探究“物聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)機器人的應用

李天震 陳曉丹

1. 安徽理工大學電氣與信息工程學院 安徽 淮南 232001；

2. 安徽三聯(lián)學院電子電氣工程學院 安徽 合肥 230601

引言

在工業(yè)領域隨著智能化和自動化技術的推進，工業(yè)機器人也被逐步投入到工業(yè)生產(chǎn)中。目前工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應用于化工生產(chǎn)、機械制造、金屬加工及汽車組裝等各個領域，高度的自動化工業(yè)生產(chǎn)減少了人工的干預，也避免了不必要的資源浪費。5G無線通信和物聯(lián)網(wǎng)+技術的投入使用將極大地推動現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)模式也將被自動化的生產(chǎn)方式所顛覆。這種全新的生產(chǎn)模式將極大地推動工業(yè)自動化的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)機器人的概述

5G背景下的“物聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)機器人技術實際上是物聯(lián)網(wǎng)與機器人軟硬件技術的結合?！拔锫?lián)網(wǎng)技術”是利用特定通信協(xié)議的傳感器和感應設備將指定物體所采集到的數(shù)據(jù)信息接入到互聯(lián)網(wǎng)中，從而實現(xiàn)物品與物品或物品與人之間的交流通信。目前我國現(xiàn)有的工業(yè)機器人產(chǎn)品種類主要大致分為以下兩類，傳統(tǒng)的新型工業(yè)服務機器人和新興的智能服務工業(yè)機器人，其中傳統(tǒng)服務型工業(yè)機器人大多數(shù)應用于電子醫(yī)療、家用、娛樂、教育等日常生活應用領域，工業(yè)服務機器人則主要應用于汽車行業(yè)、電子以及電氣、交通工程、國防等生產(chǎn)領域。聯(lián)合國標準化組織（ISO）將這種工業(yè)專用機器人系統(tǒng)定義成作為一種能夠同時實現(xiàn)自動控制的一種可執(zhí)行不同工作任務的以及一種可通過重復進行編程不同動作的工業(yè)專用控制系統(tǒng)，其主要特點有高精度、高可靠性、高度路徑優(yōu)化以及強悍的計算能力等。

“物聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)機器人是兩種前沿技術的結合產(chǎn)物，其本質(zhì)上是通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)機器人之間的交流通信，同時利用其特定的算法計算處理來自行做出決策。物聯(lián)網(wǎng)＋工業(yè)機器人的主要功能包括智能感知功能、超級計算功能及遠程控制功能。智能感知功能是指機器人可以在生產(chǎn)過程中根據(jù)周圍環(huán)境變化及時做出判斷和決策的能力，物聯(lián)網(wǎng)技術通過使鑲嵌在機器人身上的各類傳感器傳入到互聯(lián)網(wǎng)的多條信息相互融合，從而使得機器人具有像人類一樣的視覺、觸覺、移動、壓力、溫度等感知能力；超級計算功能是在機器人搭載的DSP（數(shù)字信號處理芯片）和MCU（微控制芯片）中寫入感知算法和控制算法等，其算法可主要細分為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法、路徑規(guī)劃算法、移動控制算法和行為決策算法等，通過強大的算法能力機器人可以對獲取的各類環(huán)境數(shù)據(jù)做出即時的處理，由于工業(yè)機器人的可編程性可以對其算法不斷優(yōu)化來提高機器人的精度和可靠性。遠程控制功能是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術在特定的通信協(xié)議下進行人機交流，并利用5G無線通信技術的高速、低時延、互聯(lián)等特性來對工業(yè)機器人進行遠程操控，不僅可以提高設備運行效率而且可以起到實時監(jiān)控的作用，既提高了生產(chǎn)力還可以對設備的預測性維護、潛在危險的排除等方面提供較大的幫助。

2 “物聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)機器人的一些關鍵技術

2.1 射頻識別技術（RFID）和傳感網(wǎng)技術

工業(yè)機器人進行信息的采集、識別、轉化、傳遞功能主要發(fā)生在物聯(lián)網(wǎng)的感知層架構。RFID、傳感技術和近距離傳輸技術構成了感知層架構的重要技術支撐。RFID技術的空間耦合傳輸性能可以完成對物體的無接觸信息傳遞與自動化識別。RFID技術近年來已經(jīng)趨于完善化和標準化，現(xiàn)如今其應用場景也逐步增加，例如當下利用無源或半無源的RFID標簽讀寫器來完成對RFID磁卡的自動識別與讀寫存儲技術，在門禁開放、停車場通行、工業(yè)自動化生產(chǎn)等場所都有用到[1]。無線傳感網(wǎng)絡是由大量的動態(tài)或非動態(tài)傳感器以自組或多跳方式組合形成的大規(guī)模自組網(wǎng)，傳感網(wǎng)通過協(xié)作的方式來完成對監(jiān)測物體的網(wǎng)絡全覆蓋。因此在5G通信網(wǎng)絡的高速、低延時背景下的工業(yè)機器人對數(shù)據(jù)信息的收集和傳遞將會變得更加方便。

2.2 工業(yè)機器人的控制技術

“機器人”的正常工作需要配備良好的驅動系統(tǒng)，電力驅動和機械傳動是當下最主流的兩種制動方式。出于效率和生產(chǎn)力的角度考慮，一般的工業(yè)機器人常采用機械傳動的方式來制動，主要是在工業(yè)機器人的各個關節(jié)上安裝自由度較高的傳動裝置或者直接通過鏈條、輪齒等傳動器來完成對機器人的控制。工業(yè)機器人的控制技術主要包括以下3條：

2.2.1 位置控制方式，主要包括點位控制和連續(xù)路徑控制技術。點位控制即只操控工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器在規(guī)定的離散的點位上進行各點之間的移動，而對其運動軌跡則沒有強制要求，其優(yōu)點是使工業(yè)機器人的移動快速、準確。連續(xù)路徑控制則需要控制工業(yè)機器人的位姿并且要求其嚴格按照預定的路徑和速度來運動，這種方式的優(yōu)點是軌跡可控、運動平穩(wěn)、定位精度高。

2.2.2 力矩控制，指工業(yè)機器人在工作時所掌握力的程度，需要在作業(yè)時因力過大或過小而及時產(chǎn)生轉矩來達到精準施力，利用力矩的伺服原理可以完成對力矩的控制。

2.2.3 智能控制，指將傳感器獲取周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)進行收集整理后傳入到機器人的“大腦”芯片中，這些數(shù)據(jù)信息將根據(jù)事先寫入在芯片中的智慧算法得到即時處理，隨即做出相應的操作。這種智能控制技術與神經(jīng)網(wǎng)絡算法的結合可以使機器人具有較強的學習和適應能力。隨著芯片元件制造精度的不斷提高，其對數(shù)據(jù)的處理速度和對機器的控制能力也將出現(xiàn)數(shù)量級的增長，從而保障工業(yè)機器人的智能化運行。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)機器人的通信協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)技術可以通過工業(yè)機器人的通信協(xié)議從而將所有機器人收集數(shù)據(jù)信息的硬件裝置整合成一個完整的通信系統(tǒng)，同時搭載相適配的軟件程序來完成對機器人的操控。由于目前許多機器人公司常采用自家產(chǎn)品的通信協(xié)議，且市場上并沒有規(guī)范出一條標準的協(xié)議，因此想要完成整合的難度也大大加深。物聯(lián)網(wǎng)時代的到來為這一難題提供了一條思路，由于機器人之間的協(xié)議不同而導致交流不便影響生產(chǎn)效率，因此可以通過互聯(lián)網(wǎng)云端作為第三方媒介來構造出一條標準化的協(xié)議，首先機器人按照各家公司的通信協(xié)議接入到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，然后通過設計并創(chuàng)建規(guī)范化物聯(lián)網(wǎng)接口來完成信息交流，物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議按照其層次架構可主要分為以下3類：

2.3.1 物理感知層及數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，主要包括近距離通信、遠距離通信以及有線通信協(xié)議。近距離通信如NFC技術，可以使多臺電子設備在短距離內(nèi)利用高頻無線通信來完成非接觸式的數(shù)據(jù)交換；藍牙技術作為一種全球規(guī)范化語音通信和數(shù)據(jù)開放的低成本無線通信技術，為移動設備之間進行短距離連接建立了良好的通信環(huán)境[2]。遠距離通信包括二、三、四、五代移動通信協(xié)議、WiFi協(xié)議、Zig Bee協(xié)議和LoRa協(xié)議，LoRa與同類別技術相比可以完成更遠距離的通信。有線通信技術包括串口通信協(xié)議、以太局域網(wǎng)、MBus等，該技術的主要特點是需要通過數(shù)據(jù)線按照位傳輸方式來進行外部設備與計算機之間數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.2 網(wǎng)絡層協(xié)議有IPv4、IPv6以及傳輸控制協(xié)議（TCP）等。IPv4協(xié)議是使用最早也是使用最為廣泛的國際通用協(xié)議版本，IPv6協(xié)議則是在第四版基礎上進行改進，IPv6將第四版中的32位（4字節(jié)）地址增加為128位從而增大了IP地址的數(shù)量，這不僅極大地擴展了地址空間也獲得了更快的速度和更強的安全性，同時也解決了多種設備同時接入互聯(lián)網(wǎng)困難的問題。TCP協(xié)議通信需要建立在兩者連接的基礎上，并且協(xié)議連接只能是一對一進行，不可以利用TCP協(xié)議同時進行多個主機地址的連接。利用TCP協(xié)議進行連接的時候需要為每個連接到的對象實時分配一個相應的內(nèi)核網(wǎng)絡資源，從而可以方便對實時傳輸數(shù)據(jù)和連接對象狀態(tài)的實時管理，這種連接協(xié)議的技術特點是可靠、需要有面向多個連接、面向多個字節(jié)數(shù)據(jù)流、效率低等。

2.3.3 應用層協(xié)議可以方便管理員對IP網(wǎng)絡地址的分配和通信的管理，該協(xié)議主要包含XMPP協(xié)議、HTTP協(xié)議以及MQTT協(xié)議等。XMPP協(xié)議以其超強的網(wǎng)絡靈活性、安全性和自由的可擴展性三大特點常服務于網(wǎng)關、客戶端、服務器中任意兩者之間的在線通信，擴展后的XMPP協(xié)議可以在網(wǎng)關頂端直接建立基于網(wǎng)關地址的通信服務；HTTP協(xié)議因其靈活快速、簡單、無相互連接的特點在國際互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議上應用最為廣泛，由于網(wǎng)關服務器程序的規(guī)模較小所以主要是用于網(wǎng)關客戶端與網(wǎng)關服務器之間的信息傳輸；MQTT網(wǎng)絡協(xié)議可以認為是一種輕量級的通信協(xié)議，其主要特點之一是用戶可以通過少量的編程代碼和有限的網(wǎng)絡帶寬限制來直接實現(xiàn)遠程通信設備相互連接間的在線消息發(fā)送服務，因為其占用較低帶寬的特點所以常用于小型設備、物聯(lián)網(wǎng)、遙感數(shù)據(jù)等。

3 物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)機器人的具體應用

3.1 倉庫物流行業(yè)

商品經(jīng)濟將會隨著全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展趨勢變得更加昌盛，未來對于倉庫以及物流行業(yè)的工作量將會持續(xù)增加。物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)機器人通過其出色的智能感知、識別、自動化控制等技術有足夠的能力來承擔起倉庫物流行業(yè)的一整條服務。工業(yè)機器人可以通過其感知能力來完成對物品的分揀和產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測，通過其智能控制和自動化處理能力技術可以完成對物品的接運卸貨、處理入庫信息、上架、自動辦理交接手續(xù)以及自動發(fā)貨出庫等，機器人可以通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析作業(yè)環(huán)境并自動編制進出庫計劃同時對異常情況做出相應措施并上報，且這一過程不需要人工干預。工業(yè)機器人通過一系列智能化控制極大地節(jié)約了人力資源，也提高了作業(yè)的效率。

3.2 汽車制造行業(yè)

隨著國家對制造業(yè)走向自動化、智能化方向的大力推動，工業(yè)機器人也將因其獨特的優(yōu)勢在生產(chǎn)行業(yè)得到大力發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)機器人在汽車的制造過程中主要承擔焊接、檢測及裝配工藝[3]。工業(yè)機器人按照教程規(guī)定的動作、順序、參數(shù)進行焊接作業(yè)可以完全實現(xiàn)焊接環(huán)節(jié)的自動化，通過借助機器人可以忽略車身重量和視線的影響在焊接過程中實現(xiàn)對焊接精度的精準把握，同時在焊接質(zhì)量和數(shù)量上有著人工難以做到的優(yōu)勢；零件的裝配工作是整個汽車制造過程中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，因為汽車的裝配工作需要用到大量的零件且各種零件在尺寸、安裝順序、轉數(shù)上有著不同的區(qū)別，所以該環(huán)節(jié)需要投入大量的勞動力而且效率也低，而工業(yè)機器人則可以根據(jù)零件的質(zhì)量和尺寸與事先上傳到數(shù)據(jù)庫中的器件模型進行比對并快速做出識別與精準裝配。

3.3 消防工業(yè)機器人

工業(yè)機器人在消防安保領域的投入使用可以有效減少人員的傷亡同時也能夠降低救援的難度。因為工業(yè)機器人具有超長待機、工作強度大且智能度高的特點，所以在救援時面對高溫、缺氧、有毒氣體等危險的復雜環(huán)境時能夠進入險境勘測現(xiàn)場受災情況并及時將收集數(shù)據(jù)傳到后方，以便救災人員及時做出相應的救援措施，從而在最大程度上減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。消防工業(yè)機器人利用其可預測性觀察的特性可以有效檢測出工廠或生產(chǎn)車間中存在的安全隱患問題并向終端設備發(fā)射報警信號，同時機器人也會利用其智慧算法對隱患進行等級劃分并分別制訂出解決方案作為參考。

4 結束語

隨著5G網(wǎng)絡的普及，物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的技術領域也逐漸增大，新一代的工業(yè)機器人在物聯(lián)網(wǎng)技術與智能控制技術的完美融合下華麗登場，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式也將迎來新的變革，目前工業(yè)機器人在化工生產(chǎn)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、汽車制造等領域已經(jīng)取得了出色的成績。我們應當牢牢抓住本次物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機遇，加強對我國物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代工業(yè)機器人的研發(fā)與技術創(chuàng)新，促進相關技術成果的應用產(chǎn)業(yè)化，推動我國社會主義市場經(jīng)濟的健康發(fā)展，爭取早日完成黨和國家人民共同富裕的最終戰(zhàn)略目標。