Эволюция и будущее робототехники в производстве

Работа на промышленных предприятиях часто включает многократное выполнение одних и тех же физических задач, например подъём и сборку тяжёлых деталей. Такие ручные задачи могут быть опасными. Только в США в 2023 году было зарегистрировано 5 283 смертельных несчастных случая на производстве.

Однако благодаря растущему использованию интеллектуальных промышленных роботов и таких технологий, как искусственный интеллект (AI) и компьютерное зрение, многие задачи высокого риска теперь выполняются машинами. Роботы на производстве уже умеют поднимать тяжёлые материалы, проверять оборудование на наличие неисправностей и работать вместе с людьми, повышая безопасность и эффективность на производстве.

В этой статье мы рассмотрим, как промышленные роботы меняют работу фабрик и помогают создавать более безопасные и продуктивные рабочие места. Давай начнём!

Что такое промышленные роботы?#

Промышленные роботы — это интеллектуальные машины, специально разработанные для выполнения задач в сфере производства. В частности, роботов на производстве обычно создают либо для подъёма тяжёлых компонентов продукции, например деталей автомобилей или самолётов, либо для очень быстрого выполнения мелких и точных 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 стационарны и оснащены одной роботизированной рукой. Как правило, эта роботизированная рука может двигаться в нескольких направлениях и программироваться для выполнения различных производственных задач, например сварки, сборки или перемещения материалов.

Промышленные роботы особенно хорошо справляются с повторяющейся работой быстро и точно, не нуждаясь в перерывах, поэтому они идеально подходят для использования на фабриках и складах. В результате на фабриках по всему миру используется более 4 миллионов роботов.

Типы промышленных роботов#

Роботы на фабриках становятся всё более распространёнными и выполняют широкий спектр задач. Ниже приведены некоторые типы промышленных роботов и примеры того, как они используются для повышения эффективности и безопасности работы на производстве:

• Декартовы роботы: Также известные как портальные роботы, они перемещаются по прямым линиям с помощью трёх скользящих сочленений вдоль осей X, Y и Z. Простая конструкция обеспечивает высокую точность, благодаря чему такие роботы идеально подходят для производственных задач и автоматизации.

• Шарнирные роботы: Эти роботы с сочленённой рукой имитируют движения человеческой руки с помощью нескольких вращательных сочленений. Они обеспечивают гибкость и широкий диапазон движений и часто используются для сборки, покраски и упаковки.

• Дельта-роботы: Оснащённые тремя лёгкими руками, соединёнными с треугольным основанием, дельта-роботы созданы для высокой скорости и манёвренности. Они хорошо подходят для высокоскоростных операций захвата и укладки, особенно в упаковочной отрасли.

• Полярные роботы: Полярные роботы относятся к самым ранним типам промышленных роботов. Они используют комбинацию вращательных и линейных сочленений, обеспечивая сферический диапазон движений. Такие роботы полезны для задач, требующих широкого многоканального радиуса действия.

• Роботы SCARA: SCARA — сокращение от «роботизированная рука для сборки с избирательной податливостью». Роботы SCARA используют два вращательных и одно линейное сочленение. Они идеально подходят для задач, требующих быстрых и точных горизонтальных и вертикальных перемещений, например сборки электроники и обработки продуктов питания.

История робототехники в производстве#

Прежде чем перейти к конкретным примерам того, как промышленные роботы меняют производство, давай рассмотрим эволюцию роботов в промышленности и лучше поймём, как промышленные роботы изменились за эти годы:

• Раннее производство (допромышленная эра): До появления робототехники производство полностью зависело от ручного труда и простых инструментов. Промышленная революция принесла паровую энергию, машины и сборочные линии, что повысило производительность, но многие задачи по-прежнему оставались монотонными, опасными или требующими значительных трудозатрат.

• Появление промышленных роботов (1950–1980-е годы): В 1954 году Джордж Девол изобрёл Unimate — первого программируемого робота. К 1961 году General Motors внедрила его для литья под давлением и сварки, и он стал первым используемым промышленным роботом. Это ознаменовало значительный перелом: опасные и повторяющиеся задачи, особенно в автомобильной промышленности, начали автоматизироваться.

• Расширение и совершенствование (1990–2000-е годы): Роботы стали быстрее, точнее и доступнее. Их начали применять в таких отраслях, как электроника, фармацевтика и пищевая промышленность. Гибкая автоматизация позволила роботам выполнять несколько задач с минимальным перепрограммированием.

• Расцвет коллаборативных роботов (2010-е годы — настоящее время): Коллаборативные роботы, или коботы, появились для безопасной работы рядом с людьми. Благодаря встроенным датчикам, AI и системам камер они могут адаптироваться к окружающей среде и помогать выполнять сложные или деликатные задачи.

Рис. 1. Робот Unimate Джорджа Девола. (Источник)

В будущем промышленные роботы, вероятно, станут ещё умнее и адаптивнее. Исследователи и инженеры активно работают над технологиями, которые позволят роботам учиться, адаптироваться к новым ситуациям и теснее сотрудничать с людьми, оказывая поддержку в динамичной среде.

Примеры применения промышленных роботов#

Далее мы рассмотрим реальные примеры использования роботов в производстве и то, как они применяются на фабриках.

Промышленные роботы в авиастроении#

Производство самолётов включает сложные и деликатные процессы, особенно при сборке крупных воздушных судов, таких как Boeing 777. Например, для сборки одного 777 требуется более 60 000 заклёпок. Традиционно в этой задаче участвовали два рабочих: один управлял заклёпочником, а другой удерживал стальной стержень за панелью, чтобы зафиксировать крепёж.

Такие задачи могут быть физически тяжёлыми и приводить к травмам рук, спины и плеч. Кроме того, в авиастроении критически важна точность, поэтому возможности для ошибки практически нет.

Чтобы усовершенствовать такие рабочие процессы, Boeing внедрила 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 клёпки секций фюзеляжа.

Рис. 2. Роботы FAUB работают с фюзеляжем самолёта Boeing. (Источник)

После программирования эти роботы могут просверлить десятки тысяч идеально ровных отверстий для заклёпок. В отличие от прежней установки со стационарными станками, роботы FAUB мобильны и могут перемещаться вдоль сборочных линий на управляемых транспортных платформах. После того как рабочие размещают панели фюзеляжа, роботы берут на себя сверление и клёпку, повышая скорость и точность. Такой подход соответствует последним разработкам в робототехнической отрасли, которая продолжает создавать более умные, безопасные и эффективные решения для производства.

Пищевая промышленность с использованием промышленных роботов#

Роботы также широко внедряются в пищевой промышленности. Например, на заводе Nestlé в Германии производство детского питания организовано 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 весь процесс быстрее, безопаснее и надёжнее.

Nestlé также использует мобильных роботов, таких как Spot от Boston Dynamics, для контроля технического состояния оборудования на своих объектах. В отличие от традиционных стационарных датчиков, способных обнаруживать проблемы только в определённых зонах, Spot может свободно перемещаться по фабрике. Такая мобильная и гибкая автоматизация становится всё более заметным трендом в робототехнической отрасли.

Spot умеет подниматься по лестницам, перемещаться в тесных пространствах и преодолевать неровные полы. Он оснащён специальными датчиками, которые помогают проверять такие заводские машины, как двигатели и компрессоры, на наличие повышенной температуры, шума и других признаков неисправностей. Spot также легко обнаруживает проблемы на ранней стадии, помогая устранить их до того, как они станут серьёзными.

Рис. 3. Spot, промышленный робот, проверяет объект пищевого производства. (Источник)

Производство автомобилей с помощью промышленных роботов#

Промышленные роботы всегда были важной частью автомобильного производства. Фактически 33% всех установок промышленных роботов в США приходится на автомобильную отрасль.

Интересным примером служит завод BMW в Спартанберге в 2013 году. На этом предприятии люди и роботы работали бок о бок на линии сборки дверей без защитных ограждений, что сделало его первым объектом BMW, где такое прямое сотрудничество людей и роботов использовалось в серийном производстве.

Четыре робота устанавливали звуко- и влагозащиту внутри дверей моделей BMW X3. Сначала рабочие размещали клеевую плёнку и слегка прижимали её, после чего роботы продолжали работу, используя роликовые головки для выполнения задачи с высокой точностью.

Система была полностью автоматизирована и могла измерять точное давление, прикладываемое в процессе, что позволяло постоянно контролировать качество. Если работа робота прерывалась, рабочий мог легко вмешаться и завершить задачу вручную, поддерживая производство без задержек.

Рис. 4. Роботы работают рядом с сотрудниками на автомобильном заводе. (Источник)

Преимущества робототехники в производстве#

Теперь давай подробнее рассмотрим некоторые ключевые преимущества использования роботов в производстве.

• Прецизионность и точность: Промышленные роботы обеспечивают высокий уровень точности и скорости. Некоторые из них способны выполнять задачи с точностью до микрона.

• Надёжность: При сроке службы до 100 000 часов без отказов промышленные роботы могут работать длительное время без перерывов.

• Повышение безопасности на рабочем месте: Роботы также выполняют опасные задачи, например работают в ограниченных пространствах или рядом с опасными материалами, помогая сократить на 35% количество рабочих дней, потерянных из-за травм.

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

• Экономическая эффективность: Хотя покупка и установка таких роботов поначалу могут быть дорогими, со временем они обеспечивают значительную экономию. Они снижают затраты на рабочую силу, уменьшают количество потенциальных ошибок и сокращают расходы, связанные с травмами.

• Масштабируемость: После установки роботов производители могут проще наращивать объёмы выпуска без найма дополнительных сотрудников или серьёзных изменений. Это позволяет быстро реагировать на растущий спрос и сохранять гибкость на меняющемся рынке.

Проблемы и ограничения робототехники в производстве#

Несмотря на многочисленные преимущества промышленных роботов, их использование сопряжено с рядом проблем, особенно связанных с экспертизой и обслуживанием. Роботы на фабриках требуют квалифицированных специалистов для программирования, эксплуатации и технического обслуживания.

Хотя многие роботы, используемые в промышленности, сегодня применяют искусственный интеллект и машинное обучение, им всё равно требуется регулярное обслуживание для предотвращения поломок. Если у команды производителя ещё нет необходимых знаний, обучение сотрудников может быть дорогим и занимать много времени.

Интересно, что решение этих проблем также связано с vision AI, а точнее — с компьютерным зрением, отраслью AI, которая занимается пониманием визуальных данных. Например, модели компьютерного зрения, такие как Ultralytics YOLO11, можно обучить обнаруживать и отслеживать промышленных роботов. Данные отслеживания роботов с помощью YOLO11 можно использовать для раннего выявления проблем — это называется прогнозным обслуживанием. Такой подход снижает потребность в надзоре экспертов и уменьшает число неожиданных отказов.

Кроме того, компьютерное зрение может поддерживать создание цифровых двойников в реальном времени. Цифровые двойники — это виртуальные модели физических машин и роботов, созданные с использованием визуальных данных, собранных в производственной среде.

Цифровые двойники позволяют производителям отслеживать состояние оборудования в реальном времени, выявлять проблемы до того, как они приведут к сбоям, и тестировать улучшения процессов без остановки фактического производства. Эта технология обеспечивает более стабильную производительность, улучшает принятие решений и сокращает дорогостоящие простои.

Технологии искусственного интеллекта и машинного обучения#

Обсуждая проблемы использования промышленных роботов, мы увидели, что многие из них теперь работают на основе AI и машинного обучения. Но как это происходит на практике и какова роль AI в робототехнике?

Традиционные промышленные роботы ограничены фиксированными повторяющимися задачами. Они следуют предварительно запрограммированным инструкциям и не могут легко адаптироваться к изменениям на производственной линии. Это снижает их эффективность в средах, где необходимы гибкость, скорость и точность.

Без AI роботы не могут обнаруживать дефекты продукции в реальном времени или адаптироваться к небольшим различиям в материалах и расположении, что часто приводит к замедлению процессов, большему числу ошибок и увеличению простоев. AI в производстве позволяет роботам выходить за рамки простых предварительно запрограммированных задач.

В частности, благодаря машинному обучению в производстве роботы могут анализировать данные об окружающей среде, распознавать закономерности и со временем улучшать свою работу. Например, робот с поддержкой компьютерного зрения может распознавать разные объекты на сборочной линии, корректировать движения на основе увиденного и даже обнаруживать дефекты или аномалии в реальном времени. В основе этой инновации лежит компьютерное зрение.

Как правило, робот с поддержкой компьютерного зрения оснащён 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 YOLO11 это означает, что робот может выполнять задачи компьютерного зрения, такие как обнаружение объектов, отслеживание и сегментация.

Влияние интернета вещей (IoT)#

Ещё два понятия, связанные с промышленными роботами, — это IoT в производстве и граничные вычисления. IoT — это сеть подключённых устройств, которые собирают и обмениваются данными, главным образом через интернет. Граничные вычисления, напротив, обрабатывают данные непосредственно в месте их возникновения — например, на роботе или датчике, — без предварительной отправки на центральный сервер.

Когда устройства промышленного IoT (IIoT) собирают большие объёмы данных, их отправка в центральную облачную систему для анализа может вызывать задержки, известные как latency, и замедлять работу. Но благодаря сочетанию граничных вычислений и IoT производители могут обрабатывать данные мгновенно, обеспечивая ответы в реальном времени и расширяя возможности автоматизации.

Наглядный пример совместной работы AI и IoT в производстве — прогнозное обслуживание. На умных фабриках одной из главных целей Индустрии 4.0 является прогнозирование отказов оборудования до их возникновения.

Для этого устройства IIoT должны оставаться полностью функциональными и надёжными. Объединяя граничные вычисления, AI и компьютерное зрение, эти устройства могут непрерывно контролировать собственное состояние, определять необходимость технического обслуживания или подзарядки и автоматически запускать необходимые действия. Это поддерживает бесперебойную работу машин, сокращает незапланированные простои и повышает общую эффективность.

Как автоматизация и робототехника повышают эффективность производства#

Теперь, когда мы лучше понимаем такие технологии, как AI, компьютерное зрение, IoT и граничные вычисления, давай рассмотрим, как они могут работать вместе, делая автоматизацию производства эффективнее.

Главная цель автоматизации — оптимизировать процессы, сделать их быстрее и надёжнее, а также снизить вероятность человеческих ошибок. Например, на фабрике, где собирают потребительскую электронику, такую как смартфоны, роботизированные руки с поддержкой компьютерного зрения могут с высокой точностью устанавливать крошечные компоненты на печатные платы.

Одновременно системы компьютерного зрения на базе AI могут проверять каждый этап сборки, выявляя в реальном времени такие дефекты, как смещённые детали или некачественные паяные соединения. Датчики IoT тем временем могут отслеживать факторы окружающей среды, такие как температура, пыль и вибрация, которые способны повлиять на качество чувствительных компонентов.

Благодаря граничным вычислениям система может мгновенно обрабатывать эти данные и корректировать работу на месте, например приостанавливать линию или повторно калибровать робота, не дожидаясь ответов из облака. Вместе автоматизированное производство может создать более быструю, точную и адаптивную производственную линию, обеспечивая более высокое качество продукции и снижая операционные расходы.

Как робототехника меняет будущее производства?#

Будущее промышленных роботов развивается стремительно, и такие технологии, как vision AI в производстве и IoT, играют в этом важную роль. Благодаря этим инструментам роботы могут видеть, с чем они работают, обнаруживать дефекты, проверять качество продукции и прогнозировать проблемы по мере их возникновения. Многие производители уже используют такие системы, чтобы сделать свои операции эффективнее и стабильнее.

Рынок промышленной робототехники стабильно растёт, и этот рост обусловлен постоянными улучшениями в робототехнике, более простым доступом к квалифицированным инженерам, а также использованием моделирования и виртуального тестирования. Эти разработки ускоряют проектирование и точную настройку роботов для применения в реальных условиях. По мере того как всё больше фабрик внедряют цифровые инструменты и автоматизацию, они становятся более гибкими, надёжными и готовыми к будущим вызовам.

Присоединяйся к нашему сообществу и репозиторию на GitHub, чтобы узнать больше об AI. Посети страницы наших решений, чтобы прочитать об AI в розничной торговле и компьютерном зрении в сельском хозяйстве. Узнай больше о вариантах нашего лицензирования и начни создавать решения с компьютерным зрением уже сегодня!