Sự phát triển và tương lai của robotics trong sản xuất

Các công việc công nghiệp thường bao gồm việc lặp đi lặp lại những tác vụ thể chất giống nhau, chẳng hạn như nâng và lắp ráp các bộ phận nặng. Những tác vụ thủ công này có thể tiềm ẩn rủi ro. Riêng tại Hoa Kỳ, năm 2023 đã ghi nhận 5.283 ca chấn thương lao động gây tử vong.

Tuy nhiên, với việc ngày càng sử dụng nhiều robot công nghiệp thông minh và các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy tính, nhiều tác vụ có rủi ro cao hiện đã được máy móc xử lý. Robot trong sản xuất hiện có thể nâng vật liệu nặng, kiểm tra thiết bị để phát hiện vấn đề và làm việc cùng con người nhằm cải thiện an toàn cũng như hiệu suất trên sàn nhà máy.

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

Robot công nghiệp là gì?#

Robot công nghiệp là những máy móc thông minh được thiết kế chuyên biệt để hỗ trợ các tác vụ sản xuất. Cụ thể, robot trong 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 thật nhanh các tác vụ nhỏ, đòi hỏi độ tỉ mỉ, như lắp ráp mạch điện tử hoặc đóng gói sản phẩm.

Khác với robot hình người thường xuất hiện trong các bộ phim khoa học viễn tưởng như The Terminator hoặc I, Robot, robot công nghiệp nhìn chung đứng cố định và được chế tạo với một cánh tay robot duy nhất. Thông thường, cánh tay robot này có thể di chuyển theo nhiều hướng và được lập trình cho các công việc sản xuất khác nhau, chẳng hạn như hàn, lắp ráp hoặc vận chuyển vật liệu.

Robot công nghiệp đặc biệt giỏi thực hiện các công việc lặp đi lặp lại một cách nhanh chóng và chính xác mà không cần nghỉ, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong nhà máy và kho hàng. Vì vậy, hơn 4 triệu robot đang được sử dụng trong các nhà máy trên toàn cầu.

Các loại robot công nghiệp#

Robot trong nhà máy ngày càng phổ biến và đảm nhiệm nhiều loại tác vụ. Dưới đây là một số loại robot công nghiệp và cách chúng được sử dụng để giúp công việc trong nhà máy hiệu quả, an toàn hơn:

• Robot Cartesian: Còn được gọi là robot gantry, các robot này di chuyển theo đường thẳng bằng ba khớp trượt dọc theo các trục X, Y và Z. Thiết kế đơn giản giúp chúng đạt độ chính xác cao, phù hợp với các tác vụ sản xuất và tự động hóa.

• Robot khớp nối: Những robot có cánh tay khớp nối này mô phỏng chuyển động của cánh tay người bằng nhiều khớp quay. Chúng mang lại tính 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 được nối với một đế hình tam giác, robot Delta được chế tạo để đạt tốc độ và độ linh hoạt cao. Chúng rất phù hợp với các tác vụ gắp và đặt tốc độ cao, đặc biệt trong ngành đóng gói.

• Robot cực: Là một trong những loại robot công nghiệp đầu tiên, robot cực sử dụng kết hợp các khớp quay và khớp tịnh tiến để tạo ra phạm vi chuyển động hình cầu. Chúng hữu ích cho các tác vụ yêu cầu tầm với rộng và đa hướng.

• Robot SCARA: Là viết tắt của Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ chọn lọc, robot SCARA sử dụng hai khớp quay và một khớp tịnh tiến. Chúng lý tưởng cho các tác vụ yêu cầu chuyển động ngang và dọc nhanh, chính xác, chẳng hạn như lắp ráp thiết bị điện tử và chế biến thực phẩm.

Lịch sử của robot trong sản xuất#

Trước khi đi vào các ví dụ cụ thể về cách robot công nghiệp tạo ra khác biệt, hãy cùng xem xét sự phát triển của robot trong sản xuất và hiểu rõ hơn về những thay đổi của ngành robot công nghiệp qua nhiều năm:

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

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

• Mở rộng và hoàn thiện (thập niên 1990 - 2000): Robot trở nên nhanh hơn, chính xác hơn và có chi phí phải chăng hơn. Việc sử dụng robot mở rộng sang các ngành 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 số lần lập trình lại tối thiểu.

• Sự phát triển của robot cộng tác (từ thập niên 2010 đến nay): Robot cộng tác, hay cobot, xuất hiện để làm việc an toàn bên cạnh con người. Với cảm biến tích hợp, AI và hệ thống camera, chúng có thể thích ứng với môi trường và hỗ trợ các tác vụ phức tạp hoặc đòi hỏi sự tinh tế.

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

Trong tương lai, nhiều khả năng robot công nghiệp sẽ còn thông minh và dễ thích ứng hơn nữa. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tích cực phát triển những công nghệ cho phép robot học hỏi, điều chỉnh theo tình huống mới và cộng tác chặt chẽ hơn với con người theo những cách hỗ trợ và linh hoạt.

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 được sử dụng trên sàn nhà máy.

Robot công nghiệp trong sản xuất máy bay#

Sản xuất máy bay bao gồm các quy trình phức tạp và đòi hỏi sự tỉ mỉ, đặc biệt với các máy bay lớn như Boeing 777. Chẳng hạn, để lắp ráp một chiếc 777 cần hơn 60.000 đinh tán. Theo phương pháp truyền thống, công việc này cần hai công nhân: một người vận hành súng bắn đinh tán và người còn lại giữ một thanh thép phía sau tấm panel để cố định mối ghép.

Những tác vụ này có thể đòi hỏi nhiều sức lực và gây chấn thương ở tay, lưng và vai. Bên cạnh đó, độ chính xác là yếu tố then chốt trong sản xuất máy bay, nên sai sót gần như không được phép xảy ra.

Để cải tiến các quy trình này, Boeing đã áp dụng robot công nghiệp. Tại nhà máy sản xuất 777 ở Everett, Washington, công ty đã đưa vào sử dụng hệ thống Lắp dựng thân máy bay tự động theo phương đứng (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 Boeing. (Nguồn)

Sau khi được lập trình, những robot này có thể khoan hàng chục nghìn lỗ hoàn hảo để lắp đinh tán. Khác với hệ thống trước đây sử dụng các giàn cố định, robot FAUB có thể di chuyển và chạy dọc dây chuyền lắp ráp trên các phương tiện dẫn hướng. Sau khi công nhân định vị các tấm thân máy bay, robot sẽ tiếp quản việc khoan và tán đinh, giúp tăng cả tốc độ lẫn độ chính xác. Cách tiếp cận này phù hợp với những tiến bộ gần đây trong ngành robot, nơi vẫn không ngừng hướng tới các giải pháp sản xuất thông minh hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn.

Sản xuất thực phẩm với sự hỗ trợ của robot công nghiệp#

Robot trong sản xuất cũng đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm. Chẳng hạn, tại nhà máy Nestlé ở Đức, sản xuất thức ăn trẻ em được quản lý thông qua một dây chuyền đóng gói hoàn toàn tự động. Robot thực hiện các tác vụ như chuyển các khay thực phẩm đã được đổ đầy và niêm phong vào thùng tiệt trùng, sau đó đưa vào bao bì để vận chuyển. Nhờ đó, toàn bộ hoạt động trở nên nhanh hơn, an toàn hơn và đáng tin cậy hơn.

Nestlé cũng sử dụng các robot di động như Spot của Boston Dynamics để giám sát các vấn đề bảo trì tại các cơ sở của mình. Khác với các cảm biến cố định truyền thống, vốn chỉ có thể phát hiện vấn đề tại những khu vực cụ thể, Spot có thể tự do di chuyển quanh nhà máy. Tự động hóa di động, linh hoạt như vậy đang là một xu hướng ngày càng phát triển trong ngành robot.

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

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

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

Robot công nghiệp từ lâu đã là một phần quan trọng trong sản xuất ô tô. Trên thực tế, 33% tổng số robot công nghiệp được lắp đặt tại Hoa Kỳ nằm trong ngành ô tô.

Một ví dụ đáng chú ý là nhà máy Spartanburg của BMW vào năm 2013. Tại cơ sở này, con người và robot làm việc cạnh nhau trên dây chuyền lắp ráp cửa mà không có hàng rào an toàn, trở thành cơ sở BMW đầu tiên sử dụng hình thức cộng tác trực tiếp giữa người và robot trong hoạt động sản xuất thường nhật.

Bốn robot được sử dụng để lắp vật liệu cách âm và cách ẩm bên trong cửa của các mẫu BMW X3. Trước tiên, công nhân đặt và ấn nhẹ lớp lá foil kết dính vào đúng vị trí, sau đó robot tiếp quản, sử dụng các đầu con lăn để hoàn tất công việc với độ chính xác cao.

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

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

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 và độ chuẩn xác: Robot công nghiệp mang lại mức độ chính xác và tốc độ cao. Một số robot có khả năng thực hiện tác vụ với độ chính xác đến từng micromet.

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

• Tăng cường an toàn nơi làm việc: Robot cũng đảm nhiệm các tác vụ nguy hiểm, chẳng hạn như làm việc trong không gian hạn chế hoặc xung quanh vật liệu nguy hại, góp phần giảm 35% số ngày công bị mất do chấn thương.

• Tăng năng suất: Khác với con người, robot không cần nghỉ giải lao, nghỉ ngày hay nghỉ ngơi. Chúng có thể làm việc liên tục, nhờ đó tăng đáng kể năng suất.

• Hiệu quả chi phí: Mặc dù việc mua và lắp đặt robot có thể tốn kém ban đầu, chúng mang lại khoản tiết kiệm đáng kể theo thời gian. Robot giúp giảm chi phí lao động, hạn chế sai sót và cắt giảm các khoản chi liên quan đến chấn thương.

• Khả năng mở rộng: Sau khi được thiết lập, robot cho phép nhà sản xuất tăng sản lượng dễ dàng hơn mà không cần tuyển thêm công nhân hoặc thực hiện những thay đổi lớn. Điều này giúp nhà sản xuất nhanh chóng đáp ứng nhu cầu tăng cao và duy trì tính linh hoạt trong thị trường biến động.

Thách thức và hạn chế của robot trong sản xuất#

Mặc dù robot công nghiệp mang lại nhiều lợi thế, chúng cũng đi kèm một số thách thức, đặc biệt liên quan đến chuyên môn và bảo trì. Robot trong nhà máy cần các chuyên gia có kỹ năng để lập trình, vận hành và bảo trì.

Mặc dù nhiều robot trong các ứng dụng công nghiệp hiện nay sử dụng trí tuệ nhân tạo và machine learning, chúng vẫn cần được bảo dưỡng định kỳ để ngăn ngừa sự cố. Nếu đội ngũ sản xuất chưa có sẵn kiến thức này, việc đào tạo nhân viên có thể vừa tốn kém vừa mất thời gian.

Điều thú vị là giải pháp cho những thách thức này cũng đến từ vision AI, cụ thể hơn là thị giác máy tính, một nhánh của AI tập trung vào việc hiểu dữ liệu trực quan. Chẳng hạn, các model thị giác máy tính như Ultralytics YOLO11 có thể được huấn luyện để phát hiện và theo dõi robot công nghiệp. Thông tin thu được từ việc theo dõi các robot này bằng YOLO11 có thể được sử dụng để phát hiện sớm vấn đề, còn gọi là bảo trì dự đoán. Điều này làm giảm nhu cầu giám sát của chuyên gia và hạn chế các sự cố bất ngờ.

Ngoài ra, thị giác máy tính cũng có thể hỗ trợ xây dựng digital twin theo thời gian thực. Digital twin là các model ảo của máy móc và robot vật lý, được xây dựng bằng dữ liệu trực quan thu thập từ môi trường sản xuất.

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

Công nghệ trí tuệ nhân tạo và machine learning#

Khi thảo luận về những thách thức trong việc sử dụng robot công nghiệp, chúng ta đã thấy nhiều robot hiện được vận hành bằng AI và machine learning. Nhưng điều này thực sự hoạt động như thế nào, và AI đóng vai trò gì trong robot?

Robot công nghiệp truyền thống bị giới hạn ở các tác vụ cố định, lặp đi lặp lại. Chúng tuân theo các chỉ dẫn được lập trình trước và không dễ thích ứng với những thay đổi trên dây chuyền sản xuất. Điều này khiến chúng kém hiệu quả hơn trong các môi trường mà tính 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 theo những khác biệt nhỏ về vật liệu hay vị trí, thường dẫn đến quy trình chậm hơn, nhiều lỗi hơn và thời gian ngừng hoạt động tăng. AI trong sản xuất đang cho phép robot vượt ra ngoài các tác vụ đơn giản được lập trình trước.

Cụ thể, với machine learning trong sản xuất, robot có thể phân tích dữ liệu từ môi trường, nhận dạng mẫu và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Chẳng hạn, một robot được hỗ trợ bởi thị giác máy tính có thể nhận diện các vật thể khác nhau trên dây chuyền lắp ráp, điều chỉnh chuyển động dựa trên những gì quan sát được và thậm chí phát hiện lỗi hoặc bất thường theo thời gian thực. Đằng sau đó, thị giác máy tính là động lực chính của đổi mới này.

Thông thường, robot được hỗ trợ bởi thị giác máy tính được trang bị hạ tầng phần cứng cần thiết để chạy các model thị giác máy tính như Ultralytics YOLO11. Khi được tích hợp với camera và thị giác máy tính, robot có được các khả năng của model nền tảng. Với YOLO11, điều này có nghĩa là robot có thể thực hiện các tác vụ thị giác máy tính như phát hiện, theo dõi và phân đoạn đối tượng.

Tác động của Internet vạn vật (IoT)#

Hai khái niệm khác liên quan đến robot công nghiệp là IoT trong sản xuất và điện toán biên. IoT đề cập đến một mạng lưới các thiết bị được kết nối, có khả năng thu thập và chia sẻ dữ liệu, chủ yếu qua internet. Mặt khác, điện toán biên xử lý dữ liệu ngay tại nguồn, chẳng hạn như robot hoặc cảm biến, mà không cần gửi toàn bộ dữ liệu đến server trung tâm trước.

Khi các thiết bị IoT công nghiệp (IIoT) thu thập lượng dữ liệu lớn, việc gửi dữ liệu đến hệ thống trung tâm trên cloud để phân tích có thể gây ra độ trễ và làm chậm quy trình. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng điện toán biên cùng IoT, nhà sản xuất có thể xử lý dữ liệu ngay lập tức, từ đó tạo ra 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 nhà máy thông minh, một trong những mục tiêu chính của Công nghiệp 4.0 là dự đoán sự cố thiết bị trước khi chúng xảy ra.

Để đạt được điều này, các thiết bị IIoT phải luôn hoạt động đầy đủ chức năng và đáng tin cậy. Bằng cách kết hợp điện toán biên, AI và thị giác máy tính, các thiết bị này có thể liên tục giám sát tình trạng của chính mình, 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 ổn định, giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Tự động hóa và robot cải thiện hiệu suất sản xuất như thế nào#

Giờ đây, khi đã hiểu rõ hơn về các công nghệ như AI, thị giác máy tính, IoT và điện toán biên, hãy cùng khám phá cách chúng có thể phối hợp để giúp tự động hóa sản xuất hiệu quả hơn.

Mục tiêu chính của tự động hóa là tinh gọn quy trình và làm cho quy trình nhanh hơn, đáng tin cậy hơn, đồng thời ít phụ thuộc vào sai sót của con người hơn. Ví dụ, hãy xét một nhà máy lắp ráp các thiết bị điện tử tiêu dùng như smartphone. Cánh tay robot được hỗ trợ bởi thị giác máy tính có thể xử lý công việc tinh tế là đặt các linh kiện nhỏ lên bảng mạch với độ chính xác cao.

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

Với điện toán biên, hệ thống có thể xử lý ngay dữ liệu này và thực hiện điều chỉnh tại chỗ, chẳng hạn như tạm dừng dây chuyền hoặc hiệu chuẩn lại robot, mà không cần chờ phản hồi từ cloud. Kết hợp lại, sản xuất tự động có thể tạo ra dây chuyền nhanh hơn, chính xác hơn và có khả năng thích ứng cao, mang lại chất lượng sản phẩm cao hơn cùng chi phí vận hành thấp hơn.

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

Tương lai của robot công nghiệp đang phát triển nhanh chóng, trong đó các công nghệ như vision AI trong sản xuất và IoT đóng vai trò quan trọng. Với những công cụ này, robot có thể quan sát đối tượng đang thao tác, phát hiện lỗi, kiểm tra chất lượng sản phẩm và dự đoán vấn đề ngay khi chúng xảy ra. Nhiều nhà sản xuất đã sử dụng các hệ thống này để giúp hoạt động của họ hiệu quả và nhất quán hơn.

Thị trường robot công nghiệp đang tăng trưởng ổn định, nhờ những cải tiến liên tục trong lĩnh vực robot, khả năng tiếp cận các kỹ sư có kỹ năng dễ dàng hơn và việc sử dụng mô phỏng cũng như kiểm thử ảo. Những phát triển này giúp thiết kế và tinh chỉnh robot cho việc sử dụng trong thực tế nhanh hơn. Khi ngày càng nhiều nhà máy áp dụng các công cụ kỹ thuật số và tự động hóa, chúng trở nên linh hoạt, đáng tin cậy hơn và sẵn sàng xử lý những thách thức trong tương lai.

Tham gia cộng đồng và kho lưu trữ GitHub của chúng tôi để tìm hiểu thêm về AI. Truy cập các trang giải pháp để đọc về AI trong bán lẻ và thị giác máy tính trong nông nghiệp. Khám phá các tùy chọn cấp phép của chúng tôi và bắt đầu xây dựng với thị giác máy tính ngay hôm nay!