Эволюция и будущее робототехники в производстве

Промышленные работы часто связаны с выполнением одних и тех же физических задач, например, с подъемом и сборкой тяжелых деталей. Такие виды ручных работ могут быть рискованными. В 2023 году только в США было зарегистрировано 5 283 смертельных производственных травмы.

Однако с ростом использования умных промышленных роботов и таких технологий, как искусственный интеллект (ИИ) и компьютерное зрение, многие из этих рискованных задач теперь выполняются машинами. Роботы на производстве теперь способны поднимать тяжелые материалы, проверять оборудование на наличие проблем и работать вместе с людьми для повышения безопасности и эффективности на производстве.

В этой статье мы рассмотрим, как промышленные роботы меняют принципы работы заводов и помогают создавать более безопасные и продуктивные рабочие места. Давайте начнем!

Что такое промышленные роботы?

Промышленные роботы - это умные машины, созданные специально для выполнения производственных задач. В частности, роботы на производстве обычно создаются либо для подъема тяжелых компонентов продукции, таких как детали автомобилей или самолетов, либо для быстрого выполнения мелких, детальных задач, таких как сборка электронных схем или упаковка продукции. 

В отличие от человекоподобных роботов, которых мы часто видим в научно-фантастических фильмах, таких как "Терминатор" или "Я, робот", промышленные роботы обычно неподвижны и построены с одной роботизированной рукой. Как правило, эта рука может двигаться в нескольких направлениях и быть запрограммирована на выполнение различных производственных операций, таких как сварка, сборка или перемещение материалов. 

Промышленные роботы особенно хороши тем, что быстро и точно выполняют повторяющуюся работу без перерывов, что делает их идеальными для использования на заводах и складах. В результате более 4 миллионов роботов используются на заводах по всему миру. 

Типы промышленных роботов

Роботы на заводах становятся все более распространенными и выполняют широкий спектр задач. Вот несколько типов промышленных роботов и то, как они используются, чтобы сделать работу на заводе более эффективной и безопасной: 

• Декартовые роботы: Эти роботы, также известные как портальные, перемещаются по прямым линиям с помощью трех скользящих шарниров по осям X, Y и Z. Их простая конструкция обеспечивает высокую точность, что делает их идеальным решением для задач производства и автоматизации.

• Шарнирные роботы: Эти роботы с шарнирными руками имитируют движения человеческой руки с помощью нескольких поворотных шарниров. Они обеспечивают гибкость, широкий диапазон движений и широко используются при сборке, покраске и упаковке.

• Дельта-роботы: Дельта-роботы, состоящие из трех легких рук, соединенных с треугольным основанием, отличаются скоростью и маневренностью. Они хорошо подходят для высокоскоростных операций по подбору и перемещению грузов, особенно в упаковочной промышленности.

• Полярные роботы: Полярные роботы относятся к самым ранним типам промышленных роботов и используют комбинацию вращательных и линейных шарниров для обеспечения сферического диапазона движения. Они полезны для задач, требующих широкого, разнонаправленного охвата.

• Роботы SCARA: Сокращенно от Selective Compliance Assembly Robot Arm, роботы SCARA используют два поворотных и один линейный шарнир. Они идеально подходят для задач, требующих быстрых и точных горизонтальных и вертикальных перемещений, таких как сборка электроники и обработка пищевых продуктов.

История робототехники в производстве

Прежде чем мы рассмотрим конкретные примеры того, как промышленные роботы меняют жизнь к лучшему, давайте посмотрим на эволюцию роботов в производстве и лучше поймем, как менялась промышленная робототехника с годами:

• Раннее производство (доробототехническая эпоха): До появления робототехники производство полностью зависело от ручного труда и основных инструментов. Промышленная революция привела к появлению паровой энергии, машин и сборочных линий, что повысило производительность, но многие задачи по-прежнему оставались повторяющимися, опасными или трудоемкими.

• Появление промышленных роботов (1950-е - 1980-е годы): В 1954 году Джордж Девол изобрел Unimate, первого программируемого робота. К 1961 году компания General Motors использовала его для литья под давлением и сварки, и он стал первым промышленным роботом. Это ознаменовало серьезный сдвиг, автоматизировав опасные и повторяющиеся задачи, особенно в автомобилестроении.

• Расширение и совершенствование (1990-е - 2000-е годы): Роботы стали быстрее, точнее и доступнее. Их применение распространилось на такие отрасли, как электроника, фармацевтика и пищевая промышленность. Гибкая автоматизация позволила роботам выполнять множество задач с минимальным перепрограммированием.

• Появление роботов для совместной работы (2010-е годы - настоящее время): Совместные роботы, или коботы, появились для безопасной работы рядом с человеком. Благодаря встроенным датчикам, искусственному интеллекту и системам камер они могут адаптироваться к окружающей среде и помогать в выполнении сложных или деликатных задач.

‍

Заглядывая в будущее, можно предположить, что промышленные роботы станут еще умнее и адаптивнее. Исследователи и инженеры активно работают над технологиями, которые позволят роботам обучаться, адаптироваться к новым ситуациям и тесно сотрудничать с людьми, поддерживая их в динамике.

Примеры промышленной робототехники

Далее мы рассмотрим реальные примеры использования роботов в производстве и их применение на производстве.

Промышленные роботы в авиастроении

Производство самолетов включает в себя сложные и тонкие процессы, особенно для таких больших самолетов, как Boeing 777. Например, для сборки одного самолета 777 требуется более 60 000 заклепок. Традиционно для выполнения этой задачи привлекались два работника: один управлял заклепочным пистолетом, а другой держал стальной стержень за панелью, чтобы закрепить крепеж. 

Такие работы могут быть физически тяжелыми и приводить к травмам рук, спины и плеч. Кроме того, в самолетостроении очень важна точность, и здесь практически нет места ошибкам.

Чтобы усовершенствовать такие рабочие процессы, Boeing использует промышленных роботов. На заводе 777 в Эверетте, штат Вашингтон, компания представила систему Fuselage Automated Upright Build (FAUB) - роботизированный процесс сборки, предназначенный для автоматизации сверления и клепки секций фюзеляжа.

‍

После программирования эти роботы могут просверлить десятки тысяч идеальных отверстий для заклепок. В отличие от старых установок со стационарными станками, роботы FAUB мобильны и могут перемещаться по сборочным линиям на управляемых транспортных средствах. После того как рабочие установят панели фюзеляжа, роботы приступают к сверлению и клепке, что повышает скорость и точность. Такой подход согласуется с последними достижениями в области робототехники, которая продолжает стремиться к более умным, безопасным и эффективным решениям в производстве.

Производство продуктов питания с помощью промышленных роботов

Роботы в производстве широко применяются и в пищевой промышленности. Например, на заводе компании "Нестле" в Германии производство детского питания осуществляется с помощью полностью автоматизированной упаковочной линии. Роботы выполняют такие задачи, как перемещение заполненных и запечатанных лотков с продуктами в стерилизационные ящики, а затем в упаковку для отправки. Это делает всю работу быстрее, безопаснее и надежнее.

Компания "Нестле" также использует мобильных роботов, таких как Spot от Boston Dynamics, для мониторинга проблем с техническим обслуживанием на всех своих предприятиях. В отличие от традиционных стационарных датчиков, которые могут обнаружить проблемы только в определенных зонах, Spot может свободно перемещаться по заводу. Концепция мобильной и гибкой автоматизации - растущая тенденция в робототехнической отрасли.

Spot может подниматься по лестнице, перемещаться по узким пространствам и преодолевать неровности пола. Он оснащен специальными датчиками, которые помогают ему проверять заводские машины, такие как двигатели и компрессоры, на наличие тепла, шума или других предупреждающих признаков. Spot также может легко обнаружить проблемы на ранней стадии, помогая устранить их до того, как они станут серьезными. 

‍

Производство автомобилей с помощью промышленных роботов

Промышленные роботы всегда были ключевой частью производства автомобилей. Фактически 33 % всех промышленных роботов, установленных в США, приходится на автомобильную промышленность. 

Интересный пример - завод BMW в Спартанбурге в 2013 году. На этом предприятии люди и роботы работали бок о бок на линии сборки дверей без защитных ограждений, что стало первым предприятием BMW, где в регулярном производстве использовалось такое прямое взаимодействие человека и робота.

Четыре робота использовались для установки звуко- и влагоизоляции внутри дверей моделей BMW X3. Сначала рабочие укладывали и слегка прижимали клейкую пленку, а затем роботы приступали к работе, используя роликовые головки для выполнения работы с высокой точностью.

Система была полностью автоматизирована и позволяла измерять точное давление, оказываемое в ходе процесса, что обеспечивало постоянный контроль качества. Если работа робота прерывалась, человек мог легко вмешаться и выполнить задание вручную, обеспечивая непрерывность производства без задержек.

‍

Преимущества робототехники в производстве

Далее рассмотрим некоторые ключевые преимущества использования роботов в производстве.

• Точность и аккуратность: промышленные роботы обеспечивают высокий уровень точности и скорости. Некоторые из них способны выполнять задачи с точностью до микрона.
  ‍
• Надежность: Благодаря сроку службы, достигающему 100 000 часов без сбоев, промышленные роботы могут работать в течение длительного времени без перерыва.
  ‍
• Повышение безопасности на рабочем месте: Роботы также справляются с опасными задачами, такими как работа в замкнутом пространстве или с опасными материалами, что позволяет сократить 35 % рабочих дней, потерянных из-за травм.

• Повысьте производительность: В отличие от людей, роботам не нужны перерывы, выходные или отдых. Они могут работать круглосуточно, что значительно повышает производительность труда. 

• Экономическая эффективность: Хотя приобретение и установка этих роботов может быть дорогостоящей поначалу, со временем они дают значительную экономию. Они снижают трудозатраты, уменьшают количество возможных ошибок и сокращают расходы, связанные с травмами.

• Масштабируемость: После установки роботов производители могут легко увеличить объем производства без необходимости нанимать дополнительных работников или вносить серьезные изменения. Это означает, что производители могут быстро реагировать на растущий спрос и сохранять гибкость в условиях меняющегося рынка.

Проблемы и ограничения робототехники в производстве

Хотя промышленные роботы обладают множеством преимуществ, они также сопряжены с некоторыми трудностями, особенно в том, что касается опыта и обслуживания. Для программирования, управления и обслуживания таких роботов на заводах требуются квалифицированные специалисты. 

Несмотря на то, что многие роботы, применяемые сегодня в промышленности, используют искусственный интеллект и машинное обучение, они по-прежнему нуждаются в регулярном обслуживании для предотвращения поломок. Если команда производителей еще не обладает такими знаниями, обучение персонала может оказаться дорогостоящим и трудоемким.

Интересно, что решение этих проблем также приходит в виде Vision AI, а точнее, компьютерного зрения, которое является ветвью AI, сфокусированной на понимании визуальных данных. Например, модели компьютерного зрения, такие как Ultralytics YOLO11, могут быть обучены обнаруживать и отслеживать промышленных роботов. Данные, полученные в результате отслеживания роботов с помощью YOLO11, можно использовать для раннего выявления проблем (так называемое предиктивное обслуживание). Это снижает потребность в экспертном контроле и уменьшает количество непредвиденных поломок.

Кроме того, компьютерное зрение может поддерживать создание цифровых двойников в режиме реального времени. Цифровые двойники - это виртуальные модели физических машин и роботов, созданные на основе визуальных данных, собранных в производственной среде. 

Цифровые двойники позволяют производителям контролировать оборудование в режиме реального времени, выявлять проблемы до того, как они приведут к сбоям, и тестировать усовершенствования процесса, не прерывая реального производства. Эта технология обеспечивает более стабильную работу, улучшает процесс принятия решений и сокращает время дорогостоящих простоев.

Искусственный интеллект и технологии машинного обучения

Обсуждая проблемы использования промышленных роботов, мы заметили, что многие из них теперь работают на основе искусственного интеллекта и машинного обучения. Но как это работает на самом деле и какова роль ИИ в робототехнике?

Традиционные промышленные роботы ограничены фиксированными, повторяющимися задачами. Они следуют заранее запрограммированным инструкциям и не могут легко адаптироваться к изменениям на производственной линии. Это делает их менее эффективными в условиях, где важны гибкость, скорость и точность. 

Без ИИ роботы не могут обнаружить дефекты продукции в режиме реального времени или приспособиться к незначительным изменениям в материалах или позиционировании, что часто приводит к замедлению процессов, увеличению количества ошибок и простоев. ИИ в производстве позволяет роботам выходить за рамки простых, заранее запрограммированных задач. 

В частности, благодаря машинному обучению в производстве роботы могут анализировать данные из окружающей среды, распознавать закономерности и улучшать свою работу с течением времени. Например, робот, оснащенный системой технического зрения, может идентифицировать различные объекты на сборочной линии, корректировать свои движения в зависимости от того, что он видит, и даже обнаруживать дефекты или аномалии в режиме реального времени. За кулисами компьютерное зрение является движущей силой этих инноваций.

Как правило, робот с функцией технического зрения оснащен необходимой аппаратной инфраструктурой для запуска моделей компьютерного зрения, таких как Ultralytics YOLO11. При интеграции с камерами и компьютерным зрением робот получает возможности базовой модели. В случае с YOLO11 это означает, что робот может выполнять задачи компьютерного зрения, такие как обнаружение, отслеживание и сегментация объектов.

Влияние Интернета вещей (IoT) 

Еще несколько концепций, связанных с промышленными роботами, - это IoT в производстве и пограничные вычисления. IoT - это сеть подключенных устройств, которые собирают данные и обмениваются ими (в основном через Интернет). С другой стороны, пограничные вычисления обрабатывают данные непосредственно у источника, например, у робота или датчика, без необходимости сначала отправлять их на центральный сервер. 

Когда промышленные устройства IoT (IIoT) собирают большие объемы данных, отправка их в центральную систему в облаке для анализа может вызвать задержки (так называемую латентность) и замедлить работу. Однако, используя пограничные вычисления вместе с IoT, производители могут обрабатывать данные мгновенно, что позволяет получать ответы в режиме реального времени и расширять возможности автоматизации. 

Ярким примером совместной работы ИИ и IoT в производстве является предиктивное обслуживание. На "умных" фабриках одной из главных целей Индустрии 4.0 является предвидение отказов оборудования до того, как они произойдут. 

Для этого устройства IIoT должны оставаться полностью функциональными и надежными. Благодаря сочетанию граничных вычислений, искусственного интеллекта и компьютерного зрения эти устройства могут непрерывно следить за своим состоянием, определять, когда требуется техническое обслуживание или подзарядка, и автоматически запускать необходимые действия. Это обеспечивает бесперебойную работу оборудования, сокращает время незапланированных простоев и повышает общую эффективность.

Как автоматизация и робототехника повышают эффективность производства

Теперь, когда мы лучше понимаем такие технологии, как искусственный интеллект, компьютерное зрение, IoT и пограничные вычисления, давайте рассмотрим, как они могут работать вместе, чтобы сделать автоматизацию производства более эффективной. 

Главная цель автоматизации - оптимизировать процессы и сделать их более быстрыми, надежными и менее подверженными человеческим ошибкам. Возьмем, к примеру, завод по сборке бытовой электроники, например смартфонов. Роботизированные руки, оснащенные системой технического зрения, могут с точностью справиться с деликатной задачей размещения крошечных компонентов на печатных платах. 

В то же время системы технического зрения на основе искусственного интеллекта могут контролировать каждый этап сборки, выявляя такие дефекты, как несоосность деталей или некачественные паяные соединения, в режиме реального времени. В то же время датчики IoT могут отслеживать такие факторы окружающей среды, как температура, пыль и вибрация, которые могут повлиять на качество чувствительных компонентов. 

Благодаря пограничным вычислениям система может мгновенно обрабатывать эти данные и вносить коррективы на месте, например приостанавливать работу линии или перекалибровать робота, не дожидаясь ответа из облака. В совокупности автоматизированное производство может создать более быструю, точную и адаптивную производственную линию, что приведет к повышению качества продукции и снижению эксплуатационных расходов.

Как робототехника меняет будущее производства

Будущее промышленных роботов быстро развивается, и важную роль в этом играют такие технологии, как Vision AI в производстве и IoT. С помощью этих инструментов роботы могут видеть, над чем они работают, выявлять дефекты, проверять качество продукции и предсказывать проблемы по мере их возникновения. Многие производители уже используют эти системы, чтобы сделать свои операции более эффективными и последовательными.

Рынок промышленной робототехники неуклонно растет, и этот рост обусловлен постоянным совершенствованием робототехники, облегчением доступа к квалифицированным инженерам, а также использованием моделирования и виртуальных испытаний. Эти разработки позволяют быстрее проектировать и настраивать роботов для использования в реальных условиях. По мере того как все больше заводов внедряют цифровые инструменты и автоматизацию, они становятся все более гибкими, надежными и готовыми к решению будущих задач.

Присоединяйтесь к нашему сообществу и репозиторию GitHub, чтобы узнать больше об искусственном интеллекте. Ознакомьтесь с нашими страницами решений, чтобы прочитать об ИИ в розничной торговле и компьютерном зрении в сельском хозяйстве. Узнайте о наших возможностях лицензирования и начните создавать системы компьютерного зрения уже сегодня!