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

Các công việc công nghiệp thường liên quan đến việc thực hiện các nhiệm vụ thể chất giống nhau lặp đi lặp lại, như nâng và lắp ráp các bộ phận nặng. Các loại công việc thủ công này có thể gây rủi ro. Chỉ riêng năm 2023, đã có 5.283 tai nạn lao động chết người được báo cáo ở Hoa Kỳ.

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

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách robot công nghiệp đang thay đổi cách các nhà máy hoạt động và giúp tạo ra những nơi làm việc an toàn hơn và hiệu quả hơn. Hãy cùng bắt đầu!

Robot công nghiệp là gì?

Robot công nghiệp là những cỗ máy thông minh được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ các nhiệm vụ sản xuất. Đặc biệt, robot trong sản xuất thường được chế tạo để nâng các bộ phận sản phẩm nặng, chẳng hạn như các bộ phận của ô tô hoặc máy bay, hoặc để xử lý các nhiệm vụ nhỏ, chi tiết rất nhanh chóng, như lắp ráp mạch điện tử hoặc đóng gói sản phẩm. 

Không giống như những 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 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 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 các công việc lặp đi lặp lại một cách nhanh chóng và chính xác mà không cần nghỉ giải lao, điều này khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các nhà máy và nhà kho. Do đó, hơn 4 triệu robot đang được sử dụng trong các nhà máy trên toàn cầu. 

Các loại robot công nghiệp

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

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

• Robot khớp nối: Các robot tay khớp này mô phỏng chuyển động của cánh tay người bằng nhiều khớp quay. 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 được kết nối với một đế hình tam giác, robot delta được chế tạo để có tốc độ và sự nhanh nhẹn. Chúng rất phù hợp cho các hoạt động gắp và đặt tốc độ cao, đặc biệt là trong ngành đóng gói.

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

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

Lịch sử ngành robot trong sản xuất

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

• Early manufacturing (Pre-robotics era) (Sản xuất ban đầu (Thời kỳ trước robot)): Trước khi có robot, sản xuất hoàn toàn dựa vào lao động thủ công và các công cụ cơ bản. Cuộc 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 công việc lặp đi lặp lại, nguy hiểm hoặc tốn nhiều công sức.

• Giới thiệu robot công nghiệp (những năm 1950 - 1980): Năm 1954, George Devol phát minh ra Unimate, robot lập trình đầu tiên. Đến năm 1961, General Motors đã triển khai nó để đúc khuôn và hàn, và nó trở thành robot công nghiệp đầu tiên được sử dụng. Điều này đánh dấu một sự thay đổi lớn, tự động hóa các nhiệm vụ nguy hiểm và lặp đi lặp lại, đặc biệt là trong sản xuất ô tô.

• Mở rộng và hoàn thiện (những năm 1990 - 2000): Robot trở nên nhanh hơn, chính xác hơn và giá cả phải chăng hơn. Việc sử dụng chúng được 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 khả năng lập trình lại tối thiểu.

• Sự trỗi dậy của robot cộng tác (những năm 2010 - nay): Robot cộng tác, hay cobot, nổi lên để làm việc an toàn cùng với con người. Với các cảm biến tích hợp, AI và hệ thống camera, chúng có thể thích ứng với môi trường và hỗ trợ các nhiệm vụ phức tạp hoặc tinh tế.

‍

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

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

Sản xuất máy bay bao gồm các quy trình phức tạp và tinh vi, đặc biệt đối với các máy bay lớn như Boeing 777. Ví dụ: việc lắp ráp một chiếc 777 duy nhất đòi hỏi hơn 60.000 đinh tán. Theo truyền thống, nhiệm vụ này liên quan đến hai công nhân: một người vận hành súng bắn đinh tán và một người giữ một thanh thép phía sau tấm để cố địnhFastener. 

Những loại công việc này có thể đòi hỏi thể chất cao và dẫn đến chấn thương ở cánh tay, lưng và vai. Bên cạnh đó, độ chính xác là rất quan trọng trong sản xuất máy bay và có rất ít chỗ cho sai sót.

Để nâng cao quy trình làm việc như vậy, Boeing đã áp dụng robot công nghiệp. Tại nhà máy 777 của mình 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.

‍

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 tính di động và có thể di chuyển dọc theo dây chuyền lắp ráp trên các xe có hướng dẫn. Sau khi công nhân định vị các tấm thân máy bay, robot sẽ đảm nhận việc khoan và tán đinh, tăng cả tốc độ và độ chính xác. Cách tiếp cận này phù hợp với những phát triển gần đây trong ngành công nghiệp robot, vốn 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 ngành công nghiệp thực phẩm. Ví dụ, tại nhà máy của Nestlé ở Đức, sản xuất thức ăn trẻ em được quản lý thông qua một dây chuyền đóng gói hoàn toàn tự động. Robot xử lý các tác vụ như di chuyển khay thức ăn đã được đổ đầy và niêm phong vào thùng khử trùng và sau đó vào bao bì để vận chuyển. Điều này làm cho toàn bộ hoạt động nhanh hơn, an toàn hơn và đáng tin cậy hơn.

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

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

‍

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

Robot công nghiệp luôn là một phần quan trọng trong sản xuất ô tô. Trên thực tế, 33% tổng số lắp đặt robot công nghiệp ở Hoa Kỳ là trong 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 làm việc cạnh nhau trên dây chuyền lắp ráp cửa mà không cần hàng rào an toàn, khiến nó trở thành cơ sở BMW đầu tiên sử dụng loại hợp tác trực tiếp giữa người và robot này trong sản xuất thông thường.

Bốn robot đã 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 giấy bạc dính vào vị trí, sau đó robot sẽ tiếp quản, sử dụng đầu lăn để hoàn thành công việc với độ chính xác cao.

Hệ thống hoàn toàn tự động và có thể đo áp suất chính xác được tác dụng trong quá trình này, cho phép theo dõi chất lượng liên tục. Nếu công việc của robot bị gián đoạn, một công nhân có thể dễ dàng can thiệp và hoàn thành nhiệm vụ thủ công, giúp duy trì sản xuất mà không bị chậm trễ.

‍

Lợi ích của robot trong sản xuất

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

• Độ chính xác và độ xác thực: Robot công nghiệp cung cấp mức độ chính xác và tốc độ cao. Một số có khả năng thực hiện các tác vụ trong phạm vi một micron chính xác. 
  ‍
• Độ tin cậy (Reliability): Với tuổi thọ lên đến 100.000 giờ mà không bị hỏng hóc, robot công nghiệp có thể hoạt động trong thời gian dài mà không bị gián đoạn. 
  ‍
• Tăng cường an toàn tại nơi làm việc: Robot cũng xử lý các công việc nguy hiểm, chẳng hạn như làm việc trong không gian hạn chế hoặc xung quanh các vật liệu nguy hiểm, giúp giảm 35% số ngày làm việc bị mất do thương tích.

• Tăng năng suất: Không giống như con người, robot không cần nghỉ giải lao, ngày nghỉ hoặc nghỉ ngơi. Chúng có thể làm việc suốt ngày đêm, điều này có thể làm tăng đáng kể năng suất. 

• Hiệu quả về chi phí: Mặc dù việc mua và lắp đặt những robot này có thể tốn kém lúc đầu, nhưng chúng dẫn đến khoản tiết kiệm đáng kể theo thời gian. Chúng giảm chi phí nhân công, giảm các lỗi tiềm ẩn và cắt giảm chi phí liên quan đến thương tích.

• Khả năng mở rộng: Sau khi robot được thiết lập, các nhà sản xuất có thể tăng sản lượng dễ dàng hơn mà không cần thuê thêm công nhân hoặc thực hiện các thay đổi lớn. Điều này có nghĩa là các 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.

Những thách thức và hạn chế của robot trong sản xuất

Mặc dù robot công nghiệp mang lại nhiều lợi thế, nhưng chúng cũng đi kèm với một vài thách thức, đặc biệt là về chuyên môn và bảo trì. Những robot này trong các nhà máy đòi hỏi các chuyên gia lành 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 trí tuệ nhân tạo và máy học, chúng vẫn cần được bảo dưỡng thường xuyên để ngăn ngừa sự cố. Nếu một nhóm các nhà sản xuất chưa có kiến thức này, việc đào tạo nhân viên có thể tốn kém cả về tiền bạc lẫn 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. Ví dụ: các mô hình thị giác máy tính như Ultralytics YOLO11 có thể được huấn luyện để phát hiện và theo dõi robot công nghiệp. Thông tin chi tiết từ việc theo dõi các robot này bằng YOLO11 có thể được sử dụng để phát hiện sớm các vấn đề (được gọi là bảo trì dự đoán). Điều này cắt giảm nhu cầu giám sát của chuyên gia và giảm sự cố bất ngờ.

Ngoài ra, thị giác máy tính cũng có thể hỗ trợ tạo ra các bản sao kỹ thuật số 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 dữ liệu trực quan thu thập từ môi trường sản xuất. 

Bản sao số (Digital twins) cho phép các nhà sản xuất giám sát thiết bị trong thời gian thực, xác định các vấn đề trước khi chúng gây ra gián đoạn và kiểm tra các cải tiến quy trình mà không làm gián đoạn quá trình 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.

Các công nghệ trí tuệ nhân tạo và học máy

Trong khi thảo luận về những thách thức của việc sử dụng robot công nghiệp, chúng ta thấy rằng nhiều robot hiện nay được hỗ trợ bởi AI và học máy. Nhưng điều này thực sự hoạt động như thế nào và vai trò của AI trong ngành robot là gì?

Robot công nghiệp truyền thống bị giới hạn trong các nhiệm vụ cố định, lặp đi lặp lại. Chúng tuân theo các hướng dẫn được lập trình sẵn và không thể dễ dàng thích ứng với những thay đổi trên dây chuyền sản xuất. Điều này làm cho chúng kém hiệu quả hơn trong môi trường mà tính linh hoạt, tốc độ và độ chính xác là rất cần thiết. 

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

Cụ thể, với máy học trong sản xuất, robot có thể phân tích dữ liệu từ môi trường của chúng, nhận dạng các mẫu và cải thiện hiệu suất của chúng theo thời gian. Ví dụ: một robot hỗ trợ thị giác có thể xác định các đối tượng khác nhau trên dây chuyền lắp ráp, điều chỉnh chuyển động của nó dựa trên những gì nó nhìn thấy và thậm chí phát hiện các khuyết tật hoặc bất thường trong thời gian thực. Đằng sau hậu trường, thị giác máy tính 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 mô hình 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 mô hình cơ bản. Trong trường hợp của 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 of Things (IoT) 

Một vài 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 thu thập và chia sẻ dữ liệu (chủ yếu qua internet). Mặt khác, điện toán biên xử lý dữ liệu ngay tại nguồn, như robot hoặc cảm biến, mà không cần phải gửi tất cả đến máy chủ trung tâm trước. 

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

Một ví dụ rõ ràng về AI và IoT làm việc cùng nhau 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 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 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 hoạt động trơn tru, giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch và cải thiện hiệu quả tổng thể.

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

Bây giờ chúng ta 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 với nhau để làm cho tự động hóa sản xuất hiệu quả hơn. 

Mục tiêu chính của tự động hóa là hợp lý hóa các quy trình và làm cho chúng nhanh hơn, đáng tin cậy hơn và ít bị lỗi do con người gây ra. Lấy ví dụ, một nhà máy lắp ráp đồ điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh. Cánh tay robot hỗ trợ thị giác có thể xử lý nhiệm vụ tinh vi là đặt các thành phần nhỏ lên bảng mạch một cách chính xác. 

Đồng thời, các hệ thống thị giác hỗ trợ bởi AI có thể kiểm tra từng bước của quá trình lắp ráp, xác định các khuyết tật như các bộ phận bị lệch hoặc các mối hàn bị lỗi trong thời gian thực. Trong khi đó, các cảm biến IoT có thể theo dõi 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 điện toán biên, 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, sản xuất tự động có thể tạo ra một dây chuyền sản xuất nhanh hơn, chính xác hơn và có khả năng thích ứng cao, dẫn đến chất lượng sản phẩm cao hơn và chi phí vận hành thấp hơn.

Ngành robot đang chuyển đổi tương lai của sản xuất như thế nào

Tương lai của robot công nghiệp đang phát triển nhanh chóng, với các công nghệ như Vision AI trong sản xuất và IoT đóng vai trò quan trọng. Với những công cụ này, robot có thể nhìn thấy những gì chúng đang làm, phát hiện các khuyết tật, kiểm tra chất lượng sản phẩm và dự đoán các vấn đề khi chúng xảy ra. Nhiều nhà sản xuất đã sử dụng các hệ thống này để làm cho hoạt động của họ hiệu quả và nhất quán hơn.

Thị trường robot công nghiệp đang tăng trưởng ổn định và sự tăng trưởng này đến từ những cải tiến không ngừng trong lĩnh vực robot, khả năng tiếp cận dễ dàng hơn với các kỹ sư lành nghề và việc sử dụng mô phỏng và thử nghiệm ảo. Những phát triển này giúp thiết kế và tinh chỉnh robot nhanh hơn để sử dụng trong thế giới thực. Khi ngày càng có 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 đối phó với những thách thức trong tương lai.

Tham gia cộng đồng và kho lưu trữ GitHub của chúng tôi để khám phá thêm về AI. Xem các trang giải pháp của chúng tôi để đọc về AI trong lĩnh vực 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!