人工智能初創公司為高混合、高可變性、手動表面處理應用提供自動化創新。

機器人配備?Graymater的掃描和打磨處理解決方案，正在對BetterWay Products /Patrick公司制造的玻璃纖維RV蓋進行打磨操作。

研磨、砂光、涂漆、磨光和拋光等精加工過程可能是高度重復和體力要求高的任務。然而，盡管表面處理具有重復性，但大多數表面處理工作傳統上都是手工完成的，尤其是在復合材料行業。自動化解決方案似乎是解決這一首要問題的明顯方法，但不幸的是，答案并不總是那么容易。當你在大批量生產線上有重復的任務時，機器人可以提供幫助，但在處理各種尺寸和形狀的各種零件時，機器人往往會提出一系列考慮因素，復合材料制造商通常就是這樣。

Graymater Robotics（美國加利福尼亞州Gardena）是一家致力于解決這一困境的初創公司。該公司由首席執行官阿里揚·卡比爾（Ariyan Kabir）、首席技術官布魯爾·沙阿（Brual Shah）和首席科學家薩蒂安德拉·古普塔（Satyandra Gupta） 根據他們在南加州大學（USC）學習期間獲得的見解創立?？ū葼柋硎?，從南加州大學強大的行業附屬項目中收集到的互動和經驗，讓我們深入了解了制造業面臨的挑戰，這些挑戰圍繞著熟練勞動力的短缺、對一致質量和可重復結果的需求。

盡管勞動力挑戰在制造業世界并不是什么新鮮事，但近年來，許多因素加劇了這一問題，包括新冠肺炎疫情和隨后的勞動力輟學。除了熟練勞動力短缺之外，制造商也在努力滿足客戶的高需求，導致交貨期過長。

對于卡比爾來說，來自機器人研究背景，其中許多問題的解決方案似乎很明顯：機器人。

機器人的問題

卡比爾和他的同事們發現自己在問從航空航天到工業再到商業等一系列市場的公司，為什么不更頻繁地轉向自動化解決方案。答案讓人大開眼界，不僅是因為在生產線上安裝機器人會遇到復雜的問題，而且這個問題的影響有多深遠。

他們發現，問題的關鍵是高可變性制造。除非你要處理具有可重復流程的大批量生產，否則對一些企業來說，實施機器人和自動化解決方案可能很難證明是合理的。制造過程的高度可變性通常需要快速適應產品設計或生產要求的變化。傳統的機器人系統可能難以快速重新配置或適應變化，導致效率低下。此外，機器人系統通常需要精確的編程來執行特定任務——這一命題可能既復雜又耗時。

卡比爾說：“我們了解到，你不能像在汽車或電子制造業那樣真正使用機器人，因為那里有成百上千個相同的零件。”。

該團隊現在對制造業有了更廣闊的視野，90%的工作都有很大的可變性，包括所使用的材料和/或制造工藝的變化。然而，這種對實現自動化障礙的更深入理解并沒有阻止卡比爾和他的同事。他們仍然認為解決勞動力和質量問題的解決方案在于自動化解決方案，現在他們更好地理解了挑戰。

卡比爾說：“好吧，如果機器人必須從事這些工作，機器人就需要變得自主。他們必須能夠在最短的指令下快速做出決定——他們必須能夠感知工作并成功執行。這一認識促使我們思考如何創造技術，使機器人能夠自行編程。”

輸入AI

2017年，卡比爾和他的同事參加了由機器人公司庫卡（KUKA德國奧格斯堡）組織的比賽——庫卡（KUKA）創新獎。該小組在漢諾威展覽工業貿易展上獲得了一個展位，在那里他們展示了一個基于編程的雙機器人精加工單元。該團隊發現自己正在與來自各個行業的各種制造商和加工商討論如何在生產中使用該技術。然后在2019年，該組織進行了一項由美國國家科學基金會資助的客戶發現計劃，采訪了150多名制造業生態系統的人?？ū葼栒f，很快就發現，為高可變性制造業適應自動化是一個影響每個行業的全球性問題。

2020年，該集團成立了Graymater Robotics，專注于手動表面精加工操作中常用的不同工具的自動化，包括打磨、拋光、研磨、拋光、涂漆、涂層、去毛刺、修整、噴砂和激光燒蝕。

卡比爾說：“有數百家機器人公司專注于材料處理應用——挑選和放置、組裝、將零件從一個地方移動到另一個地方。但當時幾乎沒有人解決制造業中的高混合、高可變性表面精加工和表面處理應用。”

GrayMater的業務建立在創造人工智能（AI-artificial intelligence）技術的基礎上，這些技術使機器人能夠對自己進行編程以執行這些操作。該公司將其軟件集成到智能機器人細胞中，旨在幫助人類完成乏味且具有人體工程學挑戰性的任務。

卡比爾解釋道：“我們不是在制造機器人、傳感器或工具。我們采用商業上現成的機器人傳感器和工具，研究應用程序并確定最適合的設備。然后我們將這些設備與我們基于物理的人工智能技術和其他軟件技術相結合。”

3M（美國明尼蘇達州圣保羅市）等公司提供一系列研磨劑和堆焊工具，機器人供應商FANUC America（美國密歇根州羅切斯特山市）與GrayMater合作，為客戶設計自動化工作站。

3M公司全球機器人和自動化總監卡爾·杜克森（Carl Doeksen）表示：“我們在世界各地的工業客戶繼續轉向自動化研磨和精加工解決方案。”。“GrayMatter Robotics增強了3M在這一領域的創新模式。GrayMatt擁有創造性的人工智能、機電一體化和軟件能力，以補充3M的應用工程和材料科學能力。我們的客戶已經部署了Graymatt解決方案，而且有幾個客戶，他們的工人環境、生產力和質量/一致性都立即得到了。如今，幾乎每個工業工廠都會進行某種類型的手動研磨或砂光處理，GrayMatter正在改造這些應用程序，塑造制造業的未來。”

Graymater Robotics的解決方案旨在讓操作員將零件帶到機器人面前，只需按下觸摸屏上的按鈕。

客戶通常會簽署合同，并獲得完整的交鑰匙包，每月或每年收取固定費用。該解決方案使在各種零件配置上運行各種精加工操作成為可能?？ū葼栒f，GrayMater合作過的復合材料零件包括從玻璃纖維船體和建筑零件到碳纖維航空航天部件和汽車零件的所有產品。機器人掃描零件，確定幾何形狀，考慮周圍環境（工作站），編寫程序并開始運行操作。該系統僅根據實時掃描數據工作，不需要CAD模型。

手動編程機器人以執行此類操作可能涉及每個零件生成數百個數據點。這種工作有時可能需要人類程序員數周的時間?？ū葼柋硎?，GrayMater的人工智能軟件能夠掃描零件，并在幾分鐘內生成這些數據點，具體取決于零件的幾何形狀。車載傳感器掃描零件，并使用該公司專有的GMR-AI軟件自動生成模型。然后，該模型對機器人進行編程，使其自主執行所需的表面處理操作。在執行過程中，傳感器提供持續的反饋，使機器人能夠適應和調整其運動，以防止錯誤，并最終確保一致性和質量。

卡比爾將Graymater的人工智能方法描述為全棧解決方案。他說：“我們在每一層都使用不同的人工智能技術來理解世界、零件和工作。”。“首先，我們必須了解零件及其周圍的一切。然后，我們必須弄清楚如何移動工具，安全高效地完成正確的工作。然后我們必須保證系統正常運行時間，確保系統盡可能可用。”

這轉化為系統的預測和健康監測，以及自主恢復的能力。機器人可以全天候向GrayMater支持技術人員尋求幫助，通常只需按下幾個按鈕，操作就會在幾分鐘內恢復。

Patrick Industries股份有限公司（美國印第安納州埃爾哈特）的創新總監納德恩·舍爾（Nathan Scheer）表示，Graymater的“低代碼或無代碼”技術在幫助公司在機器人領域的帶寬方面發揮了重要作用。帕特里克（Patrick）公司是RV、船用房屋和動力運動行業的組件解決方案提供商。該公司使用Graymater的掃描和砂處理技術生產玻璃纖維增強聚合物（GFRP）RV屋頂部件和船用硬頂等零件。舍爾說：“隨著自動化的發展，缺乏可用的熟練人力資本可能會成為許多公司的障礙。”。“通過采用這項技術，我們可以減輕這一障礙。當我看到有機會自主執行編程、減少維護并實現遠程監控和支持時，我非常感興趣。”

盡管該過程的每個階段都很復雜和多功能，但GrayMater方法的核心思想是，任何人都可以將零件帶到機器人面前，只需按下觸摸屏上的按鈕。例如，對于打磨應用程序，將零件放置在機器人工作站中，然后按下“掃描并打磨”按鈕。

卡比爾說：“我們為車間操作員設計解決方案，這些操作員對機器人或編程一無所知。因此，我們創建了一個使用起來非常簡單的解決方案。”

Graymater Robotics提供人工智能（AI）驅動的軟件，旨在使機器人能夠對自己進行編程，以執行各種零件尺寸和形狀的表面精加工和表面準備操作。

非常合身

Graymater的解決方案旨在適應各種零件尺寸和形狀。更重要的是，它可能是機器人以前從未見過的東西?？ū葼栒f：“它可以是足球頭盔、船體或戰斗機機身。”。

此外，該公司的解決方案可以與材料無關，適用于從鋁和不銹鋼等金屬到丙烯酸樹脂再到木材等一系列基材的表面處理。然而，卡比爾說，GrayMater 50%以上的客戶都在復合材料行業。

是什么讓該公司的解決方案如此適合復合材料？卡比爾說，這是適應變化的能力。許多復合材料零件的定制特性使掃描和處理單個零件成為優勢。卡比爾說：“零件的變異性和可變性非常高。”。

McClarin Composites（美國賓夕法尼亞州漢諾威）的工程總監雅各布·卡特賴特（Jacob Cartwright）表示，GrayMater的解決方案有助于緩解傳統自動化的復雜性。McClarin Composites制造大型復雜復合材料零件，用于許多不同的市場，包括基礎設施、運輸、建筑和海洋。該公司通過幾種不同的工藝制造零件，包括熱成型、反應注射成型（RIM-reaction injection molding ）、開模、輕樹脂轉移成型（LRTM-light resin transfer molding）和真空輔助樹脂轉移成型（VARTM-vacuum assisted resin transfer molding）等。公司采用熱固性、熱塑性、玻璃纖維、碳纖維和玄武巖纖維復合材料。卡特賴特表示，目前在GrayMater系統上生產的產品包括重型卡車行業的開放式模制玻璃纖維增強塑料罩和運輸行業的封閉式玻璃纖維增強樹脂罩。

卡特賴特說：“我們有一個高混合環境和中等批量的生產。但在這樣的環境中，傳統的自動化很困難。”。“為了取得成功，您需要部署大量嚴格的編程和夾具。GrayMater技術適合我們的一個利基市場；它使我們能夠將增加的產量與增加的產量以及復雜性結合起來。我們可以做到這一點，而不必遵守更嚴格的傳統自動化。我們有五軸路由器，每天都在運行，生產更大批量的產品——夾具是嚴格的，編程是嚴格的。在傳統的加工過程或傳統的自動化過程中，我們必須確保有適當的保障措施，確保安裝正確的程序，并安裝正確的夾具。Graymater的技術通過構建（和管理）自己的系統來區別于傳統的自動化復雜性。”

整個想法是讓完成自己零件的制造商，以及處理大量低批量生產程序的精加工操作，都能使用機器人?？ū葼栔赋?，人工智能機器人不僅提高了一致性和質量，而且比手動方法使用的耗材減少了30-50%。

2022年，GrayMater獲得RBR50創新獎，該獎項授予推動全球機器人技術發展的最具創造力和影響力的創新者。人們對該公司的解決方案越來越感興趣。卡比爾表示，公司目前有53-80%的團隊是工程師，公司正在快速發展，他預計到今年年底，員工人數將翻一番?？ū葼栒f，這項工作來自航空航天、運輸、海洋、體育器材、樂器、建筑產品等。“這是一個適用于廣泛行業和應用程序的平臺解決方案。”

原文見，《AI-powered robotic solutions support high-mix manufacturing 》 2024.3.22