山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所之機(jī)器人

山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所人才薈萃，設(shè)有山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人國家工程中心山東分中心、山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心，為山東省機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長單位。機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)是該研究所主要研究方向之一。

機(jī)器人科研團(tuán)隊(duì)目前有32 人，其中院士特聘專家1人，泰山學(xué)者海外特聘專家1 人，博士6 人，碩士20 人。團(tuán)隊(duì)主要圍繞機(jī)器人關(guān)鍵共性技術(shù)及智能制造技術(shù)開展研究，在此領(lǐng)域已有10 余年的研究積累，在經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、智能裝備等研究方面形成了自己的科研特色，主持承擔(dān)了國家863 計(jì)劃項(xiàng)目、國家國際科技合作項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、山東省自主創(chuàng)新重大專項(xiàng)、山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項(xiàng)等多項(xiàng)國家、省重點(diǎn)科研項(xiàng)目，取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要科研成果，包括井下探險(xiǎn)救援機(jī)器人、大空間消防機(jī)器人、造紙行業(yè)包裝搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人等，并在裝備制造業(yè)、食品、包裝等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

一、主要研究方向及研究內(nèi)容

1.經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人

主要研究機(jī)器人智能控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、建模仿真技術(shù)；機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)及性能檢測(cè)技術(shù)。

2.移動(dòng)型機(jī)器人

主要研究移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航、定位、通信、管理調(diào)度技術(shù)；機(jī)器人視覺、力覺、觸覺等感知感測(cè)技術(shù)。

3.智能制造裝備

面向行業(yè)應(yīng)用需求，開展工業(yè)生產(chǎn)所需專用智能裝備、工裝夾具的研究設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

4.機(jī)器人系統(tǒng)集成

主要開展基于機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線、數(shù)字化車間的解決方案研究、設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。

二、主要研究成果

1.經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人

· 圓柱坐標(biāo)式碼垛機(jī)器人

采用混聯(lián)結(jié)構(gòu)，為圓柱坐標(biāo)式，見圖1。其平行四邊形結(jié)構(gòu)使機(jī)器人具有更好的剛性和靈活性，結(jié)構(gòu)上主要由腰部、并聯(lián)部分以及腕部三部分組成。

該碼垛機(jī)器人具有效率高、控制簡單、成本低、工作空間大等特點(diǎn)。目前6 臺(tái)成果樣機(jī)已經(jīng)在山東、江蘇、廣西、河南、湖南、安徽等地的建材、化工行業(yè)的企業(yè)中進(jìn)行了應(yīng)用，每年企業(yè)可節(jié)約用工成本15 萬元，同時(shí)機(jī)器人的使用提高了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

· 垂直關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)器人

采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為垂直關(guān)節(jié)式，見圖2。超高速4 軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)、3.1m 到達(dá)距離加上200kg 的有效載荷，在同類產(chǎn)品市場(chǎng)上具有較大優(yōu)勢(shì)，是袋、盒、板條箱和瓶子等包裝材料的理想堆垛工具。

圖2 垂直關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)器人

2.移動(dòng)型機(jī)器人

· 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)

作為通用的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)配有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械接口、電氣接口和通信控制接口，在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具備自主導(dǎo)航、自主作業(yè)、自主充電功能。該平臺(tái)可通過更換運(yùn)輸平臺(tái)、小型機(jī)械手、探測(cè)設(shè)備等不同機(jī)構(gòu)和作業(yè)工具，實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)功能，并可以通過不斷完善和升級(jí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的探測(cè)和行走，以適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境。

該機(jī)器人平臺(tái)可以在工業(yè)物流、生產(chǎn)線夾裝搬運(yùn)、消防作業(yè)、電力巡視檢測(cè)、野外探測(cè)、軍事等行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用（圖3）。

圖3 巡視檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人

3.機(jī)器人智能感知技術(shù)

· 機(jī)器人視覺檢測(cè)與定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，使機(jī)器人能夠從工作場(chǎng)景中檢測(cè)、識(shí)別并準(zhǔn)確抓取指定的物體，從而極大地提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。系統(tǒng)采用基于進(jìn)化算法的快速2D 目標(biāo)檢測(cè)、雙目視覺的快速3D 目標(biāo)位置和姿態(tài)識(shí)別及多自由度視覺伺服控制技術(shù)，系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性、高魯棒性和高精度（圖4）。

圖4 機(jī)器人視覺檢測(cè)

· 機(jī)器人智能抓取系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用多傳感、多自由度末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)柔性抓取，集成了適合易碎和可變形物體的多種力控制算法，實(shí)現(xiàn)了基于視覺和力覺的工業(yè)機(jī)器人自主柔順抓取和操作，可適用于精密工件、器件的抓持、夾持或裝配以及多種食品、果蔬的無損抓取等（圖5）。

圖5 機(jī)器人智能抓取系統(tǒng)

4.智能制造裝備

· 全自動(dòng)砂輪成型機(jī)

如圖6 所示，28 工位轉(zhuǎn)盤式全自動(dòng)砂輪成型機(jī)，具有定量投料、自動(dòng)放網(wǎng)、自動(dòng)放標(biāo)簽、自動(dòng)放芯圈、自動(dòng)取坯、檢測(cè)和自動(dòng)分揀等單元功能，可實(shí)現(xiàn)砂輪的全自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了砂輪的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

圖6 全自動(dòng)砂輪成型機(jī)

· 全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)

全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)由放紙系統(tǒng)、送紙系統(tǒng)、切紙噴膠系統(tǒng)、卷紙系統(tǒng)、熱壓合系統(tǒng)組成，見圖7。包裝時(shí)由機(jī)器人放置內(nèi)外封頭，選擇包裝紙規(guī)格、送紙、噴膠、斷紙、加壓熱封、踢紙等動(dòng)作全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)極大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動(dòng)力成本。

圖7 全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)

5.機(jī)器人系統(tǒng)集成

· 太陽能機(jī)器人碼垛搬運(yùn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于熱水器水箱后包裝工段，支持多種產(chǎn)品混線生產(chǎn)。系統(tǒng)通過自動(dòng)掃描條碼識(shí)別產(chǎn)品信息，上位機(jī)利用智能算法分配碼垛工位，并協(xié)調(diào)輸送線和多臺(tái)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從輸送線到各碼垛工位的高速、準(zhǔn)確搬運(yùn)。同時(shí)，系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)上千種產(chǎn)品的生產(chǎn)信息進(jìn)行維護(hù)管理（圖8）。

圖8 太陽能機(jī)器人碼垛搬運(yùn)系統(tǒng)

· 沖壓線機(jī)器人上下料系統(tǒng)

為青島海爾沖床車間開發(fā)設(shè)計(jì)的含自動(dòng)排料、自動(dòng)定位、機(jī)器人上下料等內(nèi)容的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線系統(tǒng)（圖9）。

圖9 沖壓線機(jī)器人上下料系統(tǒng)

· 工程機(jī)械機(jī)器人重型焊接系統(tǒng)

為常林集團(tuán)設(shè)計(jì)開發(fā)的工程機(jī)械斗桿、動(dòng)臂等大型構(gòu)件的機(jī)器人重焊系統(tǒng)，見圖10。一臺(tái)機(jī)器人利用平移、變位等協(xié)調(diào)控制，較好地解決了復(fù)雜、大工件、重焊問題，大大提高了效率和質(zhì)量。

圖10 工程機(jī)械機(jī)器人重型焊接系統(tǒng)