หุ่นยนต์พัฒนาสู่โคบอทในอุตสาหกรรม 4.0

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมถือกำเนิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของ Industry 3.0 ควบคู่ไปกับการควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์และระบบอัตโนมัติ และมีการพัฒนามาหลายปี จนกลายเป็นอุปกรณ์ที่มีความเชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมและกระบวนการต่าง ๆ หุ่นยนต์ถูกออกแบบมาสำหรับการผลิตจำนวนมาก และมักจะทำงานเพียงลำพังในงานใดงานหนึ่งโดยเฉพาะ ด้วยการเกิดขึ้นของอุตสาหกรรม 4.0, ระบบไซเบอร์-กายภาพ และ Internet of Thing (IoT) จึงมีการพัฒนาหุ่นยนต์ส่วนหนึ่งให้เป็นหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานที่เรียกว่าโคบอท โคบอทมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งที่อยู่รอบตัวของพวกมัน รวมถึงผู้คนและหุ่นยนต์อื่น ๆ และสนับสนุนการผลิตที่ยืดหยุ่นและการผลิตปริมาณมากเฉพาะกลุ่ม (ภาพที่ 1)

รูปที่ 1: หุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไปทำงานอยู่ในพื้นที่แยก (ซ้าย) ในขณะที่โคบอท (ขวา) ได้รับการออกแบบให้มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งที่อยู่รอบตัวของพวกมัน รวมถึงผู้คนและหุ่นยนต์หรือเครื่องจักรอื่น ๆ (ที่มาของภาพ: Omron)

เส้นทางวิวัฒนาการจากหุ่นยนต์สู่โคบอทมีการดัดแปลงหลายอย่าง โดยที่โคบอททำงานแตกต่างออกไป มีการตั้งโปรแกรมที่ต่างกัน มักจะมีขนาดเล็กกว่า เรียบง่ายกว่า และในบางกรณีพวกมันก็อาจเป็นอุปกรณ์เคลื่อนที่ ใช้สำหรับกระบวนการที่แตกต่างจากหุ่นยนต์ และจะต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้วโคบอทจะไม่แข่งขันกับหุ่นยนต์หรือเข้ามาแทนที่หุ่นยนต์ โคบอทได้เพิ่มโอกาสในการใช้กระบวนการอัตโนมัติ

บทความนี้กล่าวถึงเส้นทางวิวัฒนาการของหุ่นยนต์สู่โคบอท โดยที่จะเปรียบเทียบว่าหุ่นยนต์และโคบอททำงานแตกต่างกันอย่างไร ศึกษาวิธีการเขียนโปรแกรมที่ใช้กับโคบอท วิเคราะห์การใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) IoT และเทคโนโลยีอื่น ๆ เพื่อให้โคบอทเคลื่อนที่และโต้ตอบกับผู้คน แสดงรายละเอียดการใช้งานบางประเภทที่โคบอททำงานได้ดีกว่า เช่น การดำเนินการเก็บรายละเอียดขั้นสุดท้าย การควบคุมคุณภาพ การขนส่ง/การขนย้ายวัสดุ และอื่น ๆ รวมทั้งจะมีการกล่าวถึงมาตรฐานความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นสำหรับโคบอท โดยรวมแล้วจะแสดงให้เห็นถึงการดำเนินการทางกายภาพ-ไซเบอร์ในอนาคตที่รวมหุ่นยนต์ โคบอท และผู้คนเข้าด้วยกัน เพื่อให้มีคุณภาพและประสิทธิผลสูงที่สุดพร้อมทั้งลดต้นทุนโดยรวมในขณะเดียวกัน

โคบอทได้รับการออกแบบมาไม่เพียงแค่ให้ทำงานกับผู้คนเท่านั้น แต่ยังสามารถเคลื่อนย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ (ภาพที่ 2) ลักษณะเหล่านี้มีความสำคัญต่อการโปรแกรมโคบอท สถานที่และเวลาที่จะใช้โคบอท และข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของโคบอท

ภาพที่ 2: โคบอทสามารถย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ตามต้องการสำหรับการใช้งานเฉพาะ (ที่มาของภาพ: Omron)

การสอนโคบอท

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมถูกตั้งโปรแกรมโดยใช้ภาษาต่าง ๆ เช่น C และ C++ โคบอทได้ถูกพัฒนามาให้ "สอน" โดยใช้เครื่องมือต่าง ๆ ที่ไม่ต้องใช้โค้ด เช่น แผงสอนและควบคุม (Pendant) หรือคอมพิวเตอร์แท็บเล็ต แม้กระทั่งการเคลื่อนย้าย แขนโคบอท จากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งด้วยตัวผู้สอนเอง (รูปที่ 3) การใช้วิธีการสอนแบบต่างๆ แทนการเขียนโปรแกรมแบบเดิมทำให้โคบอทเรียนรู้งานใหม่ได้เร็วยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเมื่อโคบอทถูกย้ายจากการงานหนึ่งไปอีกงานหนึ่ง เวลาที่ใช้ในการตั้งโปรแกรมหุ่นยนต์อุตสาหกรรมนั้นสมเหตุสมผลในเชิงเศรษฐศาสตร์ เนื่องจากมีการใช้งานที่มีการผลิตสูงเป็นระยะเวลาที่ค่อนข้างนาน ในทางกลับกันโคบอทจำเป็นต้องเรียนรู้กระบวนการใหม่อย่างรวดเร็วเพื่อหลีกเลี่ยงช่วงเวลาที่โคบอทไม่สามารถทำงานได้เป็นเวลานานซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายที่มีมูลค่าสูง ผู้ควบคุมเครื่องจักรสามารถสอนงานโคบอทเฉพาะงานนั้น ๆ ได้โดยไม่ต้องอาศัยความช่วยเหลือจากโปรแกรมเมอร์ผู้เชี่ยวชาญ สามารถสอนงานต่าง ๆ เช่น การหยิบและวาง ให้กับโคบอทได้ในเวลาไม่กี่นาที รวมถึงการตรวจสอบผลลัพธ์ด้วยสายตา

รูปที่ 3: สามารถฝึกโคบอทได้โดยการขยับแขนจากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่ง มือขวาของผู้ปฏิบัติงานอยู่บนกล้องความละเอียดสูงที่โคบอทสามารถใช้เพื่อดูว่าอยู่ในตำแหน่งใดและสิ่งใดอยู่ในตำแหน่งนั้น (ที่มาของภาพ: Omron)

AI บวกกับแมชชีนวิชันสามารถช่วยปรับปรุงการเรียนรู้และการทำงานของโคบอทได้ ระบบวิชันซิสเต็มอัจฉริยะของโคบอทมีความสามารถหลากหลาย เช่น การระบุและการหาตำแหน่งวัตถุ การอ่านค่าบาร์โค้ดและโทเท็ม การจับคู่รูปแบบ และการจดจำสี ระบบวิชันซิสเต็มยังสามารถเปิดใช้งานการทำงานตามสัญญาณมือเพื่อให้โคบอทเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่งและสอนกระบวนการใหม่ให้กับโคบอท ในกรณีอื่น ๆ ผู้ควบคุมเครื่องจักรสามารถสอนโคบอทได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพโดยใช้ระบบแบบลากและวางบนด้วยโฟลว์ชาร์ตบนคอมพิวเตอร์แท็บเล็ต (ภาพที่ 4)

รูปที่ 4: การสอน/การเขียนโปรแกรมแบบลากและวางที่ใช้งานง่ายช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นของโคบอท (ที่มาของภาพ: Omron)

นอกเหนือจากการทำงานกับผู้คนแล้ว โคบอทยังสามารถทำงานร่วมกับหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (AMR) เพื่อเปลี่ยนจากการทำงานหนึ่งไปทำงานอีกอย่างหนึ่ง (ภาพที่ 5) AMR คือโคบอทเฉพาะทางที่ทำงานร่วมกับผู้คน โคบอท หุ่นยนต์ และเครื่องจักร ซึ่งทำงานต่าง ๆ เช่น การจัดการวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพดีเยี่ยม เช่นเดียวกับการจัดการวัสดุ การนำโคบอทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งไม่ใช่กิจกรรมที่ใช้ทักษะสูง ทำให้ AMR เหมาะสำหรับงานนี้ AMR เดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยการรวมเซ็นเซอร์ออนบอร์ดและการคำนวณเพื่อทำความเข้าใจสภาพแวดล้อมในทันทีด้วยการเชื่อมต่อไร้สายไปยังทรัพยากรการคำนวณแบบรวมศูนย์และเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนทั่วทั้งโรงงาน เพื่อช่วยให้ AMR เข้าใจตำแหน่งของสิ่งกีดขวางบนเส้นทางที่วางแผนไว้และนำทางไปรอบ ๆ สิ่งกีดขวางที่อยู่กับที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น เวิร์กสเตชัน ชั้นวาง และหุ่นยนต์ ตลอดจนสิ่งกีดขวางที่เคลื่อนที่ได้ เช่น โฟล์คลิฟท์ AMR และผู้คน

รูปที่ 5: สามารถนำหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (บน) เคลื่อนย้ายไปยังเวิร์กสเตชันใหม่ได้โดยใช้หุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (ด้านล่าง) (ที่มาของภาพ: Omron)

โคบอทเหมาะสำหรับการใช้งานแบบใด

ความสามารถของโคบอทในการทำงานร่วมกับ AMR คน หุ่นยนต์ และเครื่องจักรเปิดโอกาสใหม่ ๆ ในการทำงานอัตโนมัติ โดยที่โคบอทมีการใช้งานในการผลิตปริมาณมากแต่มีความเฉพาะกลุ่มในอุตสาหกรรมและกระบวนการที่หลากหลาย เช่น การประกอบ การจ่าย การขันสกรู การกลึงเครื่องจักร การจัดเรียงพาเลท การหยิบและวาง และอื่น ๆ ในอุตสาหกรรมที่หลากหลายเท่า ๆ กันตั้งแต่ยานยนต์ไปจนถึงการแปรรูปอาหารและ การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (รูปที่ 6)

ภาพที่ 6: โคบอทมีความยืดหยุ่นและใช้งานได้หลากหลาย (ที่มาของภาพ: Omron)

ประสิทธิภาพของงานประกอบซ้ำ ๆ หรือซับซ้อนสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยโคบอทที่ทำงานร่วมกับผู้คน หากจับคู่กับ AMR โคบอทสามารถปรับปรุงการดำเนินการหยิบที่ซับซ้อนและการส่งมอบวัสดุไปยังจุดปฏิบัติงานได้ เมื่อวัสดุถูกส่งไปยังส่วนท้ายของสายการผลิตแล้ว โคบอทสามารถจัดเรียงสินค้าบนพาเลทเพื่อจัดส่งได้อย่างรวดเร็ว ด้วยการใช้แมชชีนวิชั่นและ AI ทำให้โคบอทสามารถตรวจสอบ จัดเรียง และหยิบชิ้นส่วนขั้นสุดท้ายออกจากสายพานลำเลียงแล้วบรรจุลงกล่อง โคบอทสามารถปรับพฤติกรรมได้อย่างรวดเร็วเพื่อรองรับผลิตภัณฑ์ใหม่และตามฤดูกาล

โคบอทสามารถปรับให้เข้ากับกระบวนการผลิตที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึง (ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้) งานที่ทำร่วมกับเครื่องจักร การขันสกรู และการจ่าย เครื่อง CNC, เครื่องปั๊มและกดชิ้นงาน, เครื่องตัดต่าง ๆ และสถานีฉีดขึ้นรูปเป็นหนึ่งในงานที่ทำร่วมกับเครื่องจักรที่โคบอทสามารถช่วยผู้คนโดยการทำงานที่ซ้ำซากและอาจเป็นอันตรายได้ การใช้โคบอทแบบขันสกรูนั้นจะช่วยเพิ่มความแม่นยำและแรงบิดที่สม่ำเสมอ ส่งผลให้มีคุณภาพสูงกว่าการประกอบโดยใช้คน การจ่ายวัสดุต่าง ๆ เช่น กาว ซีล สี และพื้นผิวอื่น ๆ สามารถทำได้โดยโคบอทที่มีความแม่นยำสูง สามารถเปลี่ยนอุปกรณ์ติดปลายแขนโคบอทได้ ซึ่งจะทำให้โคบอทสามารถเปลี่ยนจากการทำงานหนึ่งไปอีกงานหนึ่งได้ตามต้องการ (ภาพที่ 7)

รูปที่ 7: อุปกรณ์ติดปลายแขนโคบอททที่สามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดายสำหรับงานต่าง ๆ สิ่งนี้ให้ความยืดหยุ่นในการเปลี่ยนตามการผลิตที่แตกต่างกันโดยมีเวลาหยุดทำงานน้อยที่สุด รูปภาพของอุปกรณ์ติดปลายแขนโคบอทสองอันดับแรก ได้แก่ กล้องความละเอียดสูงสำหรับระบบวิชันซิสเต็มโดยใช้ AI (ที่มาของภาพ: Omron)

การตรวจสอบชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเป็นอีกสิ่งหนึ่งที่โคบอทที่มีวิชันซิสเต็มสามารถทำงานได้อย่างดีเยี่ยม หากชิ้นส่วนนั้นซับซ้อน การตรวจสอบอย่างละเอียดอาจต้องใช้ภาพที่มีความละเอียดสูงจากมุมต่าง ๆ ที่ต้องใช้การทำงานของกล้องที่อยู่กับที่หลายตัว โคบอทที่มีกล้องเพียงตัวเดียวสามารถตรวจสอบชิ้นส่วนและเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ชิ้นส่วน โดยจับภาพที่ต้องการทั้งหมดสำหรับการตรวจสอบด้วยภาพโดยสมบูรณ์

การพัฒนาความปลอดภัยของโคบอท

ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยนั้นพัฒนาไปพร้อมกับโคบอท เมื่อเทียบกับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของโคบอทนั้นซับซ้อนกว่า ทีมที่ประกอบด้วยโคบอทและบุคคลสามารถรวมความสามารถในการทำงานซ้ำ ๆ ของหุ่นยนต์เข้ากับทักษะและความยืดหยุ่นเฉพาะบุคคล โคบอท (และหุ่นยนต์) เชี่ยวชาญในงานที่ต้องการความแม่นยำ ความทนทาน และพละกำลัง ขณะที่ผู้คนมีความชำนาญในการแก้ปัญหาในสถานการณ์ที่ไม่แน่ชัดและปัญหาที่แตกต่างกัน การรวมชุดทักษะเหล่านี้ทำให้เกิดความท้าทายในด้านการปฏิสัมพันธ์ที่ปลอดภัยระหว่างผู้คนและโคบอท

มาตรฐานความปลอดภัยสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะอิงตามการตำแหน่งของผู้ปฏิบัติงานในพื้นที่ทำงานในขณะที่หุ่นยนต์ทำงานอยู่ ความปลอดภัยของโคบอทมาจากการมีปฏิสัมพันธ์กับผู้คน ขีดจำกัดความเร็ว แรงบิด และแรงของโคบอทคือมาตรฐานความปลอดภัยที่กำหนด ซึ่งรวมถึงการหยุดฉุกเฉินและการหยุดเชิงป้องกัน

การหยุดฉุกเฉินของโคบอทจะมาจากผู้ควบคุม ซึ่งจะหยุดการเคลื่อนที่ทั้งหมดของโคบอทและนำพลังงานออกจากโคบอท ซึ่งจำเป็นต้องรีบูต เพื่อฟื้นฟูจากการหยุดฉุกเฉิน การหยุดเชิงป้องกันเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ เมื่อบุคคลเข้าสู่พื้นที่ป้องกันรอบ ๆ โคบอท (ภาพที่ 8) ในระหว่างการหยุดเชิงป้องกัน โคบอทยังคงได้รับพลังงาน นอกจากนี้จะมีการตรวจสอบตัวเข้ารหัสการเคลื่อนไหวของโคบอทสำหรับการเคลื่อนไหวโดยไม่ได้ตั้งใจ หากตรวจพบการเคลื่อนไหวโดยไม่ได้ตั้งใจ จะปลดพลังงานออก

รูปที่ 8: พื้นที่ปลอดภัยพิกัดรอบ ๆ โคบอท (กล่องสีน้ำเงิน) อาจเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือทรงกระบอก และกำหนดเขตการยกเว้น หากผู้ทำงานอยู่ถัดจากโคบอทเข้าสู่เขตการยกเว้น โคบอทจะเริ่มหยุดเชิงป้องกัน (ที่มาของภาพ: Omron)

โคบอทบางตัวได้รับการออกแบบด้วยการตั้งค่าความเร็วในการทำงานสองแบบ แบบหนึ่งสำหรับประสิทธิภาพสูงสุด และอีกแบบหนึ่งเพื่อความปลอดภัยสูงสุด ในการตั้งค่าประสิทธิภาพสูงสุดจะถือว่าไม่มีใครเข้าไปในพื้นที่การป้องกันของโคบอท และโคบอทจะทำงานด้วยความเร็วสูงเพื่อการผลิตสูงสุด หากมีคนเข้าไปในพื้นที่การป้องกัน โคบอทจะเข้าสู่การตั้งค่ามนุษย์-โคบอทโดยอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัยสูงสุดโดยการลดความเร็ว แรงบิด และแรงลง

มีการพัฒนามาตรฐานและแนวทางปฏิบัติมากมายเกี่ยวกับความปลอดภัยของโคบอท มาตรฐานทางเทคนิค ISO 15066:2016 และรายงานทางเทคนิค RIA 15.606-2016 ทั้งสองอธิบายเทคนิคการทำงานร่วมกันสี่แบบที่ใช้เพื่อลดความเสี่ยงต่อผู้ปฏิบัติงานที่เป็นมนุษย์: ระบบหยุดตรวจสอบอัตราความปลอดภัย การใช้สัญญาณมือสั่งการ ความเร็ว และการตรวจสอบการแบ่งแนว และระบบจำกัดกำลังแรง (PFL) TS 15066 เป็นกฎเกณฑ์และมีรายละเอียดขั้นตอนที่จำเป็นสำหรับการปฏิบัติตามมาตรฐาน TS 15.606 เป็นการให้ข้อมูลและวิธีการที่สามารถใช้สำหรับการปฏิบัติตามมาตรฐานได้

RIA TR R15.806-2018 อธิบายวิธีการทดสอบแรงที่กระทำโดยระบบ PFL ระบบเซ็นเซอร์จำเป็นต่อการปฏิบัติตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบความเร็วและการแบ่งแนว สำหรับระบบ PFL และการหยุดตามระดับความปลอดภัย จำเป็นต้องมีการป้องกันในเขตยกเว้น

ISO 13855:2010 กำหนดตำแหน่งของการป้องกันด้วยความเร็วที่เข้าใกล้ของโคบอทตามต่าง ๆ ของร่างกายมนุษย์ มีวิธีการกำหนดระยะห่างขั้นต่ำสุดไปยังโซนอันตรายจากโซนตรวจจับ/ยกเว้น หรืออุปกรณ์ป้องกันการทำงาน

บทสรุป

การทำงานร่วมกันเป็นจุดเด่นของอุตสาหกรรม 4.0 และระบบกายภาพ-ไซเบอร์ และโคบอทมีส่วนสำคัญในการขับเคลื่อนการทำงานร่วมกันในระดับที่สูงขึ้น โคบอทพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ใช้งานได้ง่าย ปลอดภัย และยืดหยุ่นมากขึ้น ความก้าวหน้าในเครื่องมือสอนโคบอทและ AI ทำให้การใช้โคบอทง่ายขึ้น อินเทอร์เฟซระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร (HMI) ที่พัฒนาขึ้นมาของโคบอททำให้เกิดการผลิตปริมาณมากเฉพาะกลุ่มเพิ่มขึ้นและมีคุณภาพสูงขึ้น โคบอทไม่ได้มาแทนที่หุ่นยนต์ โคบอทกำลังขยายโอกาสในการทำงานอัตโนมัติ และเส้นแบ่งระหว่างหุ่นยนต์ โคบอท และผู้คนก็มีความกลมกลืนมากยิ่งขึ้น เนื่องจากโคบอทกลายเป็นเหมือนเพื่อนร่วมงานและแตกต่างหุ่นยนต์อุตสาหกรรม มาตรฐานความปลอดภัยของโคบอทจึงเพิ่มมากขึ้นและมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อให้มั่นใจว่าประสิทธิภาพการทำงานของการทำงานร่วมกับมนุษย์นั้นจะเกิดขึ้นอย่างปลอดภัย