江蘇省常州技師學(xué)院 瞿敏敏

工業(yè)4.0帶來(lái)智能制造，工業(yè)機(jī)器人是其中非常重要的構(gòu)成要素。目前工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為智能制造中的重要裝備，是高端制造業(yè)的重要標(biāo)志。本文采取綜合分析、案例分析等方法，對(duì)機(jī)器人在智能制造中的應(yīng)用展開(kāi)了討論。

1 智能制造

當(dāng)前自動(dòng)化控制技術(shù)尚未出現(xiàn)革命性突破之前，所謂智能制造是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、傳感器技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，這并沒(méi)有脫離自動(dòng)化，而是對(duì)自動(dòng)化一定程度的升級(jí)，機(jī)器人體現(xiàn)了這種技術(shù)的整合特性。事實(shí)上孤立的機(jī)器人在生產(chǎn)制造當(dāng)中沒(méi)有任何價(jià)值可言。從智能制造的角度來(lái)講，在真正的強(qiáng)人工智能未出現(xiàn)的當(dāng)下，所有的AI都只能算初級(jí)AI，它以數(shù)據(jù)為智能的基本構(gòu)成元素，而精準(zhǔn)、有時(shí)效性的數(shù)據(jù)則是關(guān)鍵。目前工業(yè)4.0的典型代表數(shù)字工廠(chǎng)，實(shí)際上就是以數(shù)據(jù)推動(dòng)的智能化工廠(chǎng)，盡管它并不是真正的智能工廠(chǎng)，它的基礎(chǔ)是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備的整合，以最少量的人從事創(chuàng)意性的工作，用自動(dòng)化裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的生產(chǎn)。

2 工業(yè)機(jī)器人的思考

2.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

1959年世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)，用于上下料，這一臺(tái)機(jī)器人引起通用汽車(chē)的注意，并在1969年汽車(chē)行業(yè)引入17臺(tái)機(jī)器人用于車(chē)身點(diǎn)焊。1977年P(guān)NMA即可編程通用機(jī)器裝配出現(xiàn)，它是一個(gè)具有里程碑意義的裝備，PUMA使用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和微電腦控制，體積小、靈活，并被用于組裝制造過(guò)程，并同時(shí)與各類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)和自動(dòng)流水線(xiàn)連接，執(zhí)行流水線(xiàn)跟蹤與撿包工作。然而實(shí)踐中PUMA的效果不理想，因此出現(xiàn)了柔性裝配機(jī)器手臂，即SCARA。PUMA在組裝行業(yè)的失敗，主要是自動(dòng)化成本因素，額外智能有好處，但是實(shí)際成本過(guò)高，不符合組裝行業(yè)的預(yù)期。不可否認(rèn)現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人在體積、編程、安全和靈巧等方面有所提升，與PUMA非常相似，但依然不是組裝行業(yè)的首選。系統(tǒng)整合機(jī)器人（如圖1）才是首選，因?yàn)槠渚邆涑杀緝?yōu)勢(shì)。

圖1 系統(tǒng)整合機(jī)器人示意

2.2 系統(tǒng)整合機(jī)器人

當(dāng)前編程語(yǔ)言和控制機(jī)器人的知識(shí)廣泛傳播，市面上存在很多開(kāi)源程序與工具使得機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)門(mén)坎下降，但是機(jī)器人本身的設(shè)計(jì)制造卻存在非常高的門(mén)坎。因?yàn)橹圃鞓I(yè)企業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求各不相同，不同的需求則導(dǎo)致機(jī)器人生產(chǎn)廠(chǎng)家在生產(chǎn)機(jī)器人時(shí)的定制化程度高，但廠(chǎng)家一般只標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人，具體應(yīng)用還需要制造業(yè)企業(yè)重新尋求第三方來(lái)實(shí)現(xiàn)，而機(jī)器人本體涉及較高技術(shù)壁壘，很難在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)制造上取得突破的情況下，系統(tǒng)集成就更為關(guān)鍵。

3 智能制造中機(jī)器人的應(yīng)用

3.1 機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人在制造領(lǐng)域已經(jīng)有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，在船舶焊接、汽車(chē)制造、生產(chǎn)搬運(yùn)等方面發(fā)揮了非常顯著的作用。在一家制造企業(yè)中，機(jī)器人所組成的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，其本質(zhì)是一個(gè)整合系統(tǒng)。機(jī)器人組成的整合系統(tǒng)是柔性化的生產(chǎn)線(xiàn)，比如上下料、焊接、打磨、拋光、噴涂、裝配監(jiān)測(cè)、搬運(yùn)物流等。要控制好這些不同功能的SCARA機(jī)器人，核心是人工智能。

首先，機(jī)器人的大腦，由于生產(chǎn)線(xiàn)上，零部件加工對(duì)機(jī)器人而言最大的問(wèn)題是零部件結(jié)構(gòu)化且復(fù)雜，施展空間小，如何在小空間內(nèi)指揮機(jī)器人精準(zhǔn)加工需要好的規(guī)劃，即位置估計(jì)。目前相關(guān)研究中提出了自適應(yīng)魯棒視覺(jué)控制、多約束軌跡規(guī)劃等技術(shù)，實(shí)際這些技術(shù)的本質(zhì)是算法，依靠機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效快速計(jì)算，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作控制、軌跡跟蹤和角色規(guī)劃。

其次，機(jī)器人的視覺(jué)，生產(chǎn)線(xiàn)上的條件實(shí)際上比較復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人的感知有一定影響，機(jī)器人需要應(yīng)對(duì)光照條件多變、結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜、測(cè)量目標(biāo)微弱等情況。相關(guān)研究提出了高分辨率實(shí)施的視覺(jué)成像和信息處理技術(shù)、高速微弱目標(biāo)完整感知技術(shù)、多尺度多特征精準(zhǔn)識(shí)別三維測(cè)量技術(shù)等。這些技術(shù)致力于解決高端裝備制造上的問(wèn)題，但是最核心的問(wèn)題是，這些技術(shù)成本高，因此絕大多數(shù)應(yīng)用機(jī)器人的廠(chǎng)家都是柔性生產(chǎn)線(xiàn)，這種生產(chǎn)線(xiàn)的感知層是大量的傳感器。通過(guò)傳感器來(lái)感知相關(guān)信息，并進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)，典型的如碼垛機(jī)器人（如圖2所示）。

圖2 碼垛機(jī)器人

最后，協(xié)同加工，比如碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)，它由多臺(tái)碼垛機(jī)器人組成并協(xié)同工作，完成這種協(xié)同操作，關(guān)鍵還是看機(jī)器人的大腦，即智能規(guī)劃和調(diào)度技術(shù)，目前應(yīng)用較好的是多機(jī)械協(xié)同優(yōu)化調(diào)度算法，工序優(yōu)化調(diào)度決策算法等技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的基本思路是解決每一臺(tái)機(jī)器人的路徑規(guī)劃，任務(wù)調(diào)度與分解，然后進(jìn)行協(xié)同控制，尤其是路徑規(guī)劃，要使每一臺(tái)機(jī)器人精準(zhǔn)地到達(dá)其應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)的位置并按照預(yù)定軌跡作業(yè)。

3.2 機(jī)器人應(yīng)用案例

圖3為多種焊接工藝統(tǒng)合后的緊湊型多功能生產(chǎn)單元。在本生產(chǎn)單元中在一個(gè)H形平臺(tái)中央集成一臺(tái)KR6-2型KUKA機(jī)器人，利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)使生產(chǎn)過(guò)程始終存在一個(gè)焊接夾具處在工作狀態(tài)，同時(shí)第二個(gè)夾具由少量工作人員預(yù)安裝，如此操作員的操作對(duì)機(jī)器人的焊接工作無(wú)影響。

圖3 機(jī)器人生產(chǎn)單元實(shí)景

該生產(chǎn)單元操作如下。操作人員先將工件裝載到夾具上并啟動(dòng)系統(tǒng)，傳感器感知到回轉(zhuǎn)平臺(tái)夾具上的工件后旋轉(zhuǎn)180°，使安裝工件的夾具旋轉(zhuǎn)至焊接區(qū)。KUKA型機(jī)器人聯(lián)動(dòng)，伸出配有Fronius CMT焊槍的機(jī)械臂，進(jìn)行焊接工作。第二臺(tái)機(jī)器人未KR210 R2700 EXTRA，配備X100氣動(dòng)伺服焊鉗，同時(shí)移動(dòng)至焊接點(diǎn)使用點(diǎn)焊焊接工件。焊接工作完成回轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，將第二個(gè)夾具送入焊接區(qū)，第一個(gè)已經(jīng)完成焊接的夾具回轉(zhuǎn)至操作員操作區(qū)，氣動(dòng)打開(kāi)，操作員取出已經(jīng)加工好的工件后安裝新的工件，如此循環(huán)。當(dāng)然在操作員操作區(qū)也可安裝上下料機(jī)器人。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，機(jī)器人是制造業(yè)的技術(shù)前沿領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵。在運(yùn)用機(jī)器人發(fā)展智能制造的過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)整合，組成柔性生產(chǎn)線(xiàn)，在少量人員配合下，極大提高生產(chǎn)效率。但是由于目前人工智能能力水平還比較低，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。