工業(yè)機(jī)器人的智能化發(fā)展探究

■張崢

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，世界各國(guó)即將進(jìn)入智能生產(chǎn)時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人的智能化發(fā)展也聚焦了許多關(guān)注。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國(guó)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測(cè)與轉(zhuǎn)型升級(jí)分析報(bào)告》指出我國(guó)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)初具規(guī)模，已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，一批國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上，一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來(lái)，某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近世界水平。但是仍舊存在諸多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：①我國(guó)工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)零部件制造能力有待提高。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的核心零部件如諧波齒輪減速機(jī)、高精度伺服電機(jī)都依賴進(jìn)口。②我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念不夠成熟，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人生產(chǎn)大部分立足于功能的實(shí)現(xiàn)，在穩(wěn)定性、易用性方面和國(guó)外還有一定的差距。③國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有待秩序化與規(guī)范化。伴隨我國(guó)工業(yè)機(jī)器人需求的迅猛增長(zhǎng)，大量企業(yè)紛紛看好工業(yè)機(jī)器人未來(lái)的市場(chǎng)規(guī)模與經(jīng)濟(jì)效益，蜂擁而上，有可能造成國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的惡性競(jìng)爭(zhēng)。

可見(jiàn),為使工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)能夠得到充分的發(fā)揮,積極解決上述問(wèn)題是關(guān)鍵。

一、工業(yè)機(jī)器人的智能化進(jìn)展

工業(yè)機(jī)器人當(dāng)前主要有以下幾類：沖壓機(jī)器人、焊接機(jī)器人、激光切割機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等。這些能代替人工作業(yè)的繁瑣重復(fù)勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械全自動(dòng)化，能降低生產(chǎn)成本，提高工作效率，提高人工安全以及設(shè)備的安全性。因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等企業(yè)。

現(xiàn)階段在應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)主要面臨著四大問(wèn)題：第一，運(yùn)動(dòng)性問(wèn)題。從技術(shù)上看就是如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與求解。第二，作業(yè)平穩(wěn)性問(wèn)題。需要考慮機(jī)器人平穩(wěn)作業(yè)問(wèn)題。第三，布局的多樣性。如何考慮布局設(shè)計(jì)快速地適應(yīng)公司的新產(chǎn)品、新工藝。第四，操作易用性。需要提高機(jī)器人的易用性。

對(duì)此我們應(yīng)該假設(shè)并提出理想的工業(yè)機(jī)器人模型。

二、國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

1.國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的、知名工業(yè)機(jī)器人公司，比如日本的安川、FANUC，德國(guó)的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，以及意大利的COMAU。工業(yè)機(jī)器人已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、工廠自動(dòng)化(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)工具。據(jù)專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。2002-2004年，根據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，世界工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)年增長(zhǎng)率平均在10%左右。2005 年增長(zhǎng)率達(dá)到創(chuàng)記錄的30%，其中亞洲工業(yè)機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，高達(dá)45%。2007 年，全球新安裝工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量超過(guò)十萬(wàn)套。

2.國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是沈陽(yáng)新松機(jī)器人、首鋼MOTOMAN、唐山松下等公司產(chǎn)品。我國(guó)雖然已經(jīng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，使我國(guó)自行制造的普通工業(yè)機(jī)器人在價(jià)格上很難與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。特別是沒(méi)有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，伺服電機(jī)、減速機(jī)等關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口，使價(jià)格難以降低。同時(shí)，我國(guó)焊接裝備水平與國(guó)外還存在很大差距，這一點(diǎn)也間接影響了國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展。

三、理想機(jī)器人模型

理想的工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)具備以下功能特點(diǎn)：

1.智能移動(dòng)功能

（1）實(shí)時(shí)定位并自主規(guī)劃最佳行進(jìn)路線：機(jī)器人可以自主建立地圖并進(jìn)行路線規(guī)劃，在行進(jìn)同時(shí)不斷刷新當(dāng)前的空間位置，并實(shí)時(shí)同步到系統(tǒng)后臺(tái)，讓管理系統(tǒng)可以隨時(shí)掌握機(jī)器人的行跡路線及機(jī)體周圍的環(huán)境狀態(tài)。

（2）自動(dòng)回收充電：機(jī)器人的電量在低于一定程度后會(huì)自動(dòng)返回統(tǒng)一的充電處進(jìn)行充電，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)需人為操作。

（3）同步感知：機(jī)器人裝備多種傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍的障礙物、溫度、濕度等環(huán)境因素并進(jìn)行感知分析，若判斷危險(xiǎn)則進(jìn)行避障，同時(shí)上傳分析數(shù)據(jù)到管理后臺(tái)。

2.語(yǔ)音交互功能

（1）語(yǔ)言對(duì)講：系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)信息庫(kù)可以讓機(jī)器人分析使用者的話語(yǔ)并給出最佳回答，并通過(guò)提前設(shè)定好的程序?yàn)槠涮峁椭?/p>

（2）人性化服務(wù)：使用者可以通過(guò)機(jī)器人與系統(tǒng)后臺(tái)的管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，避免了系統(tǒng)識(shí)別和傳遞信息時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3.智能管理系統(tǒng)

（1）后臺(tái)管理：系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各機(jī)器人的工作狀態(tài)、行進(jìn)路線并對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的對(duì)比查看，收集預(yù)警信息并做出最佳處理。

（2）緊急狀況處理：若出現(xiàn)信息庫(kù)中未錄入的緊急情況，則強(qiáng)制關(guān)閉所有機(jī)器人的電源，并呼叫管理員進(jìn)行處理。

（3）全自動(dòng)化：由后臺(tái)統(tǒng)一管理所有機(jī)器人并分配相應(yīng)的任務(wù)，實(shí)時(shí)搜集整理各項(xiàng)數(shù)據(jù)報(bào)告并檢查分析，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人為操作。

四、當(dāng)前機(jī)器人與理想模型之間的技術(shù)差距

通過(guò)與理想機(jī)器人模型的對(duì)比不難看出兩者之間還存在不少差距，因此積極解決以下問(wèn)題是關(guān)鍵：

1.機(jī)器人的靈活度及柔性不高

在工業(yè)機(jī)器人不足夠靈活和柔性不高情況下，某個(gè)行業(yè)用到的工業(yè)機(jī)器人是根據(jù)本行業(yè)的工藝流程或者實(shí)際工況而有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)出來(lái)的，如果工藝發(fā)生了變化，之前的設(shè)備可能就需要優(yōu)化甚至某些場(chǎng)合下需要完全推到重來(lái)。即使是柔性已經(jīng)非常強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)6 軸機(jī)械手也不例外。

2.信息利用率有待提升

在倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化行業(yè)里經(jīng)常會(huì)遇到需要給機(jī)械手配備3D 視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)動(dòng)態(tài)識(shí)別當(dāng)前需要夾取的料箱或者包裹的實(shí)際位置。這里會(huì)有視覺(jué)算法來(lái)識(shí)別多個(gè)物料單元的位置關(guān)系和位置數(shù)據(jù)。而當(dāng)前市面上的硬件設(shè)備和算法并不能應(yīng)付所有的物料堆疊方式。有些甚至是對(duì)于人眼輕而易舉能識(shí)別的位置，而對(duì)于機(jī)械手視覺(jué)卻是個(gè)極大的難題。若無(wú)法快速準(zhǔn)確處理并利用相關(guān)信息，那么工業(yè)機(jī)器人將無(wú)法起到節(jié)省勞動(dòng)力的作用。

3.智能化技術(shù)不夠成熟

如果不足夠智能，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)6 軸機(jī)器人可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)更加結(jié)實(shí)和不知疲倦的人類胳膊，配上各種夾具就可以完成形形色色的工作應(yīng)用場(chǎng)景。與人相比，機(jī)器人差的是指揮胳膊后邊的那個(gè)強(qiáng)大的指揮大腦。比如對(duì)于機(jī)械手來(lái)說(shuō)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和項(xiàng)目，需要工程技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)定或者至少需要做的示教工作。如果物料單元發(fā)生變化，包括數(shù)量和位置的變化等，此時(shí)也需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行人為的再次調(diào)試和數(shù)據(jù)輸入。

五、未來(lái)發(fā)展

1.發(fā)展方向

如何讓工業(yè)機(jī)器人能夠?yàn)楣I(yè)智能化、自動(dòng)化提供更優(yōu)異且高效的服務(wù)，這正是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的主要方向，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）自主化。更加注重人機(jī)協(xié)作，逐步從遠(yuǎn)距離作業(yè)向人機(jī)交互并協(xié)同作業(yè)的方向發(fā)展。同時(shí)適當(dāng)降低編程的難度，向自主化方向發(fā)展，使其可以根據(jù)周邊環(huán)境情況自動(dòng)設(shè)計(jì)并且優(yōu)化路徑，找到最佳線路，工作效率大大提升。

（2）高效化。高效化不僅僅是指單個(gè)工業(yè)機(jī)器人的工作高效，而是要提高機(jī)器人管理系統(tǒng)乃至整個(gè)生產(chǎn)線的效率。不斷改進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，及時(shí)更新優(yōu)化管理系統(tǒng)，才能從根本上提高生產(chǎn)效率。

（3）智能化。智能化是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要方向。一是利用模糊控制神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制策略，二是機(jī)器人具有與人類類似的邏輯推理和問(wèn)題求解能力，這是更高層次的智能化。智能技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，如虛擬現(xiàn)實(shí)、智能材料、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、多傳感器集成和信息融合技術(shù)等。

（4）模塊化。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模塊化就是在機(jī)器人結(jié)構(gòu)分解的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊庫(kù)，自動(dòng)裝配模塊。能夠讓工業(yè)機(jī)器人最大限度地滿足模塊對(duì)機(jī)器人的要求，又可以讓設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造更方便，能夠降低成本、縮短生產(chǎn)周期。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化。工機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)有利于制造業(yè)的發(fā)展，但目前不同廠家的機(jī)器人很難進(jìn)行通信和零件部位的互換。機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題不是技術(shù)層面的問(wèn)題，主要是不同企業(yè)之間的認(rèn)同和利益問(wèn)題。

（6）機(jī)器人的微型化。微型機(jī)器人是21 世紀(jì)的尖端技術(shù)之一。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出手指大小的微型移動(dòng)機(jī)器人，預(yù)計(jì)將生產(chǎn)出毫米級(jí)大小的微型移動(dòng)機(jī)器人和直徑為幾百微米甚至更小的醫(yī)療和軍事機(jī)器人。

2.發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些大型公司已經(jīng)自主研發(fā)、生產(chǎn)出許多功能強(qiáng)大的機(jī)器人。而在今后我們應(yīng)該對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器技術(shù)及視覺(jué)伺服控制技術(shù)等當(dāng)代頂尖技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，可使工業(yè)機(jī)器人的性能進(jìn)一步提升。隨著現(xiàn)在人工智能的不斷發(fā)展，可以嘗試將工業(yè)機(jī)器人的控制管理系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合起來(lái)，從而使人機(jī)共融實(shí)現(xiàn)，也就能更好地實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的價(jià)值。

3.發(fā)展目標(biāo)

我國(guó)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)是:根據(jù)21 世紀(jì)初我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)先進(jìn)制造及自動(dòng)化技術(shù)的需求,瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來(lái)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)有：第一，危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境作業(yè)機(jī)器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測(cè)、油汽管道等機(jī)器人；第二，醫(yī)用機(jī)器人：主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人、遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機(jī)器人：主要有移動(dòng)機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。其發(fā)展趨勢(shì)是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。