Sự phát triển và tương lai của robot trong sản xuất

Các công việc công nghiệp thường bao gồm việc thực hiện các thao tác thể chất lặp đi lặp lại, chẳng hạn như nâng và lắp ráp các linh kiện nặng. Những loại tác vụ thủ công này có thể tiềm ẩn rủi ro. Chỉ riêng trong năm 2023, đã có 5.283 fatal work injuries được báo cáo tại Hoa Kỳ.

Tuy nhiên, với việc ngày càng sử dụng nhiều robot công nghiệp thông minh cùng các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI) và computer vision, nhiều tác vụ có rủi ro cao này hiện đang được xử lý bởi máy móc. Robot trong sản xuất giờ đây có khả năng nâng vật liệu nặng, kiểm tra thiết bị để tìm sự cố và làm việc cùng con người nhằm cải thiện độ an toàn cũng như hiệu suất trên sàn nhà xưởng.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách các robot công nghiệp đang thay đổi phương thức vận hành của các nhà máy và góp phần tạo ra những nơi làm việc an toàn và năng suất hơn. Hãy cùng bắt đầu nhé!

Robot công nghiệp là gì?#

Robot công nghiệp là những cỗ máy thông minh được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ các tác vụ manufacturing. Cụ thể, robot trong ngành sản xuất thường được chế tạo để nâng các bộ phận sản phẩm nặng, chẳng hạn như linh kiện ô tô hoặc máy bay, hoặc xử lý các tác vụ nhỏ, chi tiết với tốc độ rất nhanh, như lắp ráp mạch điện tử hay đóng gói sản phẩm.

Không giống như các robot hình người mà chúng ta thường thấy trong các bộ phim khoa học viễn tưởng như The Terminator hoặc I, Robot, robot công nghiệp thường đứng yên và được cấu tạo với một cánh tay robot đơn lẻ. Thông thường, cánh tay robot này có thể di chuyển theo nhiều hướng và được lập trình cho các công việc khác nhau trong sản xuất, chẳng hạn như hàn, lắp ráp hoặc di chuyển vật liệu.

Robot công nghiệp đặc biệt giỏi trong việc thực hiện công việc lặp đi lặp lại một cách nhanh chóng và chính xác mà không cần nghỉ ngơi, điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho các nhà máy và kho hàng. Kết quả là, hơn 4 million robots đang được sử dụng trong các nhà máy trên toàn cầu.

Các loại robot công nghiệp#

Robot trong các nhà máy đang trở nên phổ biến hơn và đảm nhận nhiều loại tác vụ. Dưới đây là một số loại robot công nghiệp khác nhau và cách chúng được sử dụng để giúp công việc tại nhà máy trở nên hiệu quả và an toàn hơn:

• Robot Cartesian: Còn được gọi là robot giàn, những robot này di chuyển dọc theo các đường thẳng bằng cách sử dụng ba khớp trượt dọc theo trục X, Y và Z. Thiết kế đơn giản của chúng cho phép đạt độ chính xác cao, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các tác vụ sản xuất và tự động hóa.

• Robot Articulated: Những robot cánh tay khớp này mô phỏng chuyển động của cánh tay người bằng cách sử dụng nhiều khớp xoay. Chúng mang lại sự linh hoạt, phạm vi chuyển động rộng và thường được sử dụng trong lắp ráp, sơn và đóng gói.

• Robot Delta: Với ba cánh tay nhẹ kết nối với một đế hình tam giác, robot delta được chế tạo để đạt tốc độ và sự nhanh nhẹn. Chúng rất phù hợp cho các hoạt động gắp và đặt (pick-and-place) tốc độ cao, đặc biệt là trong ngành đóng gói.

• Robot Polar: Là một trong những loại robot công nghiệp sớm nhất, robot polar sử dụng kết hợp các khớp xoay và khớp tuyến tính để cung cấp phạm vi chuyển động hình cầu. Chúng hữu ích cho các tác vụ đòi hỏi tầm với rộng, đa hướng.

• Robot SCARA: Viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm, robot SCARA sử dụng hai khớp xoay và một khớp tuyến tính. Chúng lý tưởng cho các tác vụ đòi hỏi chuyển động ngang và dọc nhanh, chính xác, chẳng hạn như lắp ráp điện tử và chế biến thực phẩm.

Lịch sử của ngành robot trong sản xuất#

Trước khi đi sâu vào các ví dụ cụ thể về cách robot công nghiệp đang tạo ra sự khác biệt, hãy cùng điểm qua quá trình tiến hóa của robot trong sản xuất và hiểu rõ hơn về cách ngành robot công nghiệp đã thay đổi qua nhiều năm:

• Sản xuất thời kỳ đầu (kỷ nguyên tiền robot): Trước khi có robot, sản xuất hoàn toàn dựa vào sức lao động thủ công và các công cụ cơ bản. Cách mạng Công nghiệp đã giới thiệu năng lượng hơi nước, máy móc và dây chuyền lắp ráp, giúp tăng năng suất nhưng vẫn để lại nhiều tác vụ mang tính lặp đi lặp lại, nguy hiểm hoặc đòi hỏi nhiều sức lao động.

• Sự ra đời của robot công nghiệp (thập niên 1950 - 1980): Năm 1954, George Devol đã phát minh ra Unimate, robot lập trình được đầu tiên. Đến năm 1961, General Motors đã triển khai nó cho công việc đúc khuôn và hàn, trở thành robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng. Đây là một bước chuyển mình lớn, tự động hóa các tác vụ nguy hiểm và lặp đi lặp lại, đặc biệt là trong sản xuất ô tô.

• Mở rộng và tinh chỉnh (thập niên 1990 - 2000): Robot trở nên nhanh hơn, chính xác hơn và giá thành hợp lý hơn. Việc sử dụng chúng mở rộng sang các ngành công nghiệp như điện tử, dược phẩm và chế biến thực phẩm. Tự động hóa linh hoạt giúp robot có thể xử lý nhiều tác vụ với chi phí lập trình lại tối thiểu.

• Sự trỗi dậy của robot cộng tác (thập niên 2010 - nay): Robot cộng tác, hay cobot, ra đời để làm việc an toàn bên cạnh con người. Với cảm biến tích hợp, AI và các camera systems, chúng có thể thích ứng với môi trường xung quanh và hỗ trợ các tác vụ phức tạp hoặc tinh vi.

Hình 1. Robot Unimate của George Devol. (Source)

Nhìn về tương lai, có khả năng robot công nghiệp sẽ trở nên thông minh và dễ thích nghi hơn nữa. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tích cực làm việc trên các công nghệ cho phép robot tự học hỏi, điều chỉnh theo các tình huống mới và cộng tác chặt chẽ hơn với con người theo những cách hỗ trợ và năng động.

Các ví dụ về robot công nghiệp#

Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá các ví dụ thực tế về robot trong sản xuất và cách chúng đang được sử dụng trên sàn nhà máy.

Robot công nghiệp trong sản xuất máy bay#

Aircraft manufacturing liên quan đến các quy trình phức tạp và tinh vi, đặc biệt đối với các dòng máy bay lớn như Boeing 777. Chẳng hạn, việc lắp ráp một chiếc 777 duy nhất đòi hỏi hơn 60.000 đinh tán. Theo truyền thống, công việc này cần sự tham gia của hai công nhân: một người vận hành súng bắn đinh tán và một người giữ thanh thép phía sau tấm chắn để cố định mối nối.

Những loại tác vụ này có thể gây áp lực về mặt thể chất và dẫn đến chấn thương ở cánh tay, lưng và vai. Ngoài ra, độ chính xác là yếu tố quan trọng trong sản xuất máy bay, và hầu như không có chỗ cho sai sót.

Để nâng cao các quy trình làm việc như vậy, Boeing đã áp dụng robot công nghiệp. Tại nhà máy 777 ở Everett, Washington, công ty đã giới thiệu hệ thống Fuselage Automated Upright Build (FAUB), một quy trình lắp ráp bằng robot được thiết kế để tự động hóa việc khoan và tán đinh các phần thân máy bay.

Hình 2. Robot FAUB đang làm việc trên thân máy bay của Boeing. (Source)

Sau khi được lập trình, những robot này có thể khoan hàng chục nghìn lỗ hoàn hảo cho đinh tán. Không giống như thiết lập cũ với các giàn cố định, robot FAUB có khả năng di chuyển và có thể di chuyển dọc theo các dây chuyền lắp ráp trên các phương tiện được dẫn hướng. Sau khi công nhân đặt các tấm thân máy bay vào vị trí, robot sẽ tiếp quản việc khoan và tán đinh, giúp tăng cả tốc độ và độ chính xác. Cách tiếp cận này phù hợp với những phát triển gần đây trong ngành robot, vốn đang tiếp tục thúc đẩy các giải pháp thông minh hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn trong sản xuất.

Sản xuất thực phẩm được hỗ trợ bởi robot công nghiệp#

Robot trong sản xuất cũng đang được áp dụng rộng rãi trong food industry. Ví dụ, tại nhà máy của Nestlé ở Đức, baby food production được quản lý thông qua một dây chuyền đóng gói hoàn toàn tự động. Robot đảm nhận các nhiệm vụ như di chuyển khay thực phẩm đã được làm đầy và niêm phong vào các thùng khử trùng, sau đó đưa vào bao bì để vận chuyển. Điều này giúp toàn bộ hoạt động trở nên nhanh chóng, an toàn và đáng tin cậy hơn.

Nestlé cũng sử dụng robot di động như Boston Dynamics' Spot để giám sát các vấn đề bảo trì trên khắp các cơ sở của mình. Khác với các cảm biến cố định truyền thống chỉ có thể phát hiện sự cố ở các khu vực cụ thể, Spot có thể di chuyển tự do xung quanh nhà máy. Khái niệm tự động hóa linh hoạt, di động này là một xu hướng đang phát triển trong ngành robot.

Spot có thể leo cầu thang, di chuyển trong không gian chật hẹp và xử lý các mặt sàn không bằng phẳng. Nó được trang bị các cảm biến đặc biệt giúp kiểm tra máy móc nhà máy như động cơ và máy nén để phát hiện nhiệt độ, tiếng ồn hoặc các dấu hiệu cảnh báo khác. Spot cũng có thể dễ dàng phát hiện sớm các vấn đề, giúp sửa chữa các sự cố trước khi chúng trở nên nghiêm trọng.

Hình 3. Spot, một robot công nghiệp, đang kiểm tra cơ sở sản xuất thực phẩm. (Source)

Sản xuất ô tô với sự trợ giúp của robot công nghiệp#

Robot công nghiệp từ lâu đã là một phần cốt lõi trong sản xuất ô tô. Trên thực tế, 33% tổng số industrial robot installations tại Mỹ thuộc về ngành công nghiệp ô tô.

Một ví dụ thú vị về điều này là nhà máy Spartanburg của BMW vào năm 2013. Tại cơ sở này, con người và robot đã làm việc cạnh nhau trên dây chuyền lắp ráp cửa mà không cần rào chắn an toàn, khiến đây trở thành cơ sở BMW đầu tiên sử dụng hình thức hợp tác trực tiếp giữa người và robot trong sản xuất thường nhật.

Bốn robot được sử dụng để lắp đặt lớp cách âm và chống ẩm bên trong cửa của các mẫu xe BMW X3. Công nhân trước tiên đặt và ấn nhẹ lớp lá keo vào vị trí, sau đó các robot sẽ tiếp quản, sử dụng đầu con lăn để hoàn thành công việc với độ chính xác cao.

Hệ thống này hoàn toàn tự động và có thể đo chính xác áp lực tác động trong quá trình thực hiện, cho phép giám sát chất lượng liên tục. Nếu công việc của robot bị gián đoạn, một công nhân có thể dễ dàng can thiệp và hoàn thành tác vụ theo cách thủ công, giúp việc sản xuất tiếp tục mà không bị trì hoãn.

Hình 4. Robot làm việc cùng công nhân tại nhà máy sản xuất ô tô. (Source)

Lợi ích của robot trong sản xuất#

Tiếp theo, hãy cùng xem xét kỹ hơn một số lợi ích chính của việc sử dụng robot trong sản xuất.

• Độ chính xác: Robot công nghiệp mang lại mức độ chính xác và tốc độ cao. Một số loại có khả năng thực hiện các tác vụ với độ chính xác đến từng micrômét.

• Độ tin cậy: Với tuổi thọ lên tới 100.000 giờ mà không gặp sự cố, robot công nghiệp có thể vận hành trong thời gian dài mà không bị gián đoạn.

• Nâng cao an toàn tại nơi làm việc: Robot cũng xử lý các tác vụ nguy hiểm, chẳng hạn như làm việc trong không gian chật hẹp hoặc xung quanh các vật liệu độc hại, giúp giảm 35% workdays lost do chấn thương.

• Thúc đẩy năng suất: Không giống như con người, robot không cần nghỉ giải lao, nghỉ phép hay nghỉ ngơi. Chúng có thể làm việc suốt ngày đêm, điều này có thể thúc đẩy năng suất một cách đáng kể.

• Hiệu quả chi phí: Mặc dù việc mua và lắp đặt các robot này có thể tốn kém lúc ban đầu, nhưng chúng mang lại những khoản tiết kiệm đáng kể theo thời gian. Chúng giúp giảm chi phí lao động, giảm các lỗi tiềm ẩn và cắt giảm các khoản chi phí liên quan đến chấn thương.

• Khả năng mở rộng: Sau khi robot được thiết lập, nhà sản xuất có thể tăng sản lượng dễ dàng hơn mà không cần thuê thêm công nhân hay thực hiện những thay đổi lớn. Điều này có nghĩa là nhà sản xuất có thể phản ứng nhanh chóng với nhu cầu ngày càng tăng và duy trì sự linh hoạt trong một thị trường đang thay đổi.

Thách thức và hạn chế của robot trong sản xuất#

Mặc dù robot công nghiệp mang lại nhiều ưu điểm, chúng cũng đi kèm với một số thách thức, đặc biệt là liên quan đến chuyên môn và bảo trì. Những robot trong nhà máy này đòi hỏi các chuyên gia có tay nghề để lập trình, vận hành và bảo trì chúng.

Mặc dù nhiều robot trong các trường hợp sử dụng công nghiệp ngày nay sử dụng AI và machine learning, chúng vẫn cần được bảo dưỡng thường xuyên để ngăn ngừa hỏng hóc. Nếu một đội ngũ sản xuất chưa có sẵn kiến thức này, việc đào tạo nhân viên có thể tốn kém và mất nhiều thời gian.

Đáng chú ý, giải pháp cho những thách thức này cũng xuất hiện dưới dạng vision AI, cụ thể hơn là computer vision, một nhánh của AI tập trung vào việc hiểu dữ liệu trực quan. Ví dụ, các computer vision models như Ultralytics YOLO11 có thể được huấn luyện để phát hiện và theo dõi robot công nghiệp. Những thông tin chi tiết từ việc theo dõi các robot này bằng YOLO11 có thể được sử dụng để phát hiện sớm các sự cố (được gọi là bảo trì dự đoán). Điều này làm giảm nhu cầu giám sát chuyên môn và hạn chế các sự cố hỏng hóc bất ngờ.

Ngoài ra, thị giác máy tính cũng có thể hỗ trợ việc tạo ra các bản sao kỹ thuật số (digital twins) theo thời gian thực. Bản sao kỹ thuật số là các mô hình ảo của máy móc và robot vật lý, được xây dựng bằng cách sử dụng dữ liệu hình ảnh thu thập được từ môi trường sản xuất.

Bản sao kỹ thuật số cho phép nhà sản xuất giám sát thiết bị theo thời gian thực, xác định các vấn đề trước khi chúng gây ra sự gián đoạn và thử nghiệm các cải tiến quy trình mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất thực tế. Công nghệ này thúc đẩy hiệu suất nhất quán hơn, cải thiện việc ra quyết định và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động tốn kém.

Công nghệ trí tuệ nhân tạo và machine learning#

Khi thảo luận về những thách thức khi sử dụng robot công nghiệp, chúng ta thấy rằng nhiều robot hiện được hỗ trợ bởi AI và machine learning. Nhưng điều này thực sự hoạt động như thế nào và AI’s role in robotics là gì?

Robot công nghiệp truyền thống chỉ giới hạn ở các tác vụ cố định, lặp đi lặp lại. Chúng tuân theo các hướng dẫn được lập trình sẵn và không thể dễ dàng thích nghi với những thay đổi trên dây chuyền sản xuất. Điều này khiến chúng kém hiệu quả hơn trong các môi trường mà sự linh hoạt, tốc độ và độ chính xác là yếu tố thiết yếu.

Nếu không có AI, robot không thể phát hiện lỗi sản phẩm theo thời gian thực hoặc điều chỉnh trước các biến động nhỏ về vật liệu hoặc vị trí, điều thường dẫn đến quy trình chậm hơn, nhiều lỗi hơn và tăng thời gian ngừng hoạt động. AI in manufacturing đang cho phép robot vượt qua các tác vụ đơn giản, được lập trình sẵn.

Cụ thể, với machine learning trong sản xuất, robot có thể phân tích dữ liệu từ môi trường của chúng, nhận diện các mẫu và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Ví dụ, một vision-enabled robot có thể nhận dạng các đối tượng khác nhau trên dây chuyền lắp ráp, điều chỉnh chuyển động dựa trên những gì nó nhìn thấy, thậm chí phát hiện các lỗi hoặc điểm bất thường theo thời gian thực. Đằng sau hậu trường, computer vision chính là động lực thúc đẩy sự đổi mới này.

Thông thường, một robot hỗ trợ thị giác được trang bị cơ sở hạ tầng phần cứng cần thiết để chạy các computer vision models như Ultralytics YOLO11. Khi được tích hợp với camera và computer vision, robot sẽ có được các năng lực của mô hình cơ sở. Trong trường hợp của YOLO11, điều này có nghĩa là robot có thể thực hiện computer vision tasks như object detection, tracking và segmentation.

Tác động của Internet vạn vật (IoT)#

Một vài khái niệm khác liên quan đến robot công nghiệp là IoT trong sản xuất và edge computing. IoT đề cập đến một mạng lưới các thiết bị được kết nối để thu thập và chia sẻ dữ liệu (chủ yếu qua internet). Mặt khác, edge computing xử lý dữ liệu ngay tại nguồn, chẳng hạn như robot hoặc cảm biến, mà không cần phải gửi toàn bộ dữ liệu đến máy chủ trung tâm trước.

Khi các thiết bị IoT công nghiệp (IIoT) thu thập lượng dữ liệu lớn, việc gửi dữ liệu đó đến một hệ thống trung tâm trên đám mây để phân tích có thể gây ra độ trễ và làm chậm mọi thứ. Nhưng bằng cách sử dụng edge computing cùng với IoT, nhà sản xuất có thể xử lý dữ liệu ngay lập tức, giúp phản hồi theo thời gian thực và thúc đẩy tự động hóa.

Một ví dụ rõ ràng về sự kết hợp giữa AI và IoT trong sản xuất là bảo trì dự đoán. Trong các smart factories, một trong những mục tiêu chính của Công nghiệp 4.0 là dự đoán các hỏng hóc thiết bị trước khi chúng xảy ra.

Để đạt được điều này, các thiết bị IIoT phải duy trì chức năng và độ tin cậy hoàn toàn. Bằng cách kết hợp edge computing, AI và thị giác máy tính, các thiết bị này có thể liên tục theo dõi tình trạng của chính chúng, phát hiện khi nào cần bảo trì hoặc sạc lại và tự động kích hoạt các hành động cần thiết. Điều này giúp máy móc vận hành trơn tru, giảm thời gian ngừng hoạt động không theo kế hoạch và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Cách tự động hóa và robot cải thiện hiệu quả sản xuất#

Bây giờ chúng ta đã hiểu rõ hơn về các công nghệ như AI, thị giác máy tính, IoT và edge computing, hãy cùng khám phá cách chúng có thể hoạt động cùng nhau để làm cho tự động hóa sản xuất trở nên hiệu quả hơn.

Mục tiêu chính của tự động hóa là tối ưu hóa các quy trình và làm cho chúng nhanh hơn, đáng tin cậy hơn, ít xảy ra lỗi do con người hơn. Lấy ví dụ, một nhà máy lắp ráp các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh. Vision-enabled robotic arms có thể xử lý tác vụ tinh tế là đặt các linh kiện nhỏ lên bảng mạch với độ chính xác cao.

Đồng thời, các hệ thống thị giác hỗ trợ bởi AI có thể kiểm tra từng bước lắp ráp, nhận diện các lỗi như linh kiện bị lệch hoặc mối hàn lỗi theo thời gian thực. Trong khi đó, các cảm biến IoT có thể giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, bụi và độ rung, những yếu tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng của các thành phần nhạy cảm.

Với edge computing, hệ thống có thể xử lý ngay lập tức dữ liệu này và thực hiện các điều chỉnh tại chỗ, chẳng hạn như tạm dừng dây chuyền hoặc hiệu chỉnh lại robot, mà không cần chờ phản hồi dựa trên đám mây. Cùng với nhau, automated manufacturing có thể tạo ra một dây chuyền sản xuất nhanh hơn, chính xác hơn và có khả năng thích ứng cao, mang lại chất lượng sản phẩm cao hơn và chi phí vận hành thấp hơn.

Robot đang thay đổi tương lai của sản xuất như thế nào?#

The future of industrial robots đang tiến triển rất nhanh, với các công nghệ như vision AI trong sản xuất và IoT đóng vai trò chủ đạo. Với các công cụ này, robot có thể nhìn thấy những gì chúng đang làm việc, phát hiện lỗi, kiểm tra chất lượng sản phẩm và dự đoán các sự cố ngay khi chúng xảy ra. Nhiều nhà sản xuất đã và đang sử dụng các hệ thống này để làm cho hoạt động của họ hiệu quả và đồng nhất hơn.

Thị trường robot công nghiệp đã tăng trưởng đều đặn, và sự tăng trưởng này đến từ những cải tiến không ngừng trong công nghệ robot, khả năng tiếp cận kỹ sư lành nghề dễ dàng hơn, cũng như việc sử dụng mô phỏng và thử nghiệm ảo. Những phát triển này giúp việc thiết kế và tinh chỉnh robot cho mục đích sử dụng thực tế nhanh hơn. Khi ngày càng có nhiều nhà máy áp dụng các công cụ kỹ thuật số và tự động hóa, họ đang trở nên linh hoạt hơn, đáng tin cậy hơn và sẵn sàng đối mặt với những thách thức trong tương lai.

Tham gia community và GitHub repository của chúng tôi để khám phá thêm về AI. Hãy xem các trang giải pháp của chúng tôi để đọc về AI in retail và computer vision in agriculture. Khám phá các tùy chọn our licensing của chúng tôi và bắt đầu xây dựng ứng dụng với computer vision ngay hôm nay!