Роботите в четвъртата индустриална революция

Индустриалните роботи - ключовата движеща сила на четвъртата индустриална революция, значително са еволюирали от навлизането им в масовото производство през 50-те години на миналия век до високотехнологичните умни фабрики днес. Роботите за промишлени приложения стават все по-производителни, гъвкави, универсални, безопасни и колаборативни, разкривайки гигантски нови технологични възможности за съвременните индустриални екосистеми. Роботизираните системи имат водеща роля при свързването на реалния с дигиталния свят в модерните производства и притежават потенциала да продължат да ремоделират индустрията “по свой образ и подобие” по пътя към следващите промишлени иновационни скокове.

Industry 4.0 вече е със статут на мегатенденция в съвременното производство, а автономните роботи са сред основните технологични стълбове на концепцията, наред с индустриалния Internet of Things, адитивното производство, виртуалната реалност, големите масиви данни и облачните изчисления. Според актуален доклад на консултантската фирма McKinsey and Company, роботите като инструмент за трансфер на дигитални инструкции към физическия свят са сред четирите основни фактора за ускоряване налагането на тази мегатенденция заедно с: драстичното увеличение при обема на данните, изчислителната мощност и свързаността; появата на интелигентни аналитични технологии и новите форми на взаимодействие от типа човек-машина.

Роля на роботите в Industry 4.0
Роботите в съвременните предприятия се отличават с нарастваща автономност, гъвкавост и кооперативност. Сред основните им предимства са и все по-достъпната им цена, както и широкият им функционален обхват. По данни на глобалната фирма за стратегическо консултиране Роланд Бергер, броят на мултифункционалните промишлени роботи, разработени за Industry 4.0 приложения в Европа, почти се е удвоил от 2004 до 2014 г. Основен принцип на четвъртата индустриална революция са автономните производствени процеси, задвижвани от роботи, които се изпълняват интелигентно и с фокус върху безопасността, гъвкавостта, мултифункционалността и сътрудничеството между роботите и хората.

Без необходимост от ограничаване на работното пространство на робота, интегрирането му в работно място на човека става все по-икономично и рентабилно и създава нови възможности и приложения в редица отрасли на масовото производство.
Самите индустриални роботи стават все по-умни и свързани в синхрон с интелигентната дигитална трансформация на промишлеността. Тяхната роля по отношение на човешкия фактор в Industry 4.0 се проявява в две основни направления – от една страна роботи се внедряват в много производства, за да заместят човека в опасните, тежки и повторяеми дейности. От друга – колаборативните роботи извеждат човека отново във водеща позиция на технологичната линия с фокус върху споделеното работно пространство и новия ред за приоритизиране и разпределяне на задачите в колаборативния екип. Приложната област на роботите в Industry 4.0 далеч не се изчерпва с производствените операции. Те все по-широко навлизат в складовата дейност и логистиката, а дори и в офис управлението.

Пазарът на интелигентни машини, включително автономни роботи, експертни системи и дигитални асистенти, значително нараства през последните години поради разширяването на Industry 4.0 в глобален план, гласи проучване на изследователската агенция Technavio. Фирмените анализатори прогнозират, че този пазар ще продължи да отбелязва ръст с комбиниран годишен темп на растеж (CAGR) от 15% до 2020 г. Интелигентните машини могат да отстраняват и предотвратяват различни проблеми, възникващи вследствие износването на механичните компоненти. Те са оборудвани със сензори и са способни да съхраняват информация за поредица от процеси и работни условия на дадена система.

Нарастващият брой приложения на Industry 4.0 технологиите в отрасли като автомобилостроенето, производството на електроуреди и електрониката е ключово за развитието на пазара на интелигентни машини, се казва още в доклада. Необходимостта от мониторинг и оценка на данни в реално време и от рационализиране на процеса по въвеждане в експлоатация на производствените системи непрекъснато увеличава инвестициите в интелигентни машини с технологии в сферата на изкуствения интелект, допълват от Technavio.

Базирани на поведенчески модели роботи
Алгоритмите за вземане на решения, наричани в англоезичната литература Behavior trees и използвани широко в гейминг индустрията за дефиниране на базови модели на поведение на различни обекти, персонажи и среди, през последните години намират място и в индустриалната роботика. Те се прилагат за смесване на логически потоци и действия и безпроблемно направляване на роботите при изпълнението на заложените им задачи. Това става възможно благодарение на специален софтуер и изисква елементарни операторски команди.

Освен да опростяват възлагането на дадена задача на повече на брой роботи, тези алгоритми позволяват и създаването на специализирани – базирани на поведенчески модели платформи в индустриалната роботика, както и на такива работни клетки, а защо не – и на цели фабрики. С вградени инструменти за оптимизиране на производителността, обработката на задачи при събирането и анализа на информация и самонаблюдение тези роботи значително улесняват работата с големи масиви данни в индустриалната автоматизация. Така роботите могат да се превърнат не само в идеален физически, но и когнитивен партньор на човека по пътя към дигиталната трансформация на фабриките.

Комуникация между роботи
Непрекъснатото развитие на индустриалните технологии по пътя към Industry 4.0 направи възможно създаването и внедряването на т. нар. мултироботни системи, състоящи се от много на брой отделни роботизирани единици. Потенциалните предимства на такива платформи включват намаляване на общите системни разходи, подобряване на стабилността и засилване на производствения паралелизъм.

В допълнение, присъщата сложност на някои оперативни среди може да изисква използването на хетерогенна група роботи, тъй като необходимите функции са твърде специфични и разнородни, за да бъдат изпълнявани от един-единствен робот. Модулната архитектура в индустриалната роботика допълва концепцията за колаборативна работа между роботизирани единици, като улеснява ясното разпределение на труда между роботите, всеки от които е специализиран в изпълнението на отделен вид задача.

Когато в производството оперира повече от един робот, установяването на комуникационна връзка между отделните единици може да е изключително полезно. Понякога ползите се изчерпват например с “уведомяване” на даден робот, че съседът му е подал обработвания детайл надолу по веригата, а в други приложения могат да са доста по-комплексни, включително задаване на задача на даден робот да имитира движенията (програмата) на друга единица в мрежата. Координацията и комуникацията между отделните роботи е ключова за успешното изпълнение на задачите в такива интелигентни производствени линии в Industry 4.0 среда. Тези два фактора могат значително да умножат възможностите и ефективността на група роботи посредством подходящите комуникационни протоколи. През последното десетилетие разработчиците непрекъснато демонстрират различни механизми за мултироботна координация и комуникация.

Първите платформи в областта са базирани на жична комуникация между отделните роботи, но с напредъка на технологиите все по-масово се прилага безжична свързаност между единиците, например посредством мрежови технологии като ZigBee (базирана на стандарта IEEE 802.15.4). Предимство на безжичната комуникация пред доказаните и надеждни кабелни връзки е елиминирането на физическите лимити, създавани от ограничената дължина на кабела, и разширяването на функционалния обхват и приложната област на мултироботната комуникация. Подобрен вид комуникационна връзка позволява евтин трансфер на данни с ниска скорост и ниска консумация на енергия, подходящ за всякакви типове мрежови топологии.

Коботите и четвъртата индустриална революция
На ниво устройство повечето съвременни колаборативни роботи (коботи) се произвеждат пригодни за работа в Industry 4.0 среда. Оборудвани с мощни вградени компютърни системи и с възможности за универсална оперативна съвместимост, най-популярните модели на пазара са готови за интеграция в производствена IoT платформа само за минути.

Големите производители в сегмента все по-настойчиво промотират прозрачност на информацията посредством вградени в коботите функции за събирането и изпращането й към други системи за анализ, моделиране и др. Колаборативните роботи са ценни помощници на човека в споделеното работно пространство, тъй като могат да осигурят компетентна техническа помощ, физически да заместят хората в дадени задачи и да улеснят децентрализираното вземане на решения. Така от обикновени инструменти, роботите се превръщат в незаменими асистенти.

Тази им роля ги разграничава от поколението автономни роботи, върху което се гради концепцията за Industry 4.0, но им отрежда друго значение в хода на индустриалната технологична революция, което според много анализатори е свързано с връщане на човешкия фактор обратно в центъра на промишленото производство.

По своята същност коботите са класически Industry 4.0-ready дигитални продукти, които постоянно еволюират по посока софтуерно усъвършенстване и самопрограмируемост. На тяхна база се създават и иновативни бизнес модели, например колаборативни или мобилни роботи “като услуга” (as-a-service) или под наем. Отвъд присъщата им Industry 4.0 съвместимост, коботите създават и нова група възможности в сферата на автоматизацията за по-малки предприятия, които не биха могли да си позволят големи конвенционални индустриални роботи. Благодарение на своята гъвкавост и компактност, малко тегло и възможности за лесно програмиране, все по-достъпните колаборативни и мобилни роботи на пазара стават водещ инструмент в малки и средни предприятия (МСП), в проекти за ретрофит на стари производства и във различни по големина компании в индустриално развиващите се държави.

Синхрон или противоречие с принципите на Industry 4.0
Съвместимостта на коботите с принципите на Industry 4.0 се състои в следните им четири характеристики: широка оперативна съвместимост, прозрачност на информацията, възможности за техническа асистенция и улесняване на децентрализирането при вземането на решения. Всички те са насочени към оптимизиране на екипната работа с човека.

Идеалната цел на Industry 4.0 според много експерти обаче е постигането на т. нар. lights-out производства и фабрики (автономни), които функционират без никаква човешка намеса на място. Това до известна степен поставя концепцията за колаборативната роботика в опозиция на стандартите на четвъртата индустриална революция. В много съвременни високотехнологични компании се прилагат комбинирани режими на работа, включващи lights-out и конвенционални линии. Коботите намират най-широко приложение в звена, в които човешкият фактор все още е доминантен – например в станции за преработка (reworking stations).

Колаборативните роботи могат не само да получават информация и команди от други IoT устройства и системи, но и – с помощта на човека-сътрудник – да подават към други устройства и системи такива команди на база операторски наблюдения. Фундаменталната екипна природа на коботите и фактът, че са проектирани да работят “рамо до рамо” с човека вместо да го заместват, ги отвеждат отвъд актуалната Industry 4.0 към следващата очаквана производствена парадигма, която някои експерти наричат Industry 5.0.

Industry 5.0
Интернет свързаността, която е ключова за Industry 4.0, генерира нови технологични тенденции по посока масовата продукция. Масовото производство е изключително търсено, но пазарните проучвания показват, че потребителите искат повече. Стремежът към “по-човешки” продукти, услуги и преживявания, които им позволяват да изразят себе си, може да бъде обобщен в повсеместна тенденция към персонализиране на продуктите в антипод на серийно произведените артикули.

Тази нотка на индивидуализиране връща човешкия фактор обратно във все по-безлюдните високотехнологични фабрики, в които фокусът е върху постоянството при качеството, производствените потоци и събирането на данни. По-нискоквалифицираните работници, извършващи повторяеми и скучни задачи в миналото, които се оказва най-рентабилно да бъдат заместени от автоматизирани системи, в много приложения отстъпват място на способни, обучени и добре подготвени специалисти в екипи с колаборативни роботи. Най-често такива приложения, обединявани във футуристичната концепция Industry 5.0, включват производството на индивидуализирани продукти в малки или единични партиди, както и създаването на персонализирани услуги и решения.

В центъра на този новаторски производствен ред стои конвергенцията между човешките качества и способностите на роботите. Той е очакван етап от развитието на индустрията, базиран на комбинация между уникалните творчески заложби на човека и безупречната точност, ефективност и производителност на робота, дори в тежки и повторяеми операции.

Възможности за МСП
Индустриалните роботи са ключов инструмент за подобряване на ефективността и производителността в съвременните предприятия. Неслучайно индустриалната автоматизация е сред най-големите потребители на продукти и технологии в областта на роботиката през последните десетилетия. Роботи все по-масово се внедряват в отрасли като автомобилостроенето, електронното производство, машиностроенето, космическия сектор, отбраната, ядрената енергетика, текстилната, хранително-вкусовата и целулозно-хартиената промишленост и др. Коботите, от своя страна, правят Industry 4.0 все по-достъпна и за предприятията от сферата на малкия и среден бизнес, където всяка инвестиция от подобен мащаб се планира изключително предпазливо.

Възможностите, които колаборативните и мобилни роботизирани системи предлагат на МСП, са огромни. Сред тях са бързото и лесно внедряване и програмиране, които пестят време и разходи за експертен персонал, интуитивното управление, което улеснява екипните производствени задачи, и възможността за автоматизиране на дейности, които не е било възможно да се автоматизират преди това.

Дори най-нискобюджетните модели роботизирани рамена на пазара в сегмента на коботите вече разполагат с възможности за 3D визуализация на работните процеси, относително висока степен на безопасност и приемлива точност на работа, което е от критично значение за малките и средни предприятия. Движенията на робота могат да бъдат програмирани и управлявани с помощта на специален терминал със сензорен екран или по обучителен метод чрез физическо придвижване на рамото и манипулатора по желаната работна траектория.

Сред най-съществените предимства на коботите, разработвани специално за приложения в МСП, са тяхната гъвкавост и универсалност, мобилност и компактни габарити, както и бързото въвеждане в експлоатация от порядъка само на няколко часа, което позволява незабавно стартиране на периода за възвръщане на инвестицията. Малкият и среден бизнес получава и възможност гъвкаво да автоматизира характерните за сегмента сезонни и дребнопартидни производства.

Актуално изследване на Масачузетския технологичен институт (MIT) върху колаборативната работа на хора и роботи в завод на BMW показва, че смесените екипи от човек и робот се справят с поставените задачи много по-прецизно и ефективно в сравнение с отбори от по двама души или два робота. Проучването показва също, че колаборацията намалява времето, загубено от човека, неправейки нищо, с до 85%. Резултатите от него сочат още, че хората нямат нищо против роботите да поемат и лидерска роля в екипната работа.