Pełne rozumienie terminu „automatyzacja i robotyzacja” kluczem do udanej robotyzacji

Piotr Świderski
Ekspert współpracujący z Platforma Przemysłu Przyszłości

W dobie czwartej rewolucji przemysłowej jednym z najczęściej powtarzanych terminów jest „automatyzacja i robotyzacja”. Co kryje się pod tym hasłem i czy robotyzacja słusznie postrzegana jest jako osobny, stojący obok automatyzacji proces? Walka z mitem robotów jako skomplikowanych w obsłudze maszyn zaczyna się od rozumienia ich działania i ich miejsca w procesie. Dlaczego robotyzacja to jedyne wyjście?

Czym właściwie jest „automatyzacja i robotyzacja”?

Żeby odpowiedzieć na powyższe pytanie, należy odnieść się do definicji tych haseł z osobna. O ile ciężko dziś podać jedyną słuszną, spójną i stosunkowo krótką definicję automatyzacji, o tyle istnieje bardzo spójna i zrozumiała definicja robotyzacji.

Robotyzacja oznacza wprowadzanie do procesu produkcyjnego manipulatorów, robotów i urządzeń towarzyszących (podajniki, palety, magazyny produktów), w celu wykonywania operacji procesu z ograniczonym udziałem lub bez udziału człowieka (Encyklopedia PWN).

W kontekście definicji robotyzacji, najbardziej odpowiednie i prawdziwe znaczenie automatyzacji będzie następujące – „nadanie czemuś charakteru automatycznego, zmechanizowanie jakiejś czynności, doprowadzenie do automatycznego wykonania tej czynności” (Słownik języka polskiego pod red. W. Doroszewskiego).

Na pierwszy rzut oka wydawać by się mogło, że obie definicje nie do końca się pokrywają, jednak po głębszej analizie, okazuje się, że robotyzacja jest tylko składową procesu automatyzacji. Innymi słowy automatyzacja istnieje bez robotyzacji, zaś robotyzacja bez automatyzacji już nie. Wszak roboty, po uprzednim zaprogramowaniu wykonują daną czynność autonomicznie. Robotyzacja jest więc pojęciem węższym.

Patrząc z drugiej strony, w zależności od specyfiki działania danego przedsiębiorstwa, można proces produkcyjny tak zautomatyzować, że nie będzie potrzeby instalacji robota. Instalacja zindywidualizowanych maszyn, które wykonują swoje zadania w sposób automatyczny i autonomiczny, a nie wpisują się w definicję robota, też może być z powodzeniem realizowana w duchu Przemysłu 4.0.

Jednak pojęcie „automatyzacja i robotyzacja” jest trwałe, a robotyzacja zyskała w nim swoje miejsce prawdopodobnie ze względu na wiedzę o robotach, ich odmianach, zasadzie działania i ich wdrażaniu, która jest bardzo obszerna. Niebagatelny wpływ ma także wielkość rynku robotów, który jest jednym z najdynamiczniej rozwijających się w obszarze technologicznym i wręcz stał się symbolem czwartej rewolucji przemysłowej.

Wśród głównych grup wyróżnia się trzy rodzaje robotów: konwencjonalne roboty przemysłowe, roboty współpracujące i roboty autonomiczne.

Jeśli chodzi o konwencjonalne roboty przemysłowe, to są one używane w przemyśle od kilku dziesięcioleci i są maszynami dobrze poznanymi ze zdefiniowanymi obszarami działania. Nie kryją przed programistami ani użytkownikami żadnych tajemnic. Są sprawdzone, niezawodne, a ich awaryjność jest prosta do statystycznego oszacowania. Co więcej, w Polsce jest wiele firm, dystrybutorów i integratorów robotyki z dużym doświadczeniem, realizujących projekty dla firm polskich i zagranicznych, gotowych zrobotyzować niemal każdy proces. Tym bardziej niezrozumiałe są powielane mity dotyczące robotów i strach (albo wręcz niechęć) przed ich wdrażaniem.

Skoro mamy pieniądze, to dlaczego mamy tak mało robotów?

Jak pokazują badania Instytutu Prognoz i Analiz Gospodarczych (IPAG), tylko 4 procent ankietowanych przedsiębiorców wskazało, że to czynniki ekonomiczne stoją na przeszkodzie we wdrożeniu robotów (stan przed pandemią COVID-19). Wynika z tego, że to nie cena robotów, która ze względu na konkurencję i postęp techniczny sukcesywnie spada, jest największą przeszkodą we wdrażaniu tych maszyn. Wśród przedsiębiorców brakuje świadomości na kilku poziomach. Po pierwsze, nie mają wiedzy czy proces produkcyjny w ich przedsiębiorstwie podlega automatyzacji i robotyzacji. W tym wypadku warto zlecić audyt firmie zewnętrznej specjalizującej się w dostarczaniu rozwiązań automatyki i robotyki bądź zasięgnąć porady w instytucji takiej jak Fundacja Platforma Przemysłu Przyszłości. Po drugie, nie biorą robotyzacji (czy nawet szerzej, transformacji cyfrowej) w danym momencie pod uwagę, jak im się paradoksalnie wydaje, świadomie. Wiedzą, że jej nie unikną, ale nie są w stanie przewidzieć kiedy musi to nastąpić. Takie podejście jest bardzo ryzykowne, gdyż w momencie decyzji o inwestycji w automatyzację może być już za późno. To proces długotrwały, a zapoczątkowany zbyt późno może prowadzić do utraty konkurencyjności. Jak wynika z raportu EY, rozumie to 36 procent firm na świecie, które przyspieszają inwestycje w automatyzację, a obecna pandemia i jej skutki, jeśli chodzi o zasoby ludzkie, tylko ich w tym utwierdza.

Jednak, kiedy już zdecydujemy się na robotyzację, musimy wiedzieć jak do niej podejść i z jakimi kosztami się ona wiąże.

Miejsce robotów i koszt ich integracji w procesie

Jedną z największych pułapek w momencie myślenia o robotyzacji jest to, że kupienie samego robota wystarczy, żeby go wdrożyć. Jednak jego cena to tylko część kosztów. Trzeba pamiętać, że robot zastępuje człowieka, a nie narzędzie, jakim człowiek posługuje się w pracy na linii produkcyjnej. Podobnie jak wyposaża się w nie człowieka, tak samo i robot musi mieć narzędzie robocze. Często w momencie kalkulacji kosztów całego przedsięwzięcia przedsiębiorcy wycofują się widząc, że sam robot stanowi tak naprawdę tylko ułamek całego gniazda zrobotyzowanego i jego kosztu. Trzeba mieć świadomość, że narzędzia, którym do tej pory posługiwał się człowiek, nie da się w łatwy sposób zamontować na robocie i zintegrować w procesie.

Za przykład posłuży nam zrobotyzowanie spawania. Dysze spawalnicze do robotów są zindywidualizowane, pakiet kablowy, którym dostarczany jest gaz i drut, prowadzony wzdłuż osi robota, także jest zindywidualizowany. Sterownik w systemie spawania musi mieć interfejs, zgodny z interfejsem robota (a najczęściej i sterownika logicznego, PLC (ang. Programmable Logic Controller), obsługującego całe stanowisko). Należy powiedzieć, że często proces podlegający robotyzacji jest tak specyficzny, że zachodzi potrzeba wykonania narzędzia roboczego na zamówienie, przez co poniesiemy koszty wyższe od ceny samego robota. Pamiętać należy również o innych kosztach, jak choćby przygotowanie stacji, w której robot będzie obrabiał element, systemach bezpieczeństwa itp. Są również koszty, których nie widać w działającej linii – mowa tu o całej fazie projektowej przygotowania stanowiska, wykonawstwa czy programowania, jak również szkolenia personelu.

Czy ROI to dobry wskaźnik w przypadku robotyzacji?

Podejmując decyzję o robotyzacji często patrzy się na czas zwrotu poniesionych podczas całego procesu kosztów, ale czy ROI (ang. Return Of Investment) to w tym wypadku to dobry wskaźnik?

Ekonomiczna zasadność inwestycji nie budzi żadnych wątpliwości choćby ze względu na fakt, iż wielu menedżerów deklaruje zwrot z inwestycji w robotyzację już po 12 czy 24, a niektórzy nawet po 6 miesiącach. To znakomity wynik, szczególnie przy „żywotności” robotów konwencjonalnych (oczywiście odpowiednio użytkowanych i regularnie serwisowanych) na poziomie dwudziestu i więcej lat.

Warto jednak spojrzeć na robotyzację trochę szerzej niż przez tabelki kosztów i przychodów. Ma ona bowiem jeszcze kilka innych zalet, raczej z pogranicza ekonomii. Po pierwsze – kto raz z sukcesem zrobotyzował swoją produkcję, podejdzie do tego tematu ponownie w przyszłości (badanie IPAG pokazuje, że będzie to aż 65% firm, które już posiadają roboty). Aspekt ten buduje na pewno w środowisku menedżerskim świadomość potrzeby wdrażania nowych technik, nie tylko robotyzacji. Po drugie – z linią już zrobotyzowaną łatwiej jest integrować inne rozwiązania Przemysłu 4.0, jak choćby IoRT (ang. Internet of Robotics’ Things), czyli ciągły monitoring parametrów procesu zrobotyzowanego.

ROI to dobry wskaźnik, jeśli chodzi o kwestie stricte ekonomiczne. Jednak podejście do robotyzacji i Przemysłu 4.0 musi być zdecydowanie szersze i wieloaspektowe.

Coboty w służbie wszystkich robotów

W ostatnich latach medium oswajającym przedsiębiorców z robotyzacją stały się roboty współpracujące (coboty). Mamy do czynienia ze swoistym „boomem” wdrożeń cobotów. Są one mniejsze, lżejsze, ich cena jest niższa, a programowanie łatwiejsze. Dobrze sprawdzają się w procesach, gdzie nie ma potrzeby uzyskania dużych prędkości pracy, przenoszenia ciężkich elementów czy narzędzi roboczych oraz gdzie nie jest wymagany duży zasięg roboczy (dodajmy jednak, że w tej materii od momentu wejścia cobotów na rynek doszło do dużego postępu i są już dostępne modele dorównujące robotom konwencjonalnym). Jednak ich największą zaletą jest to, że mogą pracować ramię w ramię z człowiekiem. Pełnią też niebagatelną rolę w uświadamianiu ludziom, że robot nie jest narzędziem skomplikowanym, przed którym „należy czuć respekt”.

Zauważając dobre przyjęcie cobotów przez rynek, należy wskazać również kilka rozwiązań w świecie robotów konwencjonalnych, które pozwalają im dzielić przestrzeń roboczą z człowiekiem. Są to na przykład „skóry” na roboty, wyposażone w szereg czujników; czy też systemy wizyjne, które cały czas obserwują ruch w przestrzeni roboczej. Pozwalają one przewidywać trajektorię robota i możliwość zbliżania się do człowieka, zatrzymując robota w odpowiednim momencie i zabezpieczając przed wyrządzeniem człowiekowi krzywdy. Może być to szczególnie pożądane tam, gdzie dysponujemy ograniczonym miejscem, a proces musi być wykonany z prędkością nieosiągalną w przypadku cobota.

Nie wygląda jak robot, a robotem jest

Warto zauważyć, że platformy czy wózki poruszające się na kółkach w sposób autonomiczny lub po wyznaczonej trasie również spełniają założenia definicji robota. Mimo że z wyglądu nie przypominają konwencjonalnego robota przemysłowego czy cobota, nauka o nich to osobny przedmiot na studiach kierunkowych, a czasem wręcz osobna specjalizacja. Są przedmiotem zainteresowania różnego rodzaju kół naukowych czy turniejów pasjonatów. Coraz częściej więcej są one także obecne w gospodarstwach domowych jako odkurzacze lub kosiarki. Mowimy tu o robotach mobilnych, które znajdują szerokie zastosowanie także w przemyśle – szczególnie w obszarze logistyki, choć nie tylko.

Zacznijmy od rozróżnienia rodzajów robotów mobilnych. W przemyśle stosuje się zasadniczo dwa. Pierwszy stanowią trochę starsze technicznie, nieautonomiczne platformy AGV (ang. Automated Guided Vehicles). Charakteryzują się tym, że podążają fizycznie wyznaczoną trasą. Mogą ją tworzyć wymalowane lub wyklejone na podłodze paski, pętle magnetyczne itp. Rozwiązanie takie wprowadza pewne ograniczenia. Roboty takie nie są w stanie ominąć ewentualnej przeszkody, a może być nią np. człowiek przecinający tor jazdy. Są też mniej „elastyczne”. Wyznaczenie nowej trasy wiąże się np. z przemalowaniem granic trasy, co może być czasochłonne i drogie.

Rozwiniętą technicznie wersją robotów mobilnych są autonomiczne roboty mobilne, w skrócie AMR (ang. Autonomous Mobile Robots). Zasadniczą różnicą w stosunku do AGV jest sposób wyznaczenia trasy. Jest ona całkowicie wirtualna, co w połączeniu z wynikającą z tego łatwością programowania, czyni AMR produktami bardzo elastycznymi – łatwo adaptowalnymi do zmiennych warunków działania. Co więcej, wyposażenie w szereg czujników pozwala tym robotom omijać przeszkody, co w oczywisty sposób wiąże się z dużo mniejszą ilością spowolnień w procesie w porównaniu do platform AGV. Kolejną zaletą w stosunku do AGV, wynikającą ze wspomnianego już łatwego programowania, jest sposób wyznaczania trasy. O ile w przypadku AGV jest ona sztywno narzucona, o tyle AMR, po wcześniejszym zmapowaniu obszaru roboczego, jest w stanie wyznaczyć optymalną trasę samodzielnie.

Niezależnie od zastosowanej techniki niewątpliwą zaletą robotów mobilnych przeznaczonych do przemysłu jest gwarantowane przez nie bezpieczeństwo. Można wręcz powiedzieć, że są swego rodzaju „cobotami mobilnymi”. Wyposażone w skanery lub kamery mogą zareagować na tyle szybko (zatrzymując się czy zmieniając trasę), żeby nie wyrządzić krzywdy człowiekowi.

Ze względu na specyfikę i obszar pracy, inaczej trochę wygląda proces wdrożenia robotów mobilnych do przedsiębiorstwa i ciężko jest go porównywać kosztowo czy czasowo z klasycznymi robotami i cobotami, jednak trzeba pamiętać, że robotowi mobilnemu także należy przygotować stanowisko pracy. Mowa tu o kwestiach pobrania i oddania przewożonych elementów oraz stacji ładującej.

Pisząc o robotach mobilnych nie sposób nie wspomnieć o rozwiązaniach z ostatnich lat, czyli połączeniu ich z konwencjonalnymi robotami czy cobotami. Wygląda to tak, że robot AMR przewozi na sobie innego robota z jednego miejsca pracy do drugiego. Prowadzi to do zminimalizowania kosztów zakupu maszyn i oprzyrządowania, gdyż jeden robot może wykonywać pracę większej liczby robotów, które w normalnych warunkach byłyby zagnieżdżone.

Kolejną zaletą takiego rozwiązania jest to, że taki zestaw może przejąć zadania innego, o takiej samej konfiguracji, który w danej chwili wypadł z cyklu ze względu na awarię. Nadaje to jeszcze większą elastyczność całemu procesowi i może znacząco zniwelować czas oraz koszt ewentualnego przestoju.

Robotyzacja to jedyne wyjście

Zapoznając się z terminem „automatyzacja i robotyzacja”, nie możemy się wszak oprzeć tylko na informacjach ogólnych, podanych w skondensowanej formie powyżej. Pokazujemy w nich tylko „suchy” zarys techyniczny i kosztowy w celu uświadomienia, jak wiele czynników wpływa na wdrożenie robotów, które są tylko małą składową efektywnej automatyzacji całego procesu oraz podejścia do Przemysłu 4.0.

Dla osób rozumiejących zalety robotów od dawna jasne było, że roboty gwarantują powtarzalność, szybkość działania, odciążają ludzi od czynności monotonnych, niebezpiecznych czy nieergonomicznych. Jednak czasy obecnej pandemii pokazały jeszcze jedną rzecz, jakkolwiek brutalną, że to kruchość człowieka jest przeszkodą w zapewnieniu ciągłości już działającego procesu produkcyjnego. W świetle badań, które pokazują, że epidemie będą towarzyszyć nam już zawsze, a być może i coraz częściej, przemysł musi być przygotowany, żeby sprostać takim wyzwaniom, a jedną z istotnych dróg prowadzących w tym kierunku jest wdrażanie robotów. W wielu miejscach pozwoli to na tworzenie bezpiecznych dystansów międzyludzkich, a w innych pozwoli całkowicie zautomatyzować produkcję.

Innymi problemami natury społecznej, na które oczywistym remedium jest robotyzacja, są negatywne wskaźniki demograficzne i brak taniej siły roboczej. W przyszłości programista zrobotyzowanych procesów spawalniczych będzie dużo bardziej pożądany niż spawacz – o ile ten drugi będzie w ogóle potrzebny.

Oczywiście to człowiek wciąż jest i jeszcze długo będzie odpowiedzialny za tworzenie procesów produkcyjnych oraz działanie przedsiębiorstwa, jednak czynności i zawody podlegające robotyzacji w sposób naturalny zanikną.

Istnieją dwie koncepcje, co do których spierają się przedsiębiorcy i wizjonerzy, a które powoli wyłaniają się na naszych oczach. Pierwsza z nich zakłada jeszcze głębszą symbiozę ludzi w procesie produkcyjnym z maszynami. Dzielenie przestrzeni roboczej, „przeplatanie się”, wymianę zadań… Druga natomiast to tzw. lights-out manufacturing, czyli fabryki w pełni autonomiczne, działające przy zgaszonym świetle. Obecnie ciężko powiedzieć, która z nich wygra – być może w zależności od specyfiki danego zakładu rację bytu będą miały obie. Jedno jest jednak pewne: i w pierwszej, i w drugiej, powszechnie występującymi maszynami będą roboty, niezależnie od tego, kto i jaką miarę przykłada do zmian w przemyśle w niedalekiej bądź dalszej przyszłości. Jeśli jednak chcemy dziś utrzymać konkurencyjność i myśleć o niej także w przyszłości, to kluczem jest zrozumienie konieczności robotyzacji i integracji robotów w całym ekosystemie przedsiębiorstwa zgodnym z koncepcją Przemysłu 4.0.