização no mundo real. À medida que mais fábricas adotam ferramentas digitais e automação, tornam-se mais flexíveis, fiáveis e preparadas para enfrentar os desafios do futuro.

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