工業(yè)機器人的智能化發(fā)展探究

張崢

摘要：針對國內(nèi)外工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀，以及影響國內(nèi)工業(yè)機器人應(yīng)用及智能化發(fā)展存在的問題，假設(shè)并提出理想的工業(yè)機器人模型，并給出未來工業(yè)機器人的智能化發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能生產(chǎn)；工業(yè)機器人；智能化發(fā)展

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

可見， 為使工業(yè)機器人的優(yōu)勢能夠得到充分的發(fā)揮， 積極解決上述問題是關(guān)鍵。

一、工業(yè)機器人的智能化進展

工業(yè)機器人當前主要有以下幾類：沖壓機器人、焊接機器人、激光切割機器人、噴涂機器人等。這些能代替人工作業(yè)的繁瑣重復(fù)勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械全自動化，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)用機器人技術(shù)時主要面臨著四大問題：第一，運動性問題。從技術(shù)上看就是如何實現(xiàn)工業(yè)機器人運動學(xué)建模與求解。第二，作業(yè)平穩(wěn)性問題。需要考慮機器人平穩(wěn)作業(yè)問題。第三，布局的多樣性。如何考慮布局設(shè)計快速地適應(yīng)公司的新產(chǎn)品、新工藝。第四，操作易用性。需要提高機器人的易用性。

對此我們應(yīng)該假設(shè)并提出理想的工業(yè)機器人模型。

二、國內(nèi)外工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀

1.國外工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名工業(yè)機器人公司，比如日本的安川、FANUC，德國的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，以及意大利的COMAU。工業(yè)機器人已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、工廠自動化（FA）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動工具。據(jù)專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。2002-2004年，根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（UNECE）和國際機器人聯(lián)合會（IFR）的統(tǒng)計，世界工業(yè)機器人市場年增長率平均在10%左右。2005年增長率達到創(chuàng)記錄的30%，其中亞洲工業(yè)機器人增長幅度最為突出，高達45%。2007年，全球新安裝工業(yè)機器人的數(shù)量超過十萬套。

2.國內(nèi)現(xiàn)狀

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

三、理想機器人模型

理想的工業(yè)機器人在生產(chǎn)過程中應(yīng)當具備以下功能特點：

1.智能移動功能

（1）實時定位并自主規(guī)劃最佳行進路線：機器人可以自主建立地圖并進行路線規(guī)劃，在行進同時不斷刷新當前的空間位置，并實時同步到系統(tǒng)后臺，讓管理系統(tǒng)可以隨時掌握機器人的行跡路線及機體周圍的環(huán)境狀態(tài)。

（2）自動回收充電：機器人的電量在低于一定程度后會自動返回統(tǒng)一的充電處進行充電，該過程實現(xiàn)自動化，無需人為操作。

（3）同步感知：機器人裝備多種傳感器，可以實時監(jiān)測周圍的障礙物、溫度、濕度等環(huán)境因素并進行感知分析，若判斷危險則進行避障，同時上傳分析數(shù)據(jù)到管理后臺。

2.語音交互功能

（1）語言對講：系統(tǒng)內(nèi)存儲信息庫可以讓機器人分析使用者的話語并給出最佳回答，并通過提前設(shè)定好的程序為其提供幫助。

（2）人性化服務(wù)：使用者可以通過機器人與系統(tǒng)后臺的管理人員進行實時交流，避免了系統(tǒng)識別和傳遞信息時出現(xiàn)錯誤。

3.智能管理系統(tǒng)

（1）后臺管理：系統(tǒng)實時監(jiān)測各機器人的工作狀態(tài)、行進路線并對其進行各項參數(shù)的對比查看，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)信息庫中未錄入的緊急情況，則強制關(guān)閉所有機器人的電源，并呼叫管理員進行處理。

（3）全自動化：由后臺統(tǒng)一管理所有機器人并分配相應(yīng)的任務(wù)，實時搜集整理各項數(shù)據(jù)報告并檢查分析，整個過程無需人為操作。

四、當前機器人與理想模型之間的技術(shù)差距

通過與理想機器人模型的對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題是關(guān)鍵：

1.機器人的靈活度及柔性不高

在工業(yè)機器人不足夠靈活和柔性不高情況下，某個行業(yè)用到的工業(yè)機器人是根據(jù)本行業(yè)的工藝流程或者實際工況而有針對性的開發(fā)出來的，如果工藝發(fā)生了變化，之前的設(shè)備可能就需要優(yōu)化甚至某些場合下需要完全推到重來。即使是柔性已經(jīng)非常強大的標準工業(yè)6軸機械手也不例外。

2.信息利用率有待提升

在倉儲物流自動化行業(yè)里經(jīng)常會遇到需要給機械手配備3D視覺系統(tǒng)來動態(tài)識別當前需要夾取的料箱或者包裹的實際位置。這里會有視覺算法來識別多個物料單元的位置關(guān)系和位置數(shù)據(jù)。而當前市面上的硬件設(shè)備和算法并不能應(yīng)付所有的物料堆疊方式。有些甚至是對于人眼輕而易舉能識別的位置，而對于機械手視覺卻是個極大的難題。若無法快速準確處理并利用相關(guān)信息，那么工業(yè)機器人將無法起到節(jié)省勞動力的作用。

3.智能化技術(shù)不夠成熟

如果不足夠智能，標準工業(yè)6軸機器人可以簡單理解為一個更加結(jié)實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)用場景。與人相比，機器人差的是指揮胳膊后邊的那個強大的指揮大腦。比如對于機械手來說，針對不同的應(yīng)用場景和項目，需要工程技術(shù)人員對其進行程序設(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，此時也需要對機械手進行人為的再次調(diào)試和數(shù)據(jù)輸入。

五、未來發(fā)展

1.發(fā)展方向

如何讓工業(yè)機器人能夠為工業(yè)智能化、自動化提供更優(yōu)異且高效的服務(wù)，這正是未來工業(yè)機器人發(fā)展的主要方向，主要有以下幾點：

（1）自主化。更加注重人機協(xié)作，逐步從遠距離作業(yè)向人機交互并協(xié)同作業(yè)的方向發(fā)展。同時適當降低編程的難度，向自主化方向發(fā)展，使其可以根據(jù)周邊環(huán)境情況自動設(shè)計并且優(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工業(yè)機器人的工作高效，而是要提高機器人管理系統(tǒng)乃至整個生產(chǎn)線的效率。不斷改進工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)，及時更新優(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)機器人的一個重要方向。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，二是機器人具有與人類類似的邏輯推理和問題求解能力，這是更高層次的智能化。智能技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，如虛擬現(xiàn)實、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)機器人的機構(gòu)模塊化就是在機器人結(jié)構(gòu)分解的基礎(chǔ)上，通過建立標準機械結(jié)構(gòu)的模塊庫，自動裝配模塊。能夠讓工業(yè)機器人最大限度地滿足模塊對機器人的要求，又可以讓設(shè)備的設(shè)計和制造更方便，能夠降低成本、縮短生產(chǎn)周期。

（5）標準化。工機器人的標準有利于制造業(yè)的發(fā)展，但目前不同廠家的機器人很難進行通信和零件部位的互換。機器人的標準化問題不是技術(shù)層面的問題，主要是不同企業(yè)之間的認同和利益問題。

（6）機器人的微型化。微型機器人是21世紀的尖端技術(shù)之一。目前已經(jīng)開發(fā)出手指大小的微型移動機器人，預(yù)計將生產(chǎn)出毫米級大小的微型移動機器人和直徑為幾百微米甚至更小的醫(yī)療和軍事機器人。

2.發(fā)展趨勢

隨著我國工業(yè)機器人的不斷發(fā)展，國內(nèi)一些大型公司已經(jīng)自主研發(fā)、生產(chǎn)出許多功能強大的機器人。而在今后我們應(yīng)該對虛擬現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)及視覺伺服控制技術(shù)等當代頂尖技術(shù)進行重點研究，可使工業(yè)機器人的性能進一步提升。隨著現(xiàn)在人工智能的不斷發(fā)展，可以嘗試將工業(yè)機器人的控制管理系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合起來，從而使人機共融實現(xiàn)，也就能更好地實現(xiàn)工業(yè)機器人的價值。

3.發(fā)展目標

我國機器人技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標是：根據(jù)21世紀初我國國民經(jīng)濟對先進制造及自動化技術(shù)的需求，瞄準國際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展的重點有：第一，危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機器人：主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機器人；第二，醫(yī)用機器人：主要有腦外科手術(shù)輔助機器人、遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機器人：主要有移動機器人、網(wǎng)絡(luò)遙控操作機器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。

參考文獻：

[1] 王田苗，陶永.我國機器人發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學(xué)報，2014（9）.

[2] 張岳甫.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2017（3）.

（作者單位：集美大學(xué)信息工程學(xué)院）