Мировая промышленность переживает стремительную трансформацию прямо на наших глазах: персонал заводов сменяется автономными системами, цеха переходят на режим цифрового управления, традиционные линии сборки уступают место мобильным платформам. Индустрия 4.0 развивается быстрее, чем успевают адаптироваться инженерные школы и профессиональные сообщества. О причинах технологического разрыва и возможных путях его преодоления, а также ключевых трендах промдизайна роботов и влиянии эстетики на культуру современного производства рассказывает Артур Шимановский — инженер-робототехник, управленец и предприниматель.
- о ключевых трендах в промышленной робототехнике
- какие изменения ожидают роботизированные производства в ближайшем будущем
- почему универсальные роботы будут соседствовать с узкоспециализированными
- как технологии машинного обучения меняют возможности промышленных роботов
Наше основное направление — беспилотная мобильная робототехника во всех ее проявлениях. Мы занимаемся реверс-инжинирингом программного обеспечения тех компаний, которые покинули российский рынок. Потребность в качественном ПО никуда не делась, и здесь наши компетенции, особенно в тех областях, где требуется серьезная математика, оказались весьма кстати. Помимо этого, мы развиваем телеметрию и системы удаленного управления.
Отдельное направление — образование. Мы можем развернуть образовательный проект в любом вузе, создать там центр робототехники и мехатроники, разработать учебные курсы и преподавать студентам. В штате много аспирантов с опытом преподавания, хорошими публикациями и интересными проектами.
В настоящее время наблюдается ощутимый дефицит кадров: в 1990-х и 2000-х годах Россия пережила демографический кризис, и сейчас мы ощущаем его последствия: молодежи просто не хватает. С другой стороны, у нас есть распоряжение главы страны о повышении плотности роботизации в промышленности до 2030 года. Важнейшая задача, поскольку мы видим, как индустрия 4.0 шагает вперед семимильными шагами. Ее направление уже очевидно по развитию электронных устройств и технологий искусственного интеллекта.
Молодым россиянам необходимо современное образование, впитавшие лучшее из мировой практики робототехники и мехатроники. Больше всего это касается будущих инженеров-робототехников, которые, в отличие от операторов, должны «быть на ты» с обширным стеком технологий. Такие комплексные программы подготовки в России только начинают появляться.
Промышленный дизайн — междисциплинарная область, объединяющая инженерию, эргономику и эстетику. Цель современного промдизайна очень четко определена — создание функциональных, безопасных и визуально привлекательных изделий для массового производства.
Если взять любой окружающий нас предмет — стул, телефон, автомобиль — и изучить историю его создания, мы обнаружим, что в его разработке участвовало множество специалистов: от дизайнера, придумавшего концепцию, до инженеров, технологов и материаловедов. Результат их совместной работы — и есть продукт промышленного дизайна.
Но в случае с роботами есть свои особенности. Первые промышленные роботы 1950-х годов имели чисто функциональный дизайн — громоздкие, шумные, угловатые. Позже разработчики поняли, что привлекательная форма оказывает значительное влияние на рабочий настрой человека. Робот с плавными линиями, минимальным шумом и ярким, дружелюбным дизайном вызывает у обслуживающего его персонала меньше напряжения — с ним просто комфортнее работать рядом.
Не менее важен и дизайн средств управления. Пульт управления промышленным роботом должен удобно лежать в руке, иметь подходящую расцветку и интуитивно понятный интерфейс. Все это тоже часть промышленного дизайна.
С одной стороны, все к тому и идет. С другой, во мне говорит инженер. Робот, полностью повторяющий анатомию человека, кажется идеальным решением, ведь вся инфраструктура человека уже под него заточена. Выключатели, клавиатуры, маршруты передвижения, рабочие места — все спроектировано под человеческие пропорции. Такой робот сможет сразу работать в существующей среде, без необходимости ее адаптации.
Но в этом и ограничение: человек универсален, а робот, как правило, должен быть специализирован. Универсальность почти всегда проигрывает в эффективности узкой специализации. Думаю, робототехника продолжит развиваться в двух направлениях: универсальные человекоподобные роботы для сервисных задач и узкопрофильные машины, созданные под конкретные функции.
Простой пример специализированного робота — робот-пылесос. У него нет других функций, кроме уборки пола в заданном режиме. Разве что, как мы знаем из роликов в соцсетях, он еще способен быть средством передвижения для домашних котов. В остальном — его дизайн продуман, эстетичен, минималистичен. То же самое с роботами-доставщиками вроде роверов «Яндекса»: у них строго определенная функция.
Так и в промышленности, где тоже преобладают узкоспециализированные роботы: для сварки, нанесения покрытий, сборки, паллетизации, обслуживания станков. И даже внутри этих категорий появляются еще более специализированные модели.
Разные источники дают разную информацию. Среди наиболее роботизированных — производства в Японии и Китае. Это производство электроники, автомобилестроение и фармацевтика — три направления, потребляющие наибольшее количество промышленных роботов.
Если же говорить про самые роботизированные страны в целом, то в лидерах можно увидеть Южную Корею, Сингапур и вновь Китай. В Корее и Сингапуре огромные масштабы производства бытовой техники и электроники.
Везде, где есть передовые фармацевтика, автомобилестроение или электроника, высока плотность роботизации.
В высокотехнологичной электронной промышленности роботы задействованы практически на всех этапах: сборка, контроль, упаковка, паллетирование, отгрузка. В автомобилестроении это еще более очевидно: кузова автомобилей на производствах ведущих мировых концернов полностью создаются в автоматическом режиме с активным участием промышленных роботов. Фармакология и медицина также активно роботизируются, особенно в процессах стерильного массового производства.
Интересное направление, которым занимается и наша группа, — интеграция в роботизированные производства алгоритмов искусственного интеллекта и систем компьютерного зрения.
Представьте, что обычный промышленный робот — по сути, железка с шестью двигателями, которая не чувствует, не видит, не слышит — получает способность осознавать окружающую обстановку, распознавать объекты и взаимодействовать с ними по уникальным траекториям.
Это гигантский скачок вперед, потому что традиционная автоматизация требует упорядоченности: перед роботом все должно лежать в определенных местах, он работает адресно. И если поставить перед ним ящик с хаотично расположенными деталями, он не сможет работать.
Роботы-сортировщики — отдельное направление, которое может значительно изменить некоторые бизнес-процессы. Например, на сортировочных центрах «Почты России» оператор часами вручную перебирает почтовые отправления: берет каждое и кладет штрих-кодом вверх на конвейер. Интеллектуальные роботы могли бы справиться с этой монотонной и изнурительной задачей намного эффективнее уже сегодня.
Это уже не фантастика, хотя массового применения такие решения в производстве пока не получили — мы делаем первые шаги. Уже существуют коллаборативные роботы, способные ощущать прикосновения и регулировать силу, работая рядом с человеком, но на невысоких скоростях. На высокой скорости даже коллаборативный робот становится опасным.
Многие научные группы в мире, включая нашу, работают над технологиями машинного обучения для промышленных роботов. Это направление значительно расширит возможности классической робототехники и позволит внедрять интеллектуальные системы в существующие автоматизированные линии.
Машины обретают зрение, слух, манипуляторы становятся тактильными. Такова уже сегодняшняя реальность, но это не предел. В ближайшие 5−7 лет промышленные процессы будут дополняться модулями с искусственным интеллектом, обеспечивающими новые функции. К примеру, быструю переналадку. Это основа основ, поскольку больше всего времени в производстве занимает именно переналадка, а затем контроль операций, упрощение программирования.
Цель — чтобы человек мог просто объяснить роботу задачу: «Подойди сюда, возьми эту деталь, поставь туда, подожди, забери и положи сюда», и робот сам выполнял всю последовательность действий.
Современные технологии требуют, чтобы инженер одновременно был программистом, математиком, конструктором и технологом. Стек специалиста должен быть широким, чтобы он мог стать профессиональным робототехником.
Для меня, хотя я не профессиональный программист, Python стал одним из основных инструментов проверки теорий.
Ведь инженеры сначала тестируют свои идеи в виртуальной среде, «песочнице», прежде чем реализовывать их в железе. Так экономятся ресурсы и время. А основные инструменты симуляции — ROS 2 и другие среды цифровых двойников, где без понимания языка программирования или хотя бы базовой математики далеко не уедешь.
Владение программированием останется востребованной компетенцией даже через пять лет и дальше, несмотря на развитие ИИ. Без фундаментальных знаний невозможно оценить качество результата и внести необходимые коррективы.
Разумеется, вся микроэлектроника. Она уже проникает в каждый аспект нашей жизни и становится основой любой робототехнической системы. Это из очевидного. Но, помимо этого, на стыке разных дисциплин сегодня формируются новые направления, масштабы которых пока сложно оценить.
Бурный рост ожидается в области автономных систем — от дронов до робомобилей, — где ключевыми драйверами становятся ИИ, сенсорика и телекоммуникации. Перспективна такая область знаний, как материаловедение — особенно в области материалов с заданными свойствами.
Много интересных открытий может принести дальнейшее развитие квантовых и нейроморфных вычислений. Они могут стать весомым дополнением к традиционным архитектурам, особенно в задачах планирования, распознавания и адаптации в реальном времени.
Все это приведет к появлению новых поколений роботов — более чувствительных, автономных и инкорпорированных в цифровую инфраструктуру мира.
Также думаю, что в скором будущем аддитивные технологии выращивания изделий вытеснят классические технологии изготовления. Сейчас аддитивная печать металлами еще дорогостоящая и имеет много технических сложностей, но эти проблемы активно решаются.
Когда она станет более доступной, вместо доставки на завод определенных видов проката или сплавов можно будет привезти порошок, из которого напечатать все что угодно — быстро и качественно.
Вообразите себе самолет, который в два раза легче обычного — он либо будет потреблять вчетверо меньше топлива, либо сможет перевозить вдвое больше груза. Это кардинально меняет экономику перевозок. То же самое применимо к автомобилестроению, архитектуре и, конечно, к самим роботам.
Современные промышленные роботы не зря применяются в огороженных рабочих зонах, оборудованных фотодатчиками и лазерными барьерами, концевыми выключателями, системами контроля доступа и так далее. Это не просто формальность: робот остается машиной с мощными приводами и высокой скоростью движения. Если человек окажется в зоне его действия, последствия могут быть фатальными.
Так что безопасность — абсолютный приоритет. Эти правила написаны кровью, и нет смысла создавать цеха, где человек находится рядом с активными механизмами. Рациональнее — полностью безлюдное производство.
Безлюдные фабрики или dark factories — это реальность и вектор развития всей отрасли.
Такие предприятия уже есть. Например, в Нидерландах работает завод по выпуску судовых дизельных генераторов, где заняты всего два человека. Производство функционирует в полумраке: это экономит свет и тепло, ведь роботы выделяют достаточно энергии и нормально работают при пониженной температуре.
Большие ставки на dark factories делают китайские компании. Например, Xiaomi в 2023 году представила проект такого производства. Автономная фабрика Xiaomi Smart Factory работает в Пекине. Весь процесс производства полностью автоматизирован: люди только наблюдают за его ходом. Роботы на этой фабрике собирают по 40 автомобилей в час, новая машина сходит с конвейера каждые 76 секунд.
Другой пример — завод Philips в Драхтене, в Нидерландах, выпускает электробритвы. 128 роботов трудятся в полностью затемненных цехах. И это производство обладает высокой гибкостью: оно может быть перестроено с выпуска одной модели на другую всего за несколько часов.
В Германии на заводе Audi в Ингольштадте сборочный цех также функционирует в темном режиме. 800 высокоточных сварочных роботов выполняют сложнейшие задачи за считанные секунды, обеспечивая непрерывный рабочий процесс. Помещение освещается только тогда, когда туда заходит человек и срабатывают датчики движения.
На фабрике Changying Precision Technology Company в китайском городе Дунгуань производятся комплектующие для мобильных телефонов. Почти весь персонал — роботы. 60 роборук без перерыва на десяти линиях сборки выпускают компоненты смартфонов.
В ближайшие годы число таких производств по всему миру будет расти. Для этого созрели все предпосылки: роботы и автономные тележки успешно заменяют человека и конвейер, трудятся круглые сутки без перерывов и выходных. Добавьте к этому индустриальный интернет вещей IIoT, который позволяет в реальном времени следить за работой оборудования и заранее предсказывать поломки. Выбор в пользу dark factories становится очевиден.
Появляются матричные производства: когда есть массовое производство, но конвейера нет. Вместо него используется множество мобильных платформ, перемещающихся по производству. Это хорошо в случае внесения регулярных обновлении на линию, кастомизации партий товаров, их частой модернизации.
Например, вы заказали автомобиль с индивидуальными опциями. На обычном конвейере ваша машина движется по одной линии с другими, просто в определенных точках ей устанавливают выбранные вами компоненты.
В матричном производстве платформа с кузовом вашего автомобиля перемещается только к тем рабочим станциям, которые нужны для вашей комплектации. Производственная цепочка ветвится.
И самое интересное: когда производитель решает прекратить выпуск одной модели и начать другую, те же мобильные платформы могут быстро перенастроить все процессы: убрать старую оснастку, доставить новую. Более того, на одной линии можно одновременно собирать несколько разных моделей.
История движется по кругу.
Современному инженеру важно быть архитектором в широком смысле этого слова — обладать широким техническим кругозором. Это и математика, и программирование, и основы дизайна, и конструирование, и знание технологий. Он должен быть человеком, открытым будущему, интересующимся футурологией и способным ставить перед собой дерзкие цели, которые другим кажутся недостижимыми.
Молодым инженерам я бы посоветовал как можно раньше освоить базовые навыки: чтобы, придя в индустрию, быть готовыми к решению задач любой сложности.
Не получается решить проблему сразу — создай симуляцию, проверь в цифровой среде. Нет нужных материалов — найди альтернативу, используй современные инструменты. Хочешь проверить гипотезу — напиши код, протестируй идею. Такой многослойный подход позволяет находить работающие решения с минимальными затратами времени и ресурсов.
В будущем, когда мы пройдем этап индустрии 4.0 и войдем в пятую промышленную революцию — с глобальной беспроводной связью, облачными инфраструктурами, безлюдными фабриками и аддитивными технологиями, — нас ждет серьезный вызов: высвобождение миллионов рабочих мест. Эта проблема станет особенно острой уже через одно-два поколения.
А это будет уже зависеть от самих поколений. Человек по своей природе — создатель, демиург. Люди должны непрерывно что-то генерировать и созидать. Поэтому даже в мире тотальной автоматизации инженеры и творцы будут нужны. Именно им, а не роботам, предстоит создавать новые профессии и индустрии в изменившемся мире.
Что еще почитать и посмотреть по теме
- «Дизайн для реального мира», Виктор Папанек. Книга посвящена промышленному дизайну и его роли в решении проблем людей.
- «Эргономические составляющие дизайна робототехники», Е. В. Антипина, К. С. Ившин. Статья опубликована в журнале «Дизайн и технологии» в 2018 году.
- «Проектирование и моделирование промышленных изделий», С. А. Васин, А. Ю. Талащук, В. Г. Бандорин и другие. Учебник для вузов, изданный в 2004 году.
- «Робототехнические мехатронные системы», О. Д. Егоров, Ю. В. Подураев, М. А. Бубнов. В книге изложена теория конструирования промышленных роботов и автоматизированных систем.
