Част 2: Технологично развитие в производството: усъвършенствани индустриални роботи

Индустриалните роботи са сред най-обещаващите технологии за увеличаване на степента на автоматизация в производството. Те предлагат голяма гъвкавост поради трите или повече оси на движение и възможността да бъдат препрограмирани и преизползвани за други задачи. Освен това, те са много надеждни, изключително прецизни и с увеличаването на изчислителната мощност могат да осмислят заобикалящата ги среда. Те могат да се използват в много индустриални приложения като монтаж, боядисване, дъгово или точково заваряване, палетизиране, обработка на материали, обслужване на машини, фрезоване, 3D печат и много други.

Въпреки, че индустриалните роботи са машини като всички останали, те винаги са запленявали човешкото въображение поради своята елегантност, бързина, сила и прецизност. Индустриалните роботи са се превърнали в символ на високо-технологичното производство. Може да прочетете повече за индустриалните роботи и за техните преимущества и недостатъци на нашия сайт. 

Историческо развитие на индустриалните роботи

Първите индустриални роботи се появяват през 60-те години на миналия век. Първият значим скок в употребата им в САЩ се случва когато автомобилните производители автоматизират заваръчните си процеси. Втория значим скок се случи през последните 10 години. Това се дължи на увеличените технически възможности, съчетани с значително по-добрите цени. Средната цена на индустриалните роботи е намаляла с повече от 50% спрямо 90-те години на XX век.

В България промишлените роботи навлизат за първи път през 80-те години на XX век благодарение на сътрудничество на Българската държава с FANUC. През 1983 г. е открит завод „Берое“ в Стара Загора, който доставя около 80% от всички роботи и манипулатори в СИВ. Производството спира през 1990 след разпада на СИВ. Внедряването на модерни индустриални роботи изживява истински скок през последните 10 години. Както и в останалата част от света, причините за това са увеличените технологични възможности,  по-достъпната цена, по-привлекателната възвращаемост и чуждестранните инвестиции в нови производствени мощности.

Текущо развитие на пазара за индустриални роботи

Количество инсталирани роботи в България и по света

През 2019 г. по света има функциониращи около 2,7 млн. самостоятелни индустриални робота. Тази бройка се увеличи с 373 240 броя през 2019 г. и очаквания ръст е 12% годишно. Средната наситеност с роботите в производствената индустрия в Европа е била 114 единици на 10 000 служители през 2019 г.[1]

Годишни инсталации на индустриални роботи по света [хиляди бройки]; Източник McKinsey & Company

Няма подробна статистика за България, но според наличните данни страната е сред най-малко роботизираните държави в Европейския съюз. Основната причина е, че все още липсва производство на автомобили, а в автомобилния сектор се използват най-много роботи. Вероятно в 2020 г. в България има между 1000 и 2000 броя инсталирани индустриални робота.

Двигатели на растежа на пазара

McKinsey & Company публикува отличен доклад за пазара на роботика. Основните заключения на доклада са, че растежът на пазара на индустриални роботи се дължи главно на:

• Все по-голямо разнообразие от модели, което дава възможност за създаване на много нови приложения. Първия електрически, 5-осен, микропроцесорен робот е създаден 1974 г., а в днешно време има над 300 модела. Нещо повече, роботите са станали по-големи и могат да се справят с по-големи товари, поради експоненциално нарастване на товароносимостта от 6 кг до 2300 кг. Също така, контролерите са станали по-мощни. В някои случаи, един контролер може да синхронизира работата на повече от 30 оси.
• По-големи технически способности на работите разширяват обхвата на приложението им и ги направи по-безопасни. Например, колаоборативните роботи могат да работят заедно с хората по задачи, които преди това е нямало как да се автоматизират. Мобилността е друг технически напредък, който може да спомогне за автоматизацията и роботизацията на вътрешната логистика.
• Увеличаване на разходите за труд. С нарастването на разходите за труд в производството, възвръщаемостта на инвестициите в роботи става все по-привлекателна. Това е валидно не само в развитите държави (в САЩ, от 1990 г. насам разходите за труд са се увеличили с 24%), но и в страни с традиционно ниски разходи като Китай или Индия. България не е изключение  – разходите за труд са се удвоили спрямо 2010 г.
• Наличен талант. Докато инженерите по роботика някога са били рядкост, днес хората с умения необходими за проектиране, инсталиране, експлоатация и поддръжка на роботизирани производствени системи стават все повече. Това важи в известна степен и за България, въпреки че роботиката тук е в по-ранна фаза на развитие спрямо водещите пазари.
• По-лесна интеграция. Напредъкът в изчислителната мощ, техниките за разработка на софтуер и мрежовите технологии направиха изработката, инсталирането и поддръжката на роботизирани системи по-бързо и по-евтино от преди.

Нови тенденции 

Ако роботите могат да изпълняват по-сложни „интелигентни“ задачи и тяхната интеграция е по-бърза и по-евтина, те биха били ползвани от още повече производствени фирми. Очакванията в индустрията са, че ще има три основни области на подобрение през следващото десетилетие свързани с адаптивност, лекота на програмиране и лекота на интеграция. Това развитие на технологията се нарича усъвършенствана роботика (advanced robotics).

Адаптивност: основни ограничения пред използването на индустриални роботи

Адаптивността е способността на роботите да „усещат“ заобикалящата среда и да адаптират действията си спрямо нея. Въпреки големия напредък в областта на роботиката и непрекъснатите усилия да се създават все по-усъвършенствани роботи,  които да достигнат човешките възможности, роботите все още са много по-малко адаптивни в сравнение с хората. 

Творческите и базираните на знанието работни места са по-малко податливи на автоматизация. Това важи и за работни позиции, които включват физически труд, но средата на работа е непредсказуема и променлива. Ние разчитаме на човешката изобретателност и способността ни да се учим и адаптираме, без да сме обучени за всеки възможен сценарий предварително. Например, мениджър може да нареди на работник, който работи на бормашина, да се прехвърли на нова работна позиция, на която ще боядисва, опакова или полира. Физическото преместване и усвояването на новата работа ще се случи сравнително лесно и бързо, защото ученето на нови неща е вродено умение при хората.

При роботите това не е така. Първо, те са физически ограничени от обсега на ръката си, функциите на техните инструменти, наличието на сензори и др. Още по важно – роботите не могат да действат по различен начин от начина, по който са програмирани. Освен това, роботите все още имат нужда от добре структуриран и с минимално количество вариации поток от входящи материали. Такива мога да бъдат кутии, части и други материали или елементи. Дори най-модерните роботизирани системи днес, които се самообучават чрез алгоритми за машинно обучение, са далеч по-малко адаптивни от хората.

Адаптивност: новите постижения на роботиката

Независимо от това, напредъка на машинното зрение и други интелигентни сензори, усъвършенстваните хващачи (грипери) и приложения за изкуствен интелект и машинно обучение ще увеличат адаптивността на роботите. Това ще позволи на роботите да променят своите функции и поведение спрямо промените в заобикалящата ги среда. Ще могат да работят и в не толкова добре структурирана и подредена среда. Интересен пример идва от FedEx, който е успял да внедри роботи в област, която преди няколко години е била невъзможна – роботи изпълняващи поръчки в логистичен склад. Това е много трудна задача за робот, защото работата е много разхвърляна и неструктурирана. В следващото видео може да научите повече за нарастващата адаптивност на роботите:

Увеличаването на адаптивността също ще позволи създаване на повече приложения, в които роботите работят безопасно рамо до рамо с хората. Когато роботите за съвместна работа (т. нар. коботи) са оборудвани с усъвършенствани вградени зрителни системи и с адаптируеми хващачи, добавянето на машинно обучение създава една изключително сложна и способна роботизирана система. В допълнение, това би могло да увеличи интерактивността между роботите и хората. Когато те започнат да работят съвместно по по-сложни задачи, лесната комуникацията между тях ще стане необходимост. Коботите биха могли да бъдат така проектирани, че да разпознават и реагират на определени гласови команди или жестове с ръка. По този начин се избягва необходимостта от препрограмиране и принудително спиране на работния процес.

Друго ограничение на индустриалните роботи е тяхната неспособност да се движат. Това също се променя, тъй като роботите вече могат да разбират по-добре заобикалящата ги средаи да се движат безопасно, изпълнявайки полезни задачи. Най-интересните примери в тази сфера идват от фирмата Boston Dynamics и различните техни модели роботи:

Все oще практическото приложението на такива роботи е ограничено, но в близко бъдеще това ще се промени когато роботите могат да да изпълняват самостоятелно повече различни „умни“ задачи.

Лесното програмиране: друга основна бариера за използването на индустриални роботи

Промишлените роботи първоначално са разработени, за да обслужват производството на автомобили. При него има малко на брой различни продукти, произвеждани в голям обем, което позволява същата програма на робота да се използва в продължение на няколко години без съществени промени. Това означава, че благодарение на големия производствен обем, производителите на автомобили могат бързо да амортизират цената на персонализираната интеграция на роботите. Освен това, в този контекст надеждността, скоростта и точността са по-важни от това колко бързо и лесно може да се препрограмира робота. Много от наличните на пазара роботи все още оптимизирани за такъв тип работа.

Лесното програмиране: опростяване на програмирането и офлайн програмиране

В днешно време има все по-голям интерес към използването на роботи в индустрии, които имат много на брой продукти, произвеждани в малки серии. Лесното програмиране е от първостепенно значение за по-бързата първоначална интеграция и подобрената поддръжка и препрограмиране през жизнения цикъл на робота. 

Има две основни тенденции в тази посока. На първо място, производителите на роботи опростяват програмирането на своите роботи. Днес повечето индустриални роботи се програмират по същия начин, както през 80-те години на XX век – на място, чрез използване на свързан към робота пулт за обучение (teach pendant) и използването на функции в „заключени“ програмни езици. Това обаче се променя, особено при колаборативните роботи, където програмирането е опростено и достъпно дори за не програмисти. Например новите колоборативни роботи FANUC CRX имат нов сензорен таблет с интерфейс за програмиране с плъзгане и пускане (drag and drop), което улеснява създаването и промяната на програми. Очакваме да видим тази тенденция за опростяване на програмирането и в по-консервативния сегмент на индустриалните роботи.

Втората тенденция е, че има все по-мощни приложения за офлайн програмиране на роботи. Те позволяват създаването на желаното роботизираното приложение първо в цифровия свят, чрез използване на CAD модели, преди то да бъде приложено в реалния свят. Този модел на работа позволява голяма степен на автоматизиране на програмирането на много различни приложения. Освен това, физическото внедряване на нов робот в производството е по-бързо, защото голяма част от програмата на робота е създадена предварително. Допълнителна ползва е, че по този начин се намалява и принудителнто спиране на производството. Все пак, основно ограничение на офлайн програмирането идва от отклоненията между CAD модел и физическия свят. Очакванията са, че с увеличената адаптивност на роботите, приложенията създадени офлайн ще станат по-използваеми и полезни. Можете да прочетете повече по темата за офлайн програмирането на роботи в тази статия.

Лесна интеграция на промишлените роботи

При внедряването на роботи има много работа без добавена стойност поради липсата на стандарти в силно фрагментирания пазар за индустриални роботи. Всеки производител на роботи има свой уникален контролер и операционна система (ОС). И всеки от тях поддържа различни комуникационни протоколи, които в много случаи не са безплатни. На пазара няма нито една доминираща операционна система и нито един производител не контролира повече от 15% от пазара. В резултат на това е техническо предизвикателство да се интегрират технологии, които никога не са били предназначени да работят заедно, и организационно предизвикателството да се координират различни доставчици и заинтересовани страни по даден проект.[2]

Очаква се това положение да се подобри през следващото десетилетие. На първо място, в индустрията вече има примери за внедряване на OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) информационен модел за комуникация при роботите.[3] Това ще опрости комуникацията с роботите и тяхната интеграция с други устройства и приложения като PLC, SCADA, MES или ERP.

Освен това, с увеличеното използване на роботизирани приложения, ще има нарастващ интерес към решения за опростяване на интеграцията и поддръжката на роботите. Много предприятия са натрупали през годините роботи от различни марки и поддържането им е скъпо и трудно. Тъй като всяка марка роботи има свой собствен контролер и софтуер, е трудно в една фирма да има експерти, които разбират и поддържат всички марки роботи еднакво добре. Едно възможно решение на този проблем би било да има само една операционна система за всички марки роботи. Дори вече съществуват такива варианти. Например инициатива с отворен код, наречена Robot Operating System (ROS) или все по-големия брой стартъпи, които предлагат операционни системи за роботи, които са независими от доставчиците на роботи.

В хаотичния физически свят, интеграцията на роботи ще остане сложна задача

Не знаем дали ще се появи играч, който ще доминира на пазара по същия начин, както Windows или Android доминират на пазара на компютри и смарт телефони. Причината е, че при роботите има много уникални специфики.  Напълно вероятно е пазара да остане фрагментиран. Със сигурност, обаче, ще се увеличи пазарния натиск върху доставчиците на роботи да отворят своя софтуер и да улеснят интегрирането и поддръжката на роботите.

Но докато роботите трябва да боравят с обекти от реалния свят, интегрирането им ще остане сложна задача. За разлика от компютрите, които се занимават с цифрова информация, роботите трябва да се справят с физическия свят. Информационният свят е чист и подреден, тъй като е изцяло изграден от нули и единици. Аналоговият свят е разхвърлян, хаотичен и с безброй вариации. Така че дори ако роботите притежават стандартизиран хардуер, комуникационни протоколи и софтуер, светът около тях никога няма да бъде стандартизиран. 

Заключение: усъвършенстваните роботи значително ще променят производствените процеси

Развитието на адаптивността на роботите, лекотата на програмиране и интеграцията ще създадат усъвършенстваната роботика. Тези роботизирани системи ще трансформират индустриалните операции. В сравнение с конвенционалните роботи, усъвършенстваните роботи имат по-развито възприятие, по-лесна интеграция, по-добра адаптивност и мобилност. Тези подобрения ще позволяват по-бърза настройка, пускане в експлоатация и преконфигуриране, както и постигане на по-ефективни и стабилни операции. Освен това, цената на това сложно оборудване ще намалее, тъй като цените на сензорите и изчислителната мощност също намаляват, а софтуерът все повече ще замества хардуера като основен фактор при функционалността. Взети заедно, тези подобрения означават, че усъвършенстваните роботи ще могат да изпълняват много повече задачи, по-икономично от предишното поколение автоматизирани системи.

Използвани източници

[1] Executive Summary World Robotics 2020 Industrial Robots

[2] Lean Robotics, Samuel Bouchard

[3] VDMA and OPC Foundation – OPC UA Information Model for Robots

[4] OPC UA Robotics Companion Specification