A evolução e o futuro da robótica na manufatura

Os empregos industriais envolvem frequentemente a realização repetitiva das mesmas tarefas físicas, como levantar e montar peças pesadas. Estes tipos de tarefas manuais podem ser arriscados. Em 2023, foram registadas 5.283 lesões laborais fatais apenas nos Estados Unidos.

No entanto, com a utilização crescente de robôs industriais inteligentes e tecnologias como a inteligência artificial (IA) e a visão computacional, muitas destas tarefas de alto risco estão agora a ser executadas por máquinas. Os robôs na manufatura conseguem agora levantar materiais pesados, inspecionar equipamento à procura de problemas e trabalhar ao lado das pessoas para melhorar a segurança e a eficiência no chão de fábrica.

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

Link to this sectionO que são robôs industriais?#

Os robôs industriais são máquinas inteligentes concebidas especificamente para ajudar em tarefas de manufatura. Em particular, os robôs na manufatura são geralmente construídos ou para levantar componentes pesados de produtos, como peças de automóveis ou aviões, ou para manusear tarefas pequenas e detalhadas muito rapidamente, como montar circuitos eletrónicos ou embalar produtos.

Ao contrário dos robôs humanoides que vemos frequentemente em filmes de ficção científica como The Terminator ou I, Robot, 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 manufatura, como soldar, montar ou mover materiais.

Os robôs industriais são especialmente bons a fazer trabalho repetitivo de forma rápida e precisa, sem necessidade 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.

Link to this sectionTipos de robôs industriais#

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

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

• Robôs articulados: Estes robôs de braço articulado imitam o movimento de um braço humano utilizando múltiplas juntas rotativas. Oferecem flexibilidade, uma vasta gama de movimentos e são vulgarmente utilizados na montagem, pintura e embalamento.

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

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

• Robôs SCARA: Abreviação de Selective Compliance Assembly Robot Arm, os robôs SCARA utilizam duas juntas rotativas e uma junta linear. São ideais para tarefas que requerem movimentos horizontais e verticais rápidos e precisos, como a montagem de eletrónica e o processamento alimentar.

Link to this sectionHistória da robótica na manufatura#

Antes de mergulharmos em exemplos específicos de como os robôs industriais estão a fazer a diferença, vamos dar uma vista de olhos à evolução dos robôs na manufatura e compreender melhor como a robótica industrial mudou ao longo dos anos:

• Manufatura inicial (era pré-robótica): Antes da robótica, a manufatura 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 continuou a deixar muitas tarefas repetitivas, perigosas ou intensivas em mão de obra.

• Introdução de robôs industriais (anos 1950 - 1980): Em 1954, George Devol inventou o Unimate, o primeiro robô programável. Em 1961, a General Motors utilizou-o para fundição sob pressão e soldadura, tornando-se o primeiro robô industrial em funcionamento. Isto marcou uma mudança importante, automatizando tarefas perigosas e repetitivas, especialmente na manufatura automóvel.

• Expansão e aperfeiçoamento (anos 1990 - 2000): Os robôs tornaram-se mais rápidos, mais precisos e mais acessíveis. A sua utilização expandiu-se para indústrias como a eletrónica, farmacêutica e processamento alimentar. A automação flexível tornou possível aos robôs lidar com múltiplas tarefas com uma reprogramação mínima.

• Ascensão dos robôs colaborativos (anos 2010 - presente): Os robôs colaborativos, ou cobots, surgiram para trabalhar em segurança ao lado dos humanos. Com sensores integrados, IA e sistemas de câmara, conseguem adaptar-se ao seu 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, ajustar-se a novas situações e colaborar mais estreitamente com as pessoas de formas dinâmicas e de apoio.

Link to this sectionExemplos de robótica industrial#

A seguir, exploraremos exemplos do mundo real de robôs na manufatura e como estão a ser utilizados no chão de fábrica.

Link to this sectionRobôs industriais na manufatura aeronáutica#

A manufatura aeronáutica envolve processos complexos e delicados, especialmente para grandes aeronaves 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 pistola de rebites e outro para segurar uma barra de aço atrás do painel para fixar o elemento de fixação.

Estes tipos de tarefas podem ser fisicamente exigentes e levar a lesões nos braços, costas e ombros. Além disso, a precisão é crítica na manufatura aeronáutica e há pouco espaço para erros.

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

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

Uma vez programados, estes robôs podem fazer dezenas de milhares de furos perfeitos para rebites. Ao contrário da configuração antiga com plataformas fixas, os robôs FAUB são móveis e podem mover-se ao longo das linhas de montagem em veículos guiados. Após os trabalhadores posicionarem os painéis da fuselagem, os robôs assumem a perfuração e rebitagem, aumentando tanto a velocidade como a precisão. Esta abordagem está alinhada com desenvolvimentos recentes na indústria da robótica, que continua a apostar em soluções mais inteligentes, seguras e eficientes na manufatura.

Link to this sectionManufatura alimentar possibilitada por robôs industriais#

Os robôs na manufatura também estão a ser amplamente adotados na indústria alimentar. Na fábrica da Nestlé na Alemanha, por exemplo, a produção de comida para bebé é gerida através de uma linha de embalamento totalmente automatizada. Os robôs lidam com tarefas como mover tabuleiros de comida cheios e selados para caixotes de esterilização e, posteriormente, para a embalagem de 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 consegue mover-se livremente pela fábrica. Este conceito de automação móvel e flexível é uma tendência crescente na indústria da robótica.

O Spot consegue subir escadas, navegar em espaços apertados e lidar com pisos irregulares. Está equipado com sensores especiais que o ajudam a verificar máquinas de fábrica, como motores e compressores, quanto a calor, ruído ou outros sinais de aviso. O Spot também consegue detetar facilmente problemas precocemente, ajudando a resolvê-los antes que se tornem graves.

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

Link to this sectionManufatura de automóveis com a ajuda de robôs industriais#

Os robôs industriais sempre foram uma parte fundamental da manufatura automóvel. De facto, 33% de todas as instalações de robôs industriais nos EUA estão na indústria automóvel.

Um exemplo interessante disto é a fábrica da BMW em Spartanburg em 2013. Nesta instalação, pessoas e robôs trabalhavam lado a lado na linha de montagem de portas sem vedações 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 isolamento acústico e de humidade no interior das portas dos modelos BMW X3. Os trabalhadores colocavam e pressionavam ligeiramente a folha adesiva na posição correta, e depois os robôs assumiam o comando, utilizando cabeças de rolo para concluir o trabalho 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 poderia facilmente intervir e terminar a tarefa manualmente, mantendo a produção a decorrer sem atrasos.

Fig 4. Robôs a trabalhar ao lado de trabalhadores numa fábrica de manufatura automóvel. (Fonte)

Link to this sectionBenefícios da robótica na manufatura#

A seguir, vamos analisar mais de perto alguns dos principais benefícios da utilização de robôs na manufatura.

• Precisão e exatidão: Os robôs industriais proporcionam elevados níveis de precisão e velocidade. Alguns são capazes de realizar tarefas com uma precisão de um mícron.

• Fiabilidade: Com vidas úteis que chegam às 100.000 horas sem falhas, os robôs industriais conseguem operar durante longos períodos de tempo sem interrupções.

• Segurança melhorada no local de trabalho: Os robôs também lidam com tarefas perigosas, como trabalhar em espaços confinados ou perto de materiais perigosos, ajudando a reduzir 35% dos dias de trabalho perdidos devido a lesões.

• Aumentar a produtividade: Ao contrário dos humanos, os robôs não precisam de pausas, dias de folga ou descanso. Conseguem trabalhar 24 horas por dia, o que pode aumentar significativamente a produtividade.

• Eficiência de custos: Embora a compra e instalação destes robôs possa ser dispendiosa inicialmente, conduzem a poupanças significativas ao longo do tempo. Reduzem os custos com mão de obra, diminuem erros potenciais e cortam nas despesas relacionadas com lesões.

• Escalabilidade: Uma vez instalados os robôs, os fabricantes podem aumentar a produção mais facilmente sem necessidade de contratar trabalhadores extra ou fazer grandes alterações. Isto significa que os fabricantes podem responder rapidamente à crescente procura e manter-se flexíveis num mercado em mudança.

Link to this sectionDesafios e limitações da robótica na manufatura#

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

Embora muitos robôs em casos de utilização industrial hoje em dia utilizem inteligência artificial e aprendizagem automática, ainda requerem manutenção regular para evitar avarias. Se uma equipa de fabricantes ainda não possuir este conhecimento, a formação do pessoal pode ser cara e demorada.

Curiosamente, a solução para estes desafios também surge na forma de IA de visão, mais especificamente, visão computacional, que é um ramo da IA que se foca na compreensão de dados visuais. Por exemplo, modelos de visão computacional como o Ultralytics YOLO11 podem ser treinados para detetar e seguir robôs industriais. Os insights do seguimento destes robôs com o YOLO11 podem ser utilizados para detetar problemas precocemente (conhecido como manutenção preditiva). Isto reduz a necessidade de supervisão especializada e diminui avarias inesperadas.

Para além disto, 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, construídos utilizando dados visuais recolhidos a partir do ambiente de manufatura.

Os gémeos digitais permitem aos fabricantes monitorizar o equipamento em tempo real, identificar problemas antes que causem perturbações e testar melhorias de processos sem interromper a produção real. Esta tecnologia impulsiona um desempenho mais consistente, melhora a tomada de decisões e reduz o dispendioso tempo de inatividade.

Link to this sectionTecnologias de inteligência artificial e aprendizagem automática#

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

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

Sem IA, os robôs não conseguem detetar defeitos de produtos em tempo real ou ajustar-se a pequenas variações nos materiais ou posicionamento, conduzindo frequentemente a processos mais lentos, mais erros e aumento do tempo de inatividade. A IA na manufatura está a permitir que os robôs vão além de tarefas simples e pré-programadas.

Especificamente, com a aprendizagem automática na manufatura, os robôs conseguem analisar dados do seu ambiente, reconhecer padrões e melhorar o seu desempenho ao longo do tempo. Por exemplo, um robô com visão consegue 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 por detrás desta inovação.

Normalmente, um robô com visão está equipado com a infraestrutura de hardware necessária para executar modelos de visão computacional como o Ultralytics YOLO11. Quando integrado com câmaras e visão computacional, um robô ganha as capacidades do modelo subjacente. No caso do YOLO11, isto significa que um robô consegue realizar tarefas de visão computacional como deteção, seguimento e segmentação de objetos.

Link to this sectionO impacto da Internet das Coisas (IoT)#

Outro par de conceitos relacionados com robôs industriais são a IoT na manufatura e a computação de ponta. A IoT refere-se a uma rede de dispositivos conectados que recolhem e partilham dados (principalmente através da internet). Por outro lado, a computação de ponta processa os dados diretamente na fonte, como um robô ou sensor, sem necessidade de os enviar primeiro para um servidor central.

Quando os dispositivos industriais de IoT (IIoT) recolhem grandes quantidades de dados, enviá-los para um sistema central na nuvem para análise pode causar atrasos (conhecidos como latência) e tornar as coisas lentas. Mas, ao utilizar computação de ponta em conjunto com a IoT, os fabricantes conseguem processar os dados instantaneamente, tornando possível obter respostas em tempo real e capacitar a automação.

Um exemplo claro de IA e IoT a trabalharem juntas na manufatura é a manutenção preditiva. Em fábricas inteligentes, um dos principais objetivos da Indústria 4.0 é antecipar falhas no equipamento antes que aconteçam.

Para conseguir isto, os dispositivos IIoT têm de permanecer totalmente funcionais e fiáveis. Ao combinar computação de ponta, IA e visão computacional, estes dispositivos conseguem monitorizar continuamente o seu próprio estado, detetar quando a manutenção ou recarga é necessária e desencadear automaticamente as ações necessárias. Isto mantém as máquinas a funcionar sem problemas, reduz o tempo de inatividade não planeado e melhora a eficiência global.

Link to this sectionComo a automação e a robótica melhoram a eficiência da manufatura#

Agora que temos uma melhor compreensão de tecnologias como IA, visão computacional, IoT e computação de ponta, vamos explorar como estas podem trabalhar juntas para tornar a automação da manufatura mais eficiente.

O principal objetivo da automação é simplificar processos e torná-los mais rápidos, mais fiáveis e menos propensos a erro humano. Veja, por exemplo, uma fábrica que monta eletrónica de consumo, como smartphones. Braços robóticos com visão conseguem lidar com a tarefa delicada de colocar componentes minúsculos em placas de circuitos com precisão.

Ao mesmo tempo, sistemas de visão alimentados por IA conseguem inspecionar cada passo da montagem, identificando defeitos como peças desalinhadas ou soldaduras com falhas em tempo real. Entretanto, sensores de IoT conseguem monitorizar fatores ambientais como temperatura, pó e vibração, que poderiam impactar a qualidade de componentes sensíveis.

Com a computação de ponta, o sistema consegue processar instantaneamente estes dados e fazer ajustes no local, como pausar a linha ou recalibrar um robô, sem esperar por respostas baseadas na nuvem. Juntas, a manufatura automatizada consegue criar uma linha de produção que é mais rápida, mais precisa e altamente adaptável, resultando numa maior qualidade do produto e custos operacionais mais baixos.

Link to this sectionComo está a robótica a transformar o futuro da manufatura?#

O futuro dos robôs industriais está a avançar rapidamente, com tecnologias como a IA de visão na manufatura e a IoT a desempenharem um papel importante. Com estas ferramentas, os robôs conseguem ver em que estão a trabalhar, detetar defeitos, verificar a qualidade do produto e prever problemas à medida que acontecem. Muitos fabricantes já estão a utilizar estes sistemas para tornar as suas operações mais eficientes e consistentes.

O mercado da robótica industrial tem crescido de forma constante, e este crescimento advém de melhorias constantes na robótica, acesso mais fácil a engenheiros qualificados e a utilização de simulação e testes virtuais. Estes desenvolvimentos tornam mais rápida a conceção e ajuste de robôs para utilização no mundo real. À medida que mais fábricas adotam ferramentas digitais e automação, estão a tornar-se mais flexíveis, fiáveis e prontas para lidar com desafios futuros.

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