A evolução e o futuro da robótica na manufatura

Os trabalhos industriais muitas vezes envolvem a realização das mesmas tarefas físicas repetidamente, como levantar e montar peças pesadas. Esse tipo de tarefa manual pode ser arriscado. Em 2023, foram relatadas 5.283 fatal work injuries apenas nos Estados Unidos.

No entanto, com o uso crescente de robôs industriais inteligentes e tecnologias como inteligência artificial (IA) e computer vision, muitas dessas tarefas de alto risco agora estão sendo realizadas por máquinas. Os robôs na manufatura agora conseguem levantar materiais pesados, inspecionar equipamentos em busca de problemas e trabalhar ao lado de 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!

O que são robôs industriais?#

Os robôs industriais são máquinas inteligentes projetadas especificamente para auxiliar em tarefas de manufacturing. Em particular, os robôs na manufatura geralmente são construídos para levantar componentes pesados de produtos, como peças de carros ou aviões, ou para lidar com tarefas minúsculas e detalhadas muito rapidamente, como a montagem de circuitos eletrônicos ou a embalagem de 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 em realizar trabalhos repetitivos com rapidez e precisão, sem precisar de pausas, o que os torna ideais para uso em fábricas e armazéns. Como resultado, mais de 4 million robots são utilizados em fábricas globalmente.

Tipos 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.

História 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 (década de 2010 - presente): Os robôs colaborativos, ou cobots, surgiram para trabalhar com segurança ao lado de humanos. Com sensores integrados, IA e camera systems, eles conseguem se adaptar ao ambiente e auxiliar em tarefas complexas ou delicadas.

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

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.

Exemplos de robótica industrial#

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

Robôs industriais na manufatura aeronáutica#

A Aircraft manufacturing envolve processos complexos e delicados, especialmente para grandes aeronaves como o Boeing 777. Por exemplo, a montagem de um único 777 exige mais de 60.000 rebites. Tradicionalmente, essa 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 aprimorar esses fluxos de trabalho, a Boeing adotou robôs industriais. Em sua fábrica do 777 em Everett, Washington, a empresa introduziu o sistema Fuselage Automated Upright Build (FAUB), um processo de montagem robótica projetado para automatizar a perfuração e a colocação de rebites em seções da fuselagem.

Fig 2. Robôs FAUB trabalhando na fuselagem de um avião da Boeing. (Source)

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.

Manufatura alimentar possibilitada por robôs industriais#

Os robôs na manufatura também estão sendo amplamente adotados na food industry. Na fábrica da Nestlé na Alemanha, por exemplo, a baby food production é gerenciada por meio de uma linha de embalagem totalmente automatizada. Os robôs realizam tarefas como mover bandejas de alimentos cheias e seladas para caixas de esterilização e, posteriormente, para a embalagem de envio. Isso torna toda a operação mais rápida, segura e confiável.

A Nestlé também usa robôs móveis como o Boston Dynamics' Spot para monitorar problemas de manutenção em suas instalações. Ao contrário dos sensores fixos tradicionais que só conseguem detectar problemas em áreas específicas, o Spot pode se mover livremente pela fábrica. Esse conceito de automação móvel e flexível é uma tendência crescente na indústria de 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, inspecionando uma instalação de fabricação de alimentos. (Source)

Manufatura de automóveis com a ajuda de robôs industriais#

Os robôs industriais sempre foram uma parte fundamental da fabricação de carros. Na verdade, 33% de todas as industrial robot installations nos EUA estão na indústria automotiva.

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 trabalhando junto com funcionários em uma fábrica de automóveis. (Source)

Benefícios 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 aprimorada no local de trabalho: Os robôs também lidam com tarefas perigosas, como trabalhar em espaços confinados ou perto de materiais perigosos, ajudando a reduzir em 35% os workdays lost 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.

Desafios 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 esses desafios também surge na forma de IA de visão, mais especificamente, a computer vision, que é um ramo da IA focado na compreensão de dados visuais. Por exemplo, modelos de visão computacional como o Ultralytics YOLO11 podem ser treinados para detectar e rastrear robôs industriais. Os insights obtidos a partir do rastreamento desses robôs usando o YOLO11 podem ser usados para identificar problemas precocemente (conhecido como manutenção preditiva). Isso diminui a necessidade de supervisão especializada e reduz quebras 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.

Tecnologias de inteligência artificial e aprendizagem automática#

Ao discutir os desafios do uso de robôs industriais, vimos que muitos agora são alimentados por IA e aprendizado de máquina. Mas como isso realmente funciona e qual é o AI’s role in robotics?

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 a IA, os robôs não conseguem detectar defeitos de produtos em tempo real ou se ajustar a pequenas variações nos materiais ou no posicionamento, o que frequentemente leva a processos mais lentos, mais erros e aumento no tempo de inatividade. O AI in manufacturing está permitindo que os robôs vão além de tarefas simples e pré-programadas.

Especificamente, com o aprendizado de máquina na fabricação, os robôs podem analisar dados de seu ambiente, reconhecer padrões e melhorar seu desempenho ao longo do tempo. Por exemplo, um vision-enabled robot pode identificar diferentes objetos em uma linha de montagem, ajustar seus movimentos com base no que vê e até detectar defeitos ou anomalias em tempo real. Nos bastidores, a visão computacional é a força motriz por trás dessa inovação.

Normalmente, um robô habilitado para visão é equipado com a infraestrutura de hardware necessária para executar modelos de visão computacional como o Ultralytics YOLO11. Quando integrado a câmeras e visão computacional, um robô ganha as capacidades do modelo subjacente. No caso do YOLO11, isso significa que um robô pode realizar computer vision tasks como detecção, rastreamento e segmentação de objetos.

O impacto da Internet das Coisas (IoT)#

Outro par de conceitos relacionados a robôs industriais é a IoT na fabricação e a edge computing. A IoT refere-se a uma rede de dispositivos conectados que coletam e compartilham dados (principalmente pela internet). Por outro lado, a computação de borda processa os dados diretamente na fonte, como um robô ou sensor, sem precisar enviá-los para um servidor central primeiro.

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 trabalhando juntas na fabricação é a manutenção preditiva. Nas smart factories, um dos principais objetivos da Indústria 4.0 é antecipar falhas em equipamentos antes que elas 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.

Como 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 otimizar processos e torná-los mais rápidos, confiáveis e menos propensos a erros humanos. Considere, por exemplo, uma fábrica que monta eletrônicos de consumo, como smartphones. Vision-enabled robotic arms podem lidar com a tarefa delicada de colocar componentes minúsculos em placas de circuito 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 borda, o sistema pode processar instantaneamente esses dados e fazer ajustes pontuais, como pausar a linha ou recalibrar um robô, sem esperar por respostas baseadas na nuvem. Juntos, o automated manufacturing pode criar uma linha de produção mais rápida, precisa e altamente adaptável, resultando em maior qualidade de produto e menores custos operacionais.

Como está a robótica a transformar o futuro da manufatura?#

O future of industrial robots está avançando rapidamente, com tecnologias como IA de visão na fabricação e a IoT desempenhando um papel importante. Com essas ferramentas, os robôs conseguem ver o que estão fazendo, identificar defeitos, verificar a qualidade do produto e prever problemas à medida que ocorrem. Muitos fabricantes já estão usando esses sistemas para tornar 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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