Что такое коллаборативные роботы

Что такое кобот и почему о них все говорят

Коллаборативный робот (от английского collaborative robot, или просто кобот) — это программируемый манипулятор, специально рассчитанный для совместной работы рядом с человеком в едином рабочем пространстве. В отличие от классических роботизированных систем, для его установки не требуется возводить закрытые зоны безопасности из защитных ограждений.

Роботизация производства часто ассоциируется с многомиллионными затратами, перестройкой всей линии и тяжелыми машинами, которые должны работать за железным забором. Но для средних и малых предприятий, где важно быстро менять номенклатуру продукции, внедрение традиционных промышленных роботов слишком дорого и сложно. Здесь на помощь компаниям приходит коллаборативная робототехника.

Физика процесса

Обычные промышленные роботы — это быстрые, тяжелые и «слепые» устройства. Их цель — максимальная скорость и мощность. Если человек или оператор случайно зайдет на участок работы такого робота, он не остановится, что создает уровень высокой опасности и рисков травм для персонала.

Коботы имеют совершенно другие характеристики. Они помогают выполнять рутинные операции, оставаясь абсолютно безопасными для сотрудников. Встроенные в шарниры робота датчики силы и крутящего момента позволяют устройству мгновенно замереть при малейшем физическом контакте с телом или препятствием. Он забирает на себя монотонные действия: перемещение заготовок перед конвейером, укладка или упаковка тары. Это снижает нагрузку на людей, повышает эффективность всего производственного процесса и делает кобота автономным узлом и умным инструментом в руках инженеров.

Кобот vs Классический промышленный робот: суровая физика и безопасность

Главное отличие коллаборативного робота манипулятора от традиционных решений кроется в  физике.

Классический промышленный робот — это огромный зверь. Его главная цель — максимальная производительность, мощность и скорость. Такие роботизированные системы часто используют для контактной сварки автомобильных кузовов или перемещения тяжелых деталей. Из-за огромной кинетической энергии работа с ними требует возведения глухих защитных ограждений (так называемой ячейки). Если человеческого фактора окажется достаточно, чтобы рабочий зашел в зону действия робота, машина не остановится. Это чревато тяжелейшими травмами.

Коботы изначально спроектированы для безопасного взаимодействия с персоналом в одной рабочей среде. Их рука-манипулятор оснащена чувствительными встроенными датчиками силы и момента. Как только алгоритмы управления робота фиксируют незапланированные внешние контакты (например, манипулятор уперся в плечо человека), происходит мгновенная остановка движения.

Нюанс, о котором молчат 

Чудес не бывает. Безопасная остановка робота возможна только за счет ограничения кинетической энергии. Именно поэтому коллаборативные модели всегда работают медленнее и поднимают меньше груза (обычно от 3 до 35 кг), чем их большие промышленные собратья. Законы физики обмануть нельзя, поэтому если кобот весом 50 кг будет лететь по своей траектории со скоростью 3 метра в секунду, никакие датчики не спасут от жесткого удара из-за инерции.

Поэтому скорость кобота напрямую зависит от требований безопасности и жестко определяет время цикла конкретной операции. Зато их в разы проще внедрить на любом участке производственных предприятий без дополнительного строительства заборов.

Они идеально подходят для рутинных задач: сборка мелких компонентов электроники, обслуживание станков с ЧПУ (CNC) или укладка материалов разных форм. Точные шарниры роботов позволяют перемещать объекты с погрешностью в доли миллиметра, гарантируя высокое качество работы каждую смену.

Как выбрать кобота?

Когда на производственных предприятиях начинают выбирать подходящие модели для своих задач, часто совершается ошибка. Люди верят цифрам крупным шрифтом в рекламных буклетах.

Чтобы интеграция робота прошла успешно и оборудование не уходило в аварийный режим ошибок, важно оценить следующие нюансы при расчете:

• Считаем полную нагрузку. В паспорте заявлено 16 кг. Оператор берет заготовки весом 15 кг, и система останавливается. Почему? Потому что в заявленную массу входит вес самого захвата, пневматики, дополнительных кабелей и камер машинного зрения, висящих на фланце. Если навесное устройство весит 3 кг, для самой детали остается всего 13 кг. Тут модель на 16 кг для 15-килограммовой заготовки уже не подходит.
• Кривая нагрузки (правило вытянутой руки). Попробуйте удержать тяжелую деталь прижатой к груди, а потом на полностью вытянутой руке. Коботу тоже сложнее на максимальном вылете. Максимальная грузоподъемность не постоянна во всей рабочей зоне. Чем дальше от основания (центра) манипулятор забирает груз, тем ниже его реальная способность нести вес. Производители обычно приводят специальный график («кривую нагрузки»), который показывает эту зависимость.
• Динамика и инерция. Если вы хотите быстро перемещать груз, возникают инерционные силы. Резкие старты, остановки и смена траектории робота напрямую влияют на допустимую нагрузку и стабильность движения.
• Запас прочности. Не стоит приобретать кобота впритык. Наша команда инженеров рекомендует закладывать запас в 20–30% сверху от расчетного веса детали с оснасткой. Это нужно, чтобы робот стабильно держал паспортную скорость, сохранял микронную точность и не отправился в сервис в первый же год эксплуатации.

Поэтому наш совет: прежде чем заказать внедрение робота, составьте подробную «карту» вашей операции. Запишите вес детали, оснастки, самую удаленную точку перемещения и требуемую скорость. И только потом подбирайте модель робота, чья кривая нагрузки покрывает все эти точки с запасом.

Программирование и обучение: как заставить железо работать без написания кода

Раньше разработка программы для промышленного робота напоминала подготовку к запуску космического шаттла. Для этого требовалась целая команда инженеров, пишущих километры сложного программного кода. Изменение траектории хотя бы на пару миллиметров выливалось в часы простоя, долгое обслуживание и переписывание алгоритмов.

С коллаборативными роботами все в разы проще. Главная революция в мире коботов — это принципиально новые подходы к программированию. Производители сделали так, чтобы интерфейс управления был понятен обычному человеку со смартфоном, а не только senior-разработчику.

Ручное обучение (Hand-guiding)

Чтобы настроить кобота на выполнение новой задачи, вам не нужно знать C++ или глубоко понимать основы информации о коде. Процесс обучения робота часто происходит физически: оператор переводит манипулятор в специальный свободный режим, буквально берет его за «руку» и аккуратно проводит по нужным точкам.

Например, вам нужна перекладка детали сложной формы. Вы подводите манипулятор к коробке, настраиваете захват, фиксируете положение робота и нажимаете кнопку на пульте — система запомнила первую точку. Затем ведете руку к конвейеру — фиксируете вторую. Вы можете задать несколько промежуточных этапов для обхода препятствий, и это займет минимум времени.

Визуальный интерфейс и блочная логика

Все эти физические действия автоматически ложатся в программное обеспечение. На пульте оператор видит интуитивный интерфейс, где вся логика собирается из готовых визуальных блоков (взять, переместить, подождать сигнал от внешние устройства), как детский конструктор. Это дает возможность вносить изменения на лету. Даже сотрудников без профильного технического образования можно научить перенастраивать оборудование за пару смен.

Такая технология радикально снижает затраты на этапе запуска и настройки робота. Перенастроить линию на выпуск новой продукции теперь занимает  часы. Это именно то, что делает роботизацию экономически выгодной для средних и небольших предприятий, где часто требуется перенастройка линии из-за смены заказов и нет раздутого штата ИТ-специалистов.

Сценарии применения: где коботы приносят реальные деньги (и при чем тут зрение)

В производственной практике сценарии применения коботов давно вышли за рамки простой перекладки коробок. Роботов активно используют там, где нужна монотонная, изматывающая человека точность. Это сборка мелких узлов, сварка тонких швов, упаковка готовой продукции, а также обслуживание станков (когда робот методично загружает и выгружает заготовки в ЧПУ-станок всю смену).

Но настоящая цифровая трансформация начинается там, где слепой манипулятор получает «глаза» и «мозги».

Машинное зрение и контроль качества: интеграция с DMC

Здесь интеграция коллаборативного манипулятора с системами машинного зрения показывает отличные практические результаты.

Представьте классическую задачу: манипулятору нужно забрать товар с линии и уложить в короб. Кобот делает это монотонно и надежно. Но если прямо на его руку (рядом с захватом) установить умную камеру, устройство начинает выполнять двойную работу без потери времени цикла.

В тот самый момент, когда кобот совершает захват продукции, камера дополнительно считывает нанесенный код Data Matrix прямо на лету.

Весь видеопоток и считанные коды мгновенно передаются в наше программное обеспечение — Data Matrix Control (DMC). В этом процессе DMC работает как локальный высокоскоростной «мозг» линии. Наша система опирается на строгие алгоритмы обработки данных. DMC за миллисекунды валидирует криптохвост, проверяет статус кода и оценивает качество печати.

Если камера и DMC видит, что этикетка смазана или код не читается, софт мгновенно подает сигнал, и кобот плавно отправляет бракованную упаковку в корзину, или продукт отправляется дальше по линии и пушер откидывает брак, не останавливая основной процесс.

В этом случае кобот выступает как идеальный контролер ОТК. Ему не нужно выделять отдельное время на проверку — контроль происходит прямо во время естественного движения. Это элегантное решение напрямую повышает эффективность бизнеса, защищает от штрафов, снижает количество возвратов и затраты на ФОТ, окупая стоимость внедрения в первые 1-2 года после внедрения.

Экономика роботизации — кому подходит

Часто при слове «роботизация» владельцы бизнеса представляют себе бесконечный конвейер автомобильного завода и бюджет размером с ВВП небольшой страны. В реальности коллаборативная робототехника создана совершенно для других масштабов.

Коботы — это идеальное решение для средних и малых предприятий. Особенно там, где регулярно меняется номенклатура продукции (так называемый режим High-Mix Low-Volume — высокий ассортимент при небольших объемах).

Классического робота выгодно ставить на линию, которая годами штампует одну и ту же деталь. Если же у вас сегодня сборка одного узла, а завтра упаковка другого, перенастройка традиционной машины съест всю прибыль из-за простоев. Кобота же обычный оператор переучит на выполнение новой задачи за пару часов.

Считаем на калькуляторе

Давайте отложим маркетинговые буклеты и посчитаем реальную математику. Возьмем типичный участок: монотонная укладка деталей на конвейер, работающая в две смены.

Сценарий 1: Человеческий труд

Для закрытия двух смен (без учета выходных и подмен) вам нужно минимум два сотрудника. Допустим, их зарплата — 100 000 рублей на руки. С учетом НДФЛ и социальных взносов каждый рабочий обходится компании примерно в 145 000 рублей ежемесячно. Умножаем на двоих: ФОТ составляет 290 000 рублей в месяц. За год эти два человека заберут из кассы предприятия почти 3,5 миллиона рублей. И это мы еще не считаем больничные, отпуска, спецодежду и бракованные заготовки из-за банальной усталости в конце рабочего дня.

Сценарий 2: Коллаборативный манипулятор

Хороший промышленный кобот под такие задачи со средней грузоподъемностью обойдется в 2,5 – 3 миллиона рублей (уже с базовым захватом и внедрением). Его не нужно кормить, он не ходит на перекуры, у него не бывает похмелья, и он не просит прибавку к зарплате. Он несильно потребляет электричество, и требует минимального технического обслуживания.

Реальные результаты на дистанции

Простая математика показывает, что коллаборативный робот за 3 миллиона окупается всего за 10–12 месяцев только за счет экономии на фонде оплаты труда.

Дальше начинается чистая выгода. Если мы посмотрим на горизонт в три года, окажется, что железная рука сэкономит бизнесу больше 7 миллионов рублей. При этом она будет держать микронную точность, гарантируя высокое качество без ошибок.

Из чего складывается цена и как считать окупаемость

На рынке России сегодня представлены десятки брендов и производителей. И здесь кроется главный подвох. Цена самого «голого» манипулятора в каталоге лишь часть затрат.

Чтобы грамотно оценить возможные риски и рассчитать реальную стоимость проекта, нужно учитывать:

1. Само устройство. Железная рука с нужной грузоподъемностью и радиусом действия.
2. Оснастку. Робот без рук бесполезен. Сюда входят захваты (грипперы), вакуумные присоски, специальные насадки для сварки.
3. Зрение и софт. Камеры машинного зрения и программное обеспечение (например, интеграция с нашим DMC для валидации кодов маркировки на лету).
4. Внедрение. Подключение к локальным системам и оборудованию предприятия.

Зато вы получаете колоссальную экономию на инфраструктуре. Вам не нужно строить защитные ограждения, останавливать соседние линии, перекраивать цех и нанимать дорогих инженеров-программистов. Благодаря этому общая стоимость запуска коллаборативного робота часто выходит меньше, чем установка классической роботизированной ячейки.

Средний срок окупаемости таких проектов на предприятиях с двухсменным графиком составляет от 8 до 18 месяцев. Кобот не берет больничные, не отвлекается на перекуры и методично снижает процент брака до нуля. А это прямой рост производительности и защита от дорогих человеческих ошибок.

Если вам нужно выбрать и подобрать оптимальную модель под конкретный участок, не ориентируйтесь только на рекламные буклеты. Команда инженеров всегда должна начинать выбор с аудита процесса, чтобы железо действительно приносило деньги.