Эволюция и будущее робототехники в производстве

На производстве часто приходится выполнять одни и те же физические действия снова и снова, например поднимать и собирать тяжелые детали. Такие ручные задачи могут быть рискованными. Только в США в 2023 году было зафиксировано 5283 случая смертельного травматизма на производстве.

Тем не менее, с ростом популярности интеллектуальных промышленных роботов и таких технологий, как искусственный интеллект (ИИ) и компьютерное зрение, многие из этих задач с высоким уровнем риска теперь выполняются машинами. Роботы на производстве способны поднимать тяжелые материалы, проверять оборудование на наличие неполадок и работать бок о бок с людьми, повышая безопасность и эффективность в цехах.

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

Что такое промышленные роботы?#

Промышленные роботы — это интеллектуальные машины, созданные специально для помощи в производственных задачах. В частности, роботы на производстве обычно строятся либо для подъема тяжелых компонентов изделий, таких как детали автомобилей или самолетов, либо для выполнения мелких, детальных операций на высокой скорости, например сборки электронных плат или упаковки продукции.

В отличие от человекоподобных роботов, которых мы часто видим в научно-фантастических фильмах, таких как Терминатор или Я, робот, промышленные роботы, как правило, неподвижны и построены на основе одного робоманипулятора. Обычно этот манипулятор может перемещаться в нескольких направлениях и программироваться для различных производственных задач, таких как сварка, сборка или перемещение материалов.

Промышленные роботы особенно хороши в выполнении повторяющейся работы быстро и точно, без необходимости делать перерывы, что делает их идеальными для использования на заводах и складах. В результате по всему миру на заводах используется более 4 миллионов роботов.

Типы промышленных роботов#

Роботы на заводах становятся всё более распространенными и берут на себя широкий спектр задач. Вот некоторые виды промышленных роботов и то, как их используют, чтобы сделать работу на заводе более эффективной и безопасной:

• Декартовы роботы: Также известные как портальные роботы, они перемещаются по прямым линиям, используя три раздвижных соединения вдоль осей X, Y и Z. Их простая конструкция обеспечивает высокую точность, что делает их идеальными для производственных и автоматизированных задач.

• Шарнирные роботы: Эти роботы с сочлененными манипуляторами имитируют движение человеческой руки, используя несколько вращательных шарниров. Они обладают гибкостью, широким диапазоном движения и часто используются в сборке, покраске и упаковке.

• Дельта-роботы: Оснащенные тремя легкими манипуляторами, прикрепленными к треугольному основанию, дельта-роботы созданы для скорости и маневренности. Они отлично подходят для высокоскоростных операций захвата и перемещения, особенно в упаковочной индустрии.

• Полярные роботы: Будучи одними из первых типов промышленных роботов, полярные роботы используют комбинацию вращательных и линейных соединений для обеспечения сферического диапазона движений. Они полезны для задач, требующих широкого, многонаправленного охвата.

• SCARA-роботы: Аббревиатура от Selective Compliance Assembly Robot Arm; SCARA-роботы используют два вращательных и одно линейное соединение. Они идеально подходят для задач, требующих быстрых и точных горизонтальных и вертикальных перемещений, таких как сборка электроники и пищевое производство.

История робототехники в производстве#

Прежде чем мы перейдем к конкретным примерам того, как промышленные роботы меняют ситуацию, давай взглянем на эволюцию роботов в производстве и лучше поймем, как промышленная робототехника менялась с годами:

• Раннее производство (до-роботизированная эра): До появления робототехники производство полностью полагалось на ручной труд и простые инструменты. Промышленная революция привнесла паровые двигатели, механизмы и конвейерные линии, которые повысили производительность, но оставили многие задачи повторяющимися, опасными или трудоемкими.

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

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

• Появление коллаборативных роботов (2010-е — настоящее время): Коллаборативные роботы, или коботы, появились для безопасной работы рядом с людьми. Благодаря встроенным датчикам, ИИ и систем камер они могут адаптироваться к окружающей среде и помогать в сложных или деликатных задачах.

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

Заглядывая вперед, можно сказать, что промышленные роботы, скорее всего, станут еще умнее и адаптивнее. Исследователи и инженеры активно работают над технологиями, которые позволят роботам обучаться, приспосабливаться к новым ситуациям и более тесно сотрудничать с людьми, оказывая поддержку в динамичных условиях.

Примеры промышленной робототехники#

Далее мы рассмотрим реальные примеры роботов в производстве и то, как они используются в цехах.

Промышленные роботы в авиастроении#

Производство самолетов связано со сложными и тонкими процессами, особенно для крупных воздушных судов, таких как Boeing 777. Например, для сборки одного самолета 777 требуется более 60 000 заклепок. Традиционно эта задача выполнялась двумя рабочими: один управлял клепальным молотком, а второй придерживал стальной стержень с обратной стороны панели для фиксации крепежа.

Такие задачи могут быть физически тяжелыми и приводить к травмам рук, спины и плеч. Кроме того, в авиастроении критически важна точность, и права на ошибку практически нет.

Для улучшения таких рабочих процессов компания Boeing внедрила промышленных роботов. На своем заводе 777 в Эверетте, штат Вашингтон, компания представила систему Fuselage Automated Upright Build (FAUB) — процесс автоматизированной сборки, созданный для автоматизации сверления и клепки секций фюзеляжа.

Рис. 2. Роботы FAUB работают над фюзеляжем самолета Boeing. (Источник)

После программирования эти роботы могут просверлить десятки тысяч идеальных отверстий для заклепок. В отличие от старой установки с фиксированными приспособлениями, роботы FAUB мобильны и могут перемещаться по сборочным линиям на управляемых транспортных средствах. После того как рабочие устанавливают панели фюзеляжа, роботы берут на себя сверление и клепку, увеличивая скорость и точность. Этот подход согласуется с последними достижениями в индустрии робототехники, которая продолжает стремиться к более умным, безопасным и эффективным производственным решениям.

Пищевое производство, обеспеченное промышленными роботами#

Роботы на производстве также активно внедряются в пищевой промышленности. Например, на заводе Nestlé в Германии производство детского питания управляется полностью автоматизированной линией упаковки. Роботы выполняют такие задачи, как перемещение наполненных и запечатанных поддонов с едой в стерилизационные контейнеры, а затем в упаковку для отправки. Это делает весь процесс быстрее, безопаснее и надежнее.

Nestlé также использует мобильных роботов, таких как Spot от Boston Dynamics, для мониторинга обслуживания на своих предприятиях. В отличие от традиционных стационарных датчиков, которые могут обнаруживать проблемы только в определенных зонах, Spot может свободно перемещаться по заводу. Эта концепция мобильной, гибкой автоматизации набирает популярность в робототехнической отрасли.

Spot может подниматься по лестницам, перемещаться в узких пространствах и преодолевать неровные полы. Он оснащен специальными датчиками, которые помогают ему проверять заводские машины, такие как двигатели и компрессоры, на наличие перегрева, шума или других предупреждающих признаков. Spot также легко выявляет проблемы на ранней стадии, помогая устранить неисправности до того, как они станут серьезными.

Рис. 3. Spot, промышленный робот, инспектирует предприятие по производству продуктов питания. (Источник)

Производство автомобилей с помощью промышленных роботов#

Промышленные роботы всегда были ключевой частью автомобилестроения. Фактически, 33% всех установок промышленных роботов в США приходятся на автомобильную промышленность.

Интересным примером этого является 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 сделало его первым предприятием BMW, использовавшим такое прямое сотрудничество человека и робота в обычном производстве.

Четыре робота использовались для установки звуко- и влагоизоляции внутри дверей моделей BMW X3. Рабочие сначала размещали и слегка прижимали клейкую фольгу, а затем роботы брали управление на себя, используя роликовые головки, чтобы завершить работу с высокой точностью.

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

Рис. 4. Роботы работают вместе с сотрудниками на автозаводе. (Источник)

Преимущества робототехники в производстве#

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

• Точность и аккуратность: Промышленные роботы обеспечивают высокий уровень точности и скорости. Некоторые способны выполнять задачи с точностью до микрона.

• Надежность: Срок службы промышленных роботов может достигать 100 000 часов без сбоев, что позволяет им работать длительное время без перерывов.

• Повышение безопасности на рабочем месте: Роботы также берут на себя опасные задачи, такие как работа в ограниченных пространствах или с опасными материалами, помогая сократить на 35% потерю рабочих дней 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 этих роботов может быть дорогой на начальном этапе, со временем они обеспечивают значительную экономию. Они снижают затраты на рабочую силу, уменьшают количество потенциальных ошибок и сокращают расходы, связанные с травмами.

• Масштабируемость: Как только роботы установлены, производители могут легче наращивать производство, не нанимая дополнительных рабочих и не внося существенных изменений. Это означает, что производители могут быстро реагировать на растущий спрос и оставаться гибкими на меняющемся рынке.

Проблемы и ограничения робототехники в производстве#

Хотя промышленные роботы предлагают множество преимуществ, они также связаны с рядом проблем, особенно в отношении опыта и обслуживания. Роботы на заводах требуют квалифицированных специалистов для их программирования, эксплуатации и обслуживания.

Несмотря на то, что многие современные промышленные роботы используют искусственный интеллект и машинное обучение, они все равно требуют регулярного обслуживания для предотвращения поломок. Если производственная команда еще не обладает этими знаниями, обучение персонала может быть дорогим и отнимать много времени.

Интересно, что решение этих проблем также приходит в виде ИИ для работы с изображениями, а точнее — компьютерного зрения, которое является ветвью ИИ, сосредоточенной на понимании визуальных данных. Например, модели компьютерного зрения вроде Ultralytics YOLO11 можно обучить обнаружению и отслеживанию промышленных роботов. Полученные от отслеживания таких роботов с помощью YOLO11 данные можно использовать для раннего выявления проблем (так называемое прогнозирующее обслуживание). Это снижает потребность в экспертном контроле и сокращает неожиданные поломки.

Помимо этого, компьютерное зрение может помочь в создании цифровых двойников в реальном времени. Цифровые двойники — это виртуальные модели физических машин и роботов, созданные с использованием визуальных данных, полученных в производственной среде.

Цифровые двойники позволяют производителям отслеживать оборудование в реальном времени, выявлять проблемы до того, как они вызовут простои, и тестировать улучшения процессов без остановки реального производства. Эта технология способствует более стабильной работе, улучшает процесс принятия 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 базе ИИ и машинного обучения. Но как это устроено на практике 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 средах, где важны гибкость, скорость и точность.

Без ИИ роботы не могут обнаруживать дефекты продукции в реальном времени или подстраиваться под небольшие изменения материалов или позиционирования, что часто ведет к замедлению процессов, росту числа ошибок и увеличению простоев. ИИ в производстве позволяет роботам выходить за рамки простых предварительно запрограммированных задач.

В частности, благодаря машинному обучению в производстве роботы могут анализировать данные из окружающей среды, распознавать закономерности и со временем улучшать свою работу. Например, робот с поддержкой зрения может определять различные объекты на конвейере, корректировать свои движения на основе увиденного и даже обнаруживать дефекты или аномалии в реальном времени. За кулисами именно компьютерное зрение служит движущей силой этой инновации.

Как правило, робот с поддержкой зрения оснащен необходимой аппаратной инфраструктурой для запуска моделей компьютерного зрения вроде 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 детекция объектов, трекинг и сегментация.

Влияние Интернета вещей (IoT)#

Еще пара концепций, связанных с промышленными роботами, — это промышленный IoT и периферийные вычисления. IoT относится к сети подключенных устройств, которые собирают и передают данные (в основном через интернет). С другой стороны, периферийные вычисления обрабатывают данные прямо на источнике, например на роботе или датчике, без необходимости сначала отправлять их на центральный сервер.

Когда устройства промышленного интернета вещей (IIoT) собирают большие объемы данных, отправка их в центральную облачную систему для анализа может вызвать задержки (известные как латентность) и замедлить работу. Но благодаря использованию периферийных вычислений вместе с IoT производители могут обрабатывать данные мгновенно, что позволяет получать ответы в реальном времени и расширять возможности автоматизации.

Ярким примером совместной работы ИИ и IoT в производстве является прогнозирующее обслуживание. В умных фабриках одна из главных целей Индустрии 4.0 — предвосхищать сбои оборудования до их возникновения.

Для достижения этой цели устройства IIoT должны оставаться полностью функциональными и надежными. Комбинируя периферийные вычисления, ИИ и компьютерное зрение, эти устройства могут постоянно отслеживать свое состояние, определять, когда требуется обслуживание или зарядка, и автоматически инициировать необходимые действия. Это обеспечивает бесперебойную работу машин, сокращает незапланированные простои и повышает общую эффективность.

Как автоматизация и робототехника повышают эффективность производства#

Теперь, когда у нас есть лучшее понимание таких технологий, как ИИ, компьютерное зрение, IoT и периферийные вычисления, давай рассмотрим, как они могут работать вместе, чтобы сделать производственную автоматизацию более эффективной.

Главная цель автоматизации — оптимизировать процессы, сделать их быстрее, надежнее и менее подверженными человеческим ошибкам. Возьмем, к примеру, фабрику по сборке потребительской электроники, такой как смартфоны. Роботизированные манипуляторы с поддержкой зрения могут справляться с деликатной задачей точного размещения мелких компонентов на печатных платах.

В то же время системы технического зрения на базе ИИ могут инспектировать каждый этап сборки, выявляя дефекты, такие как перекошенные детали или неисправные паяные соединения, в реальном времени. Между тем, IoT-датчики могут контролировать факторы окружающей среды, такие как температура, пыль и вибрация, которые могут повлиять на качество чувствительных компонентов.

С периферийными вычислениями система может мгновенно обрабатывать эти данные и принимать решения на лету, например приостанавливать линию или откалибровать робота, не дожидаясь ответов от облака. В совокупности автоматизированное производство позволяет создать более быстрый, точный и высокоадаптивный производственный процесс, что приводит к повышению качества продукции и снижению операционных расходов.

Как робототехника меняет будущее производства?#

Будущее промышленных роботов развивается стремительно, причем ключевую роль в этом играют такие технологии, как ИИ для работы с изображениями в производстве и IoT. С этими инструментами роботы могут видеть то, с чем работают, замечать дефекты, проверять качество продукции и прогнозировать проблемы по мере их появления. Многие производители уже используют эти системы, чтобы сделать свои операции более эффективными и стабильными.

Рынок промышленной робототехники стабильно растет, и этот рост обусловлен постоянным совершенствованием робототехники, более легким доступом к квалифицированным инженерам и использованием симуляций и виртуального тестирования. Эти разработки ускоряют проектирование и настройку роботов для реального применения. Поскольку все больше заводов внедряют цифровые инструменты и автоматизацию, они становятся более гибкими, надежными и готовыми к преодолению будущих вызовов.

Присоединяйся к нашему сообществу и репозиторию на GitHub, чтобы узнать больше об ИИ. Ознакомься со страницами наших решений, чтобы почитать про ИИ в ритейле и компьютерное зрение в сельском хозяйстве. Узнай о наших вариантах лицензирования и начни создавать проекты с компьютерным зрением уже сегодня!