Эволюция и будущее робототехники в производстве

Работа на производстве часто связана с многократным выполнением одних и тех же физических действий, например подъёмом и сборкой тяжёлых деталей. Такая ручная работа может быть опасной. Только в США в 2023 году было зарегистрировано 5 283 случая смертельного травматизма на производстве.

Однако благодаря всё более широкому применению интеллектуальных промышленных роботов и таких технологий, как искусственный интеллект (AI) и компьютерное зрение, теперь многие задачи с высоким уровнем риска выполняют машины. Роботы на производстве уже могут поднимать тяжёлые материалы, проверять оборудование на наличие неисправностей и работать вместе с людьми, повышая безопасность и эффективность на заводе.

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

Что такое промышленные роботы?#

Промышленные роботы — это интеллектуальные машины, разработанные специально для выполнения задач в сфере производства. В частности, роботов на производстве обычно создают либо для подъёма тяжёлых компонентов изделий, 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 часто показывают в фантастических фильмах, таких как Терминатор или Я, робот, промышленные роботы обычно неподвижны и оснащены одной роботизированной рукой. Как правило, эта рука может двигаться в нескольких направлениях и программироваться для выполнения разных производственных задач, например сварки, сборки или перемещения материалов.

Промышленные роботы особенно хорошо справляются с повторяющейся работой — быстро и точно, без перерывов, поэтому они идеально подходят для заводов и складов. В результате на заводах по всему миру используется более 4 миллионов роботов.

Типы промышленных роботов#

Роботы на заводах становятся всё привычнее и выполняют самые разные задачи. Вот несколько типов промышленных роботов и примеры того, как они помогают сделать работу на заводе эффективнее и безопаснее:

• Декартовы роботы: Эти роботы, также известные как портальные, движутся по прямым линиям с помощью трёх скользящих соединений вдоль осей X, Y и Z. Простая конструкция обеспечивает высокую точность, что делает их идеальными для производства и автоматизации.
• Шарнирные роботы: Эти роботы с сочленённой рукой имитируют движения человеческой руки с помощью нескольких вращательных шарниров. Они отличаются гибкостью и широким диапазоном движений; их часто используют для сборки, окраски и упаковки.
• Дельта-роботы: Дельта-роботы с тремя лёгкими руками, соединёнными с треугольным основанием, созданы для скорости и манёвренности. Они хорошо подходят для высокоскоростных операций захвата и перемещения, особенно в упаковочной отрасли.
• Полярные роботы: Одни из первых типов промышленных роботов, полярные роботы сочетают вращательные и линейные соединения, обеспечивая сферический диапазон движений. Они полезны для задач, требующих широкого охвата в разных направлениях.
• Роботы SCARA: Название SCARA — сокращение от Selective Compliance Assembly Robot Arm. В таких роботах используются два вращательных и одно линейное соединение. Они идеально подходят для задач, требующих быстрых и точных горизонтальных и вертикальных перемещений, например сборки электроники и обработки пищевых продуктов.

История робототехники в производстве#

Прежде чем перейти к конкретным примерам влияния промышленных роботов, рассмотрим развитие робототехники в производстве, чтобы лучше понять, как она менялась с годами:

• Раннее производство (до появления робототехники): До появления робототехники производство полностью зависело от ручного труда и простых инструментов. Промышленная революция принесла паровую энергию, машины и сборочные линии, повысив производительность, но многие задачи по-прежнему оставались монотонными, опасными или требовали больших трудозатрат.
• Появление промышленных роботов (1950-е — 1980-е): В 1954 году Джордж Девол изобрёл Unimate — первого программируемого робота. К 1961 году General Motors начала использовать его для литья под давлением и сварки; так он стал первым промышленным роботом, применённым на практике. Это стало важным поворотом: опасные и монотонные задачи начали автоматизировать, особенно в автомобилестроении.
• Расширение применения и совершенствование (1990-е — 2000-е): 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, требуя лишь минимального перепрограммирования.
• Появление коллаборативных роботов (2010-е — настоящее время): Коллаборативные роботы, или коботы, появились для безопасной работы рядом с людьми. Благодаря встроенным датчикам, ИИ и камерам 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 разрабатывают технологии, которые позволят роботам учиться, приспосабливаться к новым ситуациям и теснее взаимодействовать с людьми — гибко и с готовностью прийти на помощь.

Примеры применения промышленных роботов#

Теперь рассмотрим реальные примеры применения роботов в производстве и узнаем, как их используют на заводах.

Промышленные роботы в авиастроении#

Авиастроение включает сложные и деликатные процессы, особенно при производстве крупных самолётов, например Boeing 777. Так, для сборки одного Boeing 777 требуется более 60 000 заклёпок. Раньше эту задачу выполняли два работника: один управлял заклёпочным пистолетом, а другой прижимал стальной стержень к обратной стороне панели, чтобы закрепить крепёж.

Такая работа требует значительных физических усилий и может приводить к травмам рук, спины и плеч. Кроме того, в авиастроении критически важна точность, и вероятность ошибки должна быть минимальной.

Чтобы усовершенствовать эти процессы, Boeing внедрила промышленных роботов. На заводе по производству Boeing 777 в Эверетте, штат Вашингтон, компания внедрила систему Fuselage Automated Upright Build (FAUB) — роботизированный процесс сборки, предназначенный для автоматизации сверления и клёпки секций фюзеляжа.

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

После программирования эти роботы могут просверлить десятки тысяч точных отверстий под заклёпки. В отличие от прежней конфигурации с неподвижными установками, роботы FAUB мобильны и перемещаются вдоль сборочных линий на направляемых транспортных платформах. Когда рабочие размещают панели фюзеляжа, роботы берут на себя сверление и клёпку, повышая скорость и точность. Такой подход соответствует последним тенденциям в робототехнике, которая продолжает развивать более интеллектуальные, безопасные и эффективные производственные решения.

Производство продуктов питания с помощью промышленных роботов#

Роботы также широко применяются в пищевой промышленности. Например, на заводе Nestlé в Германии производство детского питания организовано на полностью автоматизированной упаковочной линии. Роботы выполняют такие задачи, как перемещение заполненных и запечатанных лотков с едой в контейнеры для стерилизации, а затем — в упаковку для отправки. Благодаря этому весь процесс становится быстрее, безопаснее и надёжнее.

Nestlé также использует мобильных роботов, таких как Spot от Boston Dynamics, чтобы отслеживать проблемы с обслуживанием оборудования на своих предприятиях. В отличие от обычных стационарных датчиков, которые выявляют проблемы только в определённых зонах, Spot может свободно перемещаться по заводу. Такая мобильная и гибкая автоматизация становится всё более распространённой в робототехнике.

Spot умеет подниматься по лестницам, перемещаться в узких пространствах и передвигаться по неровным полам. Он оснащён специальными датчиками, которые помогают проверять заводское оборудование, например двигатели и компрессоры, на наличие признаков перегрева, шума и других неисправностей. Spot также может заранее обнаруживать проблемы, чтобы устранить их до того, как они станут серьёзными.

Рис. 3. Промышленный робот Spot осматривает предприятие по производству продуктов питания. (Источник)

Производство автомобилей с помощью промышленных роботов#

Промышленные роботы всегда играли важную роль в автомобилестроении. Фактически, 33% всех установленных промышленных роботов в США приходятся на автомобильную отрасль.

Интересный пример — завод BMW в Спартанберге в 2013 году. На этом предприятии люди и роботы работали бок о бок на линии сборки дверей без защитных ограждений. Это стало первым предприятием BMW, где такое непосредственное взаимодействие людей и роботов использовалось в серийном производстве.

Четыре робота устанавливали внутри дверей моделей BMW X3 шумо- и влагозащитную изоляцию. Сначала работники размещали клейкую плёнку и слегка прижимали её, а затем работу продолжали роботы: с помощью роликовых головок они выполняли задачу с высокой точностью.

Система была полностью автоматизирована и могла измерять точное давление, прикладываемое в ходе процесса, что позволяло постоянно контролировать качество. Если работа робота прерывалась, человек мог легко вмешаться и завершить задачу вручную, чтобы производство продолжалось без задержек.

Рис. 4. Роботы работают вместе с людьми на автомобильном заводе. (Источник)

Преимущества робототехники в производстве#

Теперь подробнее рассмотрим основные преимущества применения роботов в производстве.

• Точность: Промышленные роботы обеспечивают высокую точность и скорость. Некоторые из них способны выполнять задачи с точностью до микрона.
• Надёжность: Промышленные роботы могут работать без перебоев в течение долгого времени; срок их службы без отказов достигает 100 000 часов.
• Повышение безопасности на рабочем месте: Роботы также выполняют опасные задачи, например работают в замкнутых пространствах или с опасными материалами, помогая сократить на 35% число рабочих дней, потерянных из-за травм.
• Рост производительности: В отличие от людей, роботам не нужны перерывы, выходные или отдых. Они могут работать круглосуточно, что значительно повышает производительность.
• Экономическая эффективность: Покупка и установка роботов поначалу могут обойтись дорого, но со временем они позволяют значительно сэкономить. Роботы снижают затраты на труд, уменьшают вероятность ошибок и сокращают расходы, связанные с травмами.
• Масштабируемость: После установки роботов производители могут проще наращивать объёмы производства, не нанимая дополнительных работников и не внося серьёзных изменений. Это позволяет быстрее реагировать на рост спроса и сохранять гибкость в меняющихся рыночных условиях.

Проблемы и ограничения робототехники в производстве#

Промышленные роботы дают много преимуществ, но создают и ряд проблем, особенно связанных с экспертизой и обслуживанием. Для программирования, эксплуатации и обслуживания этих роботов на заводах нужны квалифицированные специалисты.

Хотя сегодня многие роботы в промышленности используют искусственный интеллект и машинное обучение, им всё равно требуется регулярное обслуживание, чтобы избежать поломок. Если у команды производителя ещё нет необходимых знаний, обучение сотрудников может быть и дорогим, и трудоёмким.

Интересно, что решить эти проблемы также помогает ИИ для анализа изображений, а точнее — компьютерное зрение, область ИИ, которая занимается анализом визуальных данных. Например, модели компьютерного зрения, такие как Ultralytics YOLO11, можно обучить обнаруживать промышленных роботов и отслеживать их. Данные, полученные при отслеживании роботов с помощью YOLO11, позволяют заранее выявлять неисправности (это называется предиктивным обслуживанием). Это снижает потребность в надзоре со стороны экспертов и помогает предотвратить неожиданные поломки.

Кроме того, компьютерное зрение может помочь создавать цифровые двойники в реальном времени. Цифровые двойники — это виртуальные модели физических машин и роботов, построенные на основе визуальных данных, собранных на производстве.

Цифровые двойники позволяют производителям отслеживать состояние оборудования в реальном времени, выявлять проблемы до того, как они приведут к сбоям, и проверять улучшения процессов, не прерывая фактическое производство. Эта технология обеспечивает более стабильную работу, помогает принимать решения и сокращает дорогостоящие простои.

Технологии искусственного интеллекта и машинного обучения#

Обсуждая проблемы применения промышленных роботов, мы увидели, что многие из них теперь работают на основе ИИ и машинного обучения. Но как это устроено на практике и какую роль играет 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. Поэтому в условиях, где важны гибкость, скорость и точность, они работают менее эффективно.

Без ИИ роботы не могут обнаруживать дефекты продукции в реальном времени или адаптироваться к небольшим различиям в материалах и их расположении. Это часто замедляет процессы, увеличивает число ошибок и продолжительность простоев. ИИ в производстве позволяет роботам выходить за рамки простых заранее 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 системой компьютерного зрения может распознавать разные объекты на сборочной линии, корректировать движения на основе увиденного и даже обнаруживать дефекты или аномалии в реальном времени. Эта возможность обеспечивается компьютерным зрением.

Как правило, робот с компьютерным зрением оснащён необходимым оборудованием для запуска моделей компьютерного зрения, например Ultralytics YOLO11. Интеграция с камерами и компьютерным зрением наделяет робота возможностями используемой модели. В случае YOLO11 это означает, что робот может выполнять задачи компьютерного зрения, например обнаружение объектов, отслеживание и сегментацию.

Влияние Интернета вещей (IoT)#

Ещё две концепции, связанные с промышленными роботами, — это интернет вещей в производстве и периферийные вычисления. Интернет вещей — это сеть подключённых устройств, которые собирают данные и обмениваются ими, главным образом через интернет. Периферийные вычисления, напротив, обрабатывают данные непосредственно в месте их получения, например на роботе или датчике, не отправляя их сначала на центральный сервер.

Когда устройства промышленного IoT (IIoT) собирают большие объёмы данных, их отправка в облачную центральную систему для анализа может приводить к задержкам (так называемой латентности) и замедлять работу. Но если использовать периферийные вычисления вместе с IoT, производители смогут обрабатывать данные мгновенно, быстрее реагировать и эффективнее автоматизировать процессы.

Наглядный пример совместного применения ИИ и IoT в производстве — предиктивное обслуживание. На умных заводах одна из основных целей Индустрии 4.0 — предвидеть отказы оборудования до того, как они произойдут.

Для этого устройства IIoT должны оставаться полностью работоспособными и надёжными. Благодаря сочетанию периферийных вычислений, ИИ и компьютерного зрения устройства могут непрерывно контролировать своё состояние, определять, когда требуется обслуживание или подзарядка, и автоматически запускать необходимые действия. Это помогает поддерживать стабильную работу машин, сокращает незапланированные простои и повышает общую эффективность.

Как автоматизация и робототехника повышают эффективность производства#

Теперь, когда мы лучше понимаем такие технологии, как ИИ, компьютерное зрение, IoT и периферийные вычисления, давай разберёмся, как они могут вместе повысить эффективность автоматизации производства.

Основная цель автоматизации — оптимизировать процессы, ускорить их, повысить надёжность и снизить вероятность ошибок, связанных с человеческим фактором. Например, на заводе по сборке бытовой электроники, такой как смартфоны, роботизированные манипуляторы с компьютерным зрением могут точно устанавливать крошечные компоненты на печатные платы.

В то же время системы компьютерного зрения на базе ИИ могут проверять каждый этап сборки и в реальном времени выявлять дефекты, например смещённые детали или некачественные паяные соединения. Датчики IoT могут параллельно отслеживать такие факторы окружающей среды, как температура, пыль и вибрация, которые влияют на качество чувствительных компонентов.

Благодаря периферийным вычислениям система может мгновенно обрабатывать эти данные и сразу же корректировать работу, например останавливать линию или перенастраивать робота, не дожидаясь ответа из облака. Вместе эти технологии позволяют создать автоматизированное производство с более быстрой, точной и гибкой производственной линией, что повышает качество продукции и снижает эксплуатационные расходы.

Как робототехника меняет будущее производства?#

Будущее промышленных роботов стремительно меняется, и важную роль в этом играют такие технологии, как ИИ для анализа изображений в производстве и IoT. С их помощью роботы могут видеть рабочие объекты, обнаруживать дефекты, проверять качество продукции и предвидеть проблемы по мере их возникновения. Многие производители уже используют такие системы, чтобы повысить эффективность и стабильность работы.

Рынок промышленной робототехники стабильно растёт благодаря постоянному совершенствованию роботов, более широкому доступу к квалифицированным инженерам, а также применению моделирования и виртуального тестирования. Эти разработки ускоряют проектирование и настройку роботов для практического использования. По мере того как всё больше заводов внедряют цифровые инструменты и автоматизацию, они становятся гибче и надёжнее, а также лучше подготовлены к будущим вызовам.

Присоединяйся к нашему сообществу и загляни в наш репозиторий на GitHub, чтобы узнать больше об ИИ. Посети страницы с нашими решениями и прочитай об ИИ в розничной торговле и компьютерном зрении в сельском хозяйстве. Ознакомься с вариантами лицензирования и начни создавать решения на основе компьютерного зрения уже сегодня!