Sự phát triển và tương lai của robot trong ngành sản xuất

Công việc trong ngành công nghiệp thường bao gồm việc lặp đi lặp lại cùng một thao tác thể chất, chẳng hạn như nâng và lắp ráp các bộ phận nặng. Những công việc 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 ứng dụng rộng rãi robot công nghiệp thông minh và các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy tính, nhiều công việc có rủi ro cao hiện đã được máy móc đảm nhận. Robot trong ngành sản xuất hiện có thể nâng vật liệu nặng, kiểm tra thiết bị để phát hiện sự cố và làm việc bên cạnh con người nhằm cải thiện độ an toàn và hiệu quả trên sàn nhà máy.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách robot công nghiệp đang thay đổi hoạt động của nhà máy và góp phần tạo ra nơi làm việc an toàn, năng suất hơn.

Robot công nghiệp là gì?#

Robot công nghiệp là những máy móc thông minh được thiết kế chuyên biệt để hỗ trợ các công việc sản xuất. 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 thật nhanh các công việc nhỏ, đòi hỏi độ tỉ mỉ cao như lắp ráp mạch điện tử hay đóng gói sản phẩm.

Không giống những robot hình người thường thấy trong các bộ phim khoa học viễn tưởng như The Terminator hay I, Robot, robot công nghiệp thường được cố định tại chỗ và cấu tạo với một cánh tay robot duy nhất. Cánh tay robot này thường có thể di chuyển theo nhiều hướng và được lập trình để thực hiện các công việc sản xuất khác nhau, chẳng hạn như hàn, lắp ráp hoặc di chuyển vật liệu.

Robot công nghiệp đặc biệt giỏi thực hiện công việc lặp đi lặp lại một cách nhanh chóng và chính xác mà không cần nghỉ, nhờ đó rất phù hợp để sử dụng trong nhà máy và nhà kho. Vì vậy, hiện có hơn 4 triệu robot được sử dụng tại các nhà máy trên toàn cầu.

Các loại robot công nghiệp#

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

• Robot Cartesian: Còn được gọi là robot giàn, loại robot này di chuyển theo đường thẳng nhờ ba khớp trượt dọc theo các trục X, Y và Z. Thiết kế đơn giản giúp robot đạt độ chính xác cao, phù hợp với các công việc 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 linh hoạt, có phạm vi chuyển động rộng và thường được dùng trong lắp ráp, sơn và đóng gói.
• Robot Delta: Với ba cánh tay nhẹ nối với một đế hình tam giác, robot Delta được thiết kế để đạt tốc độ và sự linh hoạt cao. Loại robot này rất phù hợp với các thao tác gắp và đặt tốc độ cao, đặc biệt trong ngành đóng gói.
• Robot cực: Là một trong những loại robot công nghiệp xuất hiện sớm nhất, robot cực kết hợp các khớp quay và khớp tịnh tiến để tạo phạm vi chuyển động hình cầu. Chúng hữu ích trong các công việc đòi hỏi tầm với rộng theo nhiều hướng.
• Robot SCARA: Tên SCARA là viết tắt của Cánh tay robot lắp ráp có khả năng tuân thủ chọn lọc. Robot SCARA sử dụng hai khớp quay và một khớp tịnh tiến. Chúng phù hợp với các công việc đòi hỏi chuyển động ngang và dọc nhanh, chính xác, chẳng hạn như lắp ráp thiết bị điện tử và chế biến thực phẩm.

Lịch sử robot học trong ngành sản xuất#

Trước khi xem các ví dụ cụ thể về tác động của robot công nghiệp, hãy cùng tìm hiểu quá trình phát triển của robot trong ngành sản xuất để hiểu rõ hơn lĩnh vực robot công nghiệp đã thay đổi ra sao trong những năm qua:

• Giai đoạn sản xuất ban đầu (trước thời kỳ robot): Trước khi có robot, ngành 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 để lại nhiều công việc lặp đi lặp lại, nguy hiểm hoặc đòi hỏi nhiều sức lao động.
• Robot công nghiệp ra đời (những năm 1950–1980): Năm 1954, George Devol phát minh Unimate, robot đầu tiên có thể lập trình. Đến năm 1961, General Motors đưa robot này vào ứng dụng trong đúc khuôn và hàn, biến nó thành robot công nghiệp đầu tiên được sử dụng. Đây là bước chuyển đổi lớn, giúp tự động hóa các công việc nguy hiểm và lặp đi lặp lại, đặc biệt trong ngành sản xuất ô tô.
• Mở rộng và hoàn thiện (những năm 1990–2000): Robot ngày càng nhanh, chính xác và có giá 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 đảm nhận nhiều công việc mà chỉ cần lập trình lại ở mức tối thiểu.
• Robot cộng tác phát triển (từ những năm 2010 đến nay): Robot cộng tác, hay cobot, xuất hiện để làm việc an toàn bên cạnh con người. Được tích hợp sẵn cảm biến, AI và hệ thống camera, chúng có thể thích nghi với môi trường và hỗ trợ các công việc phức tạp hoặc đòi hỏi sự khéo léo.

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

Trong tương lai, robot công nghiệp nhiều khả năng sẽ ngày càng thông minh và dễ thích nghi hơn. 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.

Ví dụ về robot công nghiệp#

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

Robot công nghiệp trong ngành sản xuất máy bay#

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

Những công việc như vậy có thể đòi hỏi nhiều sức lực và gây chấn thương ở tay, lưng và vai. Ngoài ra, độ chính xác rất quan trọng trong sản xuất máy bay và sai sót hầu như không được phép xảy ra.

Để cải thiện quy trình làm việc này, Boeing đã ứng dụng robot công nghiệp. Tại nhà máy lắp ráp 777 ở Everett, Washington, công ty đã đưa vào sử dụng hệ thống Lắp dựng thân máy bay tự động (FAUB), một quy trình lắp ráp bằng robot được thiết kế để tự động hóa việc khoan và tán đinh các đoạn thân máy bay.

Hình 2. Robot FAUB làm việc trên thân máy bay Boeing. (Nguồn)

Sau khi được lập trình, những robot này có thể khoan hàng chục nghìn lỗ chính xác để lắp đinh tán. Không giống hệ thống cũ sử dụng giàn cố định, robot FAUB có thể di chuyển dọc theo dây chuyền lắp ráp trên các phương tiện dẫn hướng. Sau khi công nhân định vị các tấm thân máy bay, robot đảm nhiệm 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 của ngành robot, vốn tiếp tục hướng đến các giải pháp thông minh, an toàn và hiệu quả hơn trong sản xuất.

Robot công nghiệp hỗ trợ sản xuất thực phẩm#

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

Nestlé cũng sử dụng robot di động như Spot của Boston Dynamics để giám sát các vấn đề bảo trì tại cơ sở của công ty. Không giống các cảm biến cố định truyền thống chỉ có thể phát hiện sự cố ở 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 xu hướng phát triển trong ngành robot học.

Spot có thể leo cầu thang, di chuyển trong không gian chật hẹp và đi trên sàn gồ ghề. Robot được trang bị các cảm biến chuyên dụng giúp kiểm tra máy móc nhà máy như động cơ và máy nén để phát hiện nhiệt độ cao, tiếng ồn hoặc các dấu hiệu cảnh báo khác. Spot cũng có thể dễ dàng phát hiện sớm sự cố, giúp xử lý vấn đề trước khi chúng trở nên nghiêm trọng.

Hình 3. Spot, 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 luôn đóng vai trò then chốt trong ngành sản xuất ô tô. Trên thực tế, 33% tổng số robot công nghiệp được lắp đặt tại Hoa Kỳ nằm trong ngành công nghiệp ô tô.

Một ví dụ thú vị 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, biến nơi đây thành cơ sở BMW đầu tiên ứng dụng hình thức cộng tác trực tiếp giữa người và robot trong sản xuất thường kỳ.

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

Hệ thống được tự động hóa hoàn toàn và có thể đo chính xác lực tác động trong quá trình thực hiện, cho phép giám sát chất lượng liên tục. Nếu robot ngừng hoạt động vì bất kỳ lý do gì, công nhân có thể dễ dàng tiếp quản và hoàn thành công việc thủ công, giúp duy trì sản xuất mà không bị chậm trễ.

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

Lợi ích của robot học trong ngành sản xuất#

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

• Độ chính xác và độ chuẩn xác: Robot công nghiệp có thể đạt độ chính xác và tốc độ cao. Một số robot có khả năng thực hiện công việc với sai số chỉ trong phạm vi một micromet.
• Độ tin cậy: Với tuổi thọ lên đến 100.000 giờ mà không gặp sự cố, robot công nghiệp có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.
• Tăng cường an toàn tại nơi làm việc: Robot cũng đảm nhận các công việc nguy hiểm, chẳng hạn như làm việc trong không gian kín hoặc gần vật liệu nguy hại, góp phần giảm 35% số ngày làm việc bị mất do chấn thương.
• Tăng năng suất: Không giống con người, robot không cần nghỉ giải lao, ngày nghỉ hay thời gian nghỉ ngơi. Chúng có thể hoạt động liên tục ngày đêm, qua đó tăng đáng kể năng suất.
• Hiệu quả về chi phí: Mặc dù ban đầu việc mua và lắp đặt robot có thể tốn kém, nhưng về lâu dài, chúng giúp tiết kiệm đáng kể. Robot giảm chi phí lao động, hạn chế sai sót tiềm ẩn và cắt giảm chi phí liên quan đến chấn thương.
• Khả năng mở rộng: Sau khi lắp đặt robot, nhà sản xuất có thể dễ dàng tăng sản lượng mà không cần tuyển thêm nhân viên hay thực hiện những thay đổi lớn. Nhờ đó, nhà sản xuất có thể nhanh chóng đáp ứng nhu cầu tăng cao và duy trì sự linh hoạt trong thị trường luôn biến động.

Thách thức và hạn chế của robot học trong ngành sản xuất#

Dù mang lại nhiều lợi thế, robot công nghiệp cũng đi kèm một số thách thức, đặc biệt là về chuyên môn và bảo trì. Việc sử dụng robot trong nhà máy đòi hỏi các chuyên gia có kỹ năng lập trình, vận hành và bảo trì chúng.

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

Điều thú vị là AI thị giác, cụ thể hơn là thị giác máy tính, cũng có thể giúp giải quyết những thách thức này. Đây là một nhánh của AI tập trung vào việc hiểu dữ liệu hình ảnh. 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 khi theo dõi robot bằng YOLO11 có thể giúp phát hiện sớm sự cố (được gọi là bảo trì dự đoán). Cách này 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 tạo bản sao số theo thời gian thực. Bản sao số là model ảo của máy móc và robot vật lý, được xây dựng bằng dữ liệu hình ảnh thu thập trong môi trường sản xuất.

Bản sao số cho phép nhà sản xuất giám sát thiết bị theo thời gian thực, phát hiện sự cố 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 giúp hiệu suất ổn định hơn, cải thiện việc ra quyết định và giảm thời gian ngừng hoạt động gây tốn kém.

Công nghệ trí tuệ nhân tạo và học máy#

Khi bàn về những thách thức trong việc sử dụng robot công nghiệp, chúng ta đã thấy nhiều robot hiện nay được vận hành bằng AI và học máy. Nhưng điều này thực sự diễn ra như thế nào và AI đóng vai trò gì trong robot học?

Robot công nghiệp truyền thống bị giới hạn ở những công việc cố định, lặp đi lặp lại. Chúng làm theo các chỉ dẫn được lập trình sẵn và khó thích nghi với những thay đổi trên dây chuyền sản xuất. Vì vậy, chúng kém hiệu quả hơn trong những môi trường đòi hỏi tính linh hoạt, tốc độ và độ chính xác.

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 dài hơn. AI trong ngành sản xuất đang giúp robot vượt ra ngoài những công việc đơn giản được lập trình sẵn.

Cụ thể, với học máy trong sản xuất, robot có thể phân tích dữ liệu từ môi trường xung quanh, nhận diện mẫu và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Chẳng hạn, robot có khả năng thị giác 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, thậm chí phát hiện lỗi hoặc bất thường theo thời gian thực. Thị giác máy tính là công nghệ cốt lõi tạo nên khả năng này.

Thông thường, robot có khả năng thị giác 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 đối tượng, theo dõi và phân đoạn.

Tác động của Internet vạn vật (IoT)#

Một vài khái niệm khác liên quan đến robot công nghiệp là IoT trong sản xuất và điện toán biên. IoT là mạng lưới các thiết bị được kết nối để thu thập và chia sẻ dữ liệu (chủ yếu qua internet). Trong khi đó, điện toán biên xử lý dữ liệu ngay tại nguồn, chẳng hạn như robot hoặc cảm biến, thay vì 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 lên hệ thống đám mây trung tâm để phân tích có thể gây ra độ trễ và làm chậm hoạt động. Tuy nhiên, bằng cách kết hợp điện toán biên với IoT, nhà sản xuất có thể xử lý dữ liệu tức thì, nhờ đó tạo phản hồi theo thời gian thực và tăng cường tự động hóa.

Một ví dụ rõ ràng về sự kết hợp giữa AI và IoT trong ngành sản xuất là bảo trì dự đoán. Tại 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 làm được điều này, các thiết bị IIoT cần duy trì hoạt động ổn định và đáng tin cậy. Bằng cách kết hợp điện toán biên, AI và thị giác máy tính, những thiết bị này có thể liên tục tự giám sát tình trạng, phát hiện khi cần bảo trì hoặc sạc lại, đồng thời tự động kích hoạt các hành động cần thiết. Nhờ đó, máy móc hoạt động trơn tru, thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch giảm và hiệu quả tổng thể được cải thiện.

Tự động hóa và robot học cải thiện hiệu quả 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 tìm hiểu cách kết hợp những công nghệ này để tự động hóa sản xuất hiệu quả hơn.

Mục tiêu chính của tự động hóa là tinh giản quy trình, giúp quy trình nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và ít có khả năng xảy ra lỗi do con người. Chẳng hạn, hãy xem xét một nhà máy lắp ráp các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh. Cánh tay robot có khả năng thị giác có thể đảm nhận công việc tinh vi là đặt chính xác các linh kiện nhỏ lên bảng mạch.

Đồng thời, hệ thống thị giác ứng dụng AI có thể kiểm tra từng bước lắp ráp và phát hiện lỗi theo thời gian thực, chẳng hạn như linh kiện bị lệch hoặc mối hàn không đạt yêu cầu. Trong khi đó, cảm biến IoT có thể giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, bụi và độ rung, vốn có thể ảnh hưởng đến chất lượng của các linh kiện nhạy cảm.

Với điện toán biên, hệ thống có thể xử lý dữ liệu tức thì và điều chỉnh ngay tại chỗ, chẳng hạn như tạm dừng dây chuyền hoặc hiệu chỉnh lại robot, mà không cần chờ phản hồi từ đám mây. Kết hợp lại, quy trình sản xuất tự động có thể tạo ra dây chuyền nhanh hơn, chính xác hơn và có khả năng thích nghi cao, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

Robot học 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 AI thị giác trong ngành sản xuất và IoT đóng vai trò quan trọng. Nhờ những công cụ này, robot có thể quan sát công việc đang thực hiện, phát hiện lỗi, kiểm tra chất lượng sản phẩm và dự đoán sự cố ngay khi chúng phát sinh. Nhiều nhà sản xuất đã sử dụng các hệ thống này để giúp hoạt động hiệu quả và ổn định hơn.

Thị trường robot công nghiệp đang tăng trưởng ổn định nhờ những cải tiến liên tục trong lĩnh vực robot học, khả năng tiếp cận kỹ sư lành nghề dễ dàng hơn và việc sử dụng mô phỏng cùng thử nghiệm ảo. Những bước phát triển này giúp thiết kế và tinh chỉnh robot để ứng dụng thực tế nhanh hơn. Khi ngày càng nhiều nhà máy ứng dụng công cụ số và tự động hóa, các nhà máy trở nên linh hoạt, đáng tin cậy hơn và sẵn sàng đối mặt với những thách thức trong tương lai.

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