智能制造與機器人應用關鍵技術及發展趨勢

劉小春，張 蕾*

（湖南鐵道職業技術學院，412001，湖南株洲）

在時代進步、科學技術發展的背景下，我國處于全面信息化時代，數字化技術、智能化技術的大量應用，帶給人民高質量的生活。回顧我國智能制造發展史，其發展速度驚人。在改革開放前期，國內智能制造處于空白狀態，滯后于西方發達國家太多。在中國意識到科技的力量時，盡管實力已相差非常懸殊，但是我國做到了正視自身的發展現狀，激勵自身不斷進步和發展，推動智能制造與機器人應用關鍵技術不斷發展。

1 構造智能制造環境的重要技術分析

當前中國構造智能制造、構造數字化車間熱情不斷高漲，社會對此項事業的重視度不斷提升。怎樣建設智能制造的環境，形成數字化和現代化的車間，需要科學技術作為有力支撐。首先是機器人技術。機器人技術是發展數字化、自動化及智能化的基礎和關鍵。其次是人工智能技術。智能制造的含義，即為智能技術、制造技術之間的合理融合，對于制造期間產生的各種問題，采取針對性的智能技術進行解決，也可以說智能制造即為人工智能技術應用于制造業中。最后是數字化技術和網絡化技術。制造業需要具備的基本構成是產品的設計技術、制造技術，積極利用機器人技術、智能技術、數字化技術及網絡化技術等，最終實現設計產品能力的提升。

在高端裝備制造業發展中，智能制造是必然趨勢。其中，數字車間、工業機器人的應用，為重要的智能制造的內容，產生的作用甚至是主體性的。經推廣應用數字車間中機器人，一方面能夠推動機器人智能化水平提升，另一方面改變傳統的人力生產模式，同時可以對一部分腦力勞動進行替代。很早以前就已經提出了數字車間，先是機器換人工，再達到機器自動化的目標，也就是改進機械設備，大量地運用自動化設備，最后為集成化及成套化，將傳統的單臺流水線作業方式轉為用成套設備進行作業，也就是實現智能換數字。

2 機器人發展的重要趨勢

從20 世紀的五六十年代開始，世界進行機器人技術開發。第一個“通用機器人”專利，是由G·C·Devol（美國）首先發表。在1960 年時，美國AMF 公司生產的柱坐標機器人Versatran，能夠位置定點，同時可以軌跡控制，屬于世界上第一種能夠在工業生產中應用的機器人。在之后的發展中，機器人出現了三個主要的發展趨勢。首先，軟硬融合。機器人中更關鍵的就是軟件，在軟件上面，可以全面體現人工智能技術，而且數字化車間的布局及軌跡規劃、自動化上料等，需要依靠科學的軟硬件結合，硬件的開發固然重要，但是需要更多高素質的優秀軟件開發人員來開發軟件。所以當前從事智能制造行業者，應該具備廣博的機械、信息技術知識，特別是可以深入地掌握機器人控制技術。其次，虛實融合。機器人的存在并非孤立狀態，而是需要很多仿真、虛擬現實，實現虛擬現實科學地融入車間實際加工過程。最后，人機融合。人、機器、機器人之間的融合，屬于永遠要探究的話題。

在推廣工業機器人時，應該做到創新設計先行。智能制造和機器人的應用，可以促進生產效率提升，但僅可以解決產品怎么做的問題，還并未有效地處理好做什么產品的問題，而企業家往往更重視做什么產品可以暢銷的問題，因此應該創新設計先行。同時應用工業機器人應該緊密地聯系起大數據，機器人看得見、聽得到，具備感知能力，需要依靠大量的數據支持，與此同時要實現工業機器人、模式識別之間的密切結合。另外，對工業機器人還要做好虛擬現實、精益生產之間的有效結合，最終把機器人用得更好，更好地將其推廣運用。

3 機器人發展的主要途徑

3.1 從串聯機器人到串并混聯機器人

早期機器人主要是串聯的方式，在市場進步和發展的環境下，當前應用到的機器人包括串聯的、并聯的。串并聯機器人的應用優勢諸多，即具備并聯機構剛度大的特點，同時擁有串聯機構控制空間大的優越性，所以串并聯機器人成為了機構學研究的關鍵內容，引領機器人將來發展方向。

3.2 從剛體機器人到剛柔體機器人

當前研究剛性機器人的同時，也要重視柔性機器人的研發利用。例如，英國一公司研發出蛇型機器人。我國也在積極地研發類似機器人，具備柔性多節結構的特點，這一類工業機器人具備靈巧關節，例如仿象鼻、章魚須或蛇等。今后，工業機器人的發展重點之一就是提高柔軟性，通過應用柔體結構將機器人末端或本體的靈活度提升，可達性增強。可達性為其最顯著優勢，例如，航空構建制造上部分孔很深，如果僅采取常規的舉措不容易打進去，而應用柔性機器人就更加便捷。

3.3 從單機器人作業到多機器人協同工作

單機器人在很多方面具有局限性。功能分布性、制造空間的分布性、任務作業的容錯性等，是需要很多機器人合作展開工作方可達到的，僅一個機器人是不能構建數字化及智能化車間的，尤其是大尺度的焊接裝備，應該多個機器人之間進行有效的配合協作，才能提升靈活性、可靠性。由此產生了一些問題，即多機器人的通信怎樣實現、公共工作空間互鎖的情況下怎樣避免干涉、如何讓整個作業任務達到協同的效果等等。按照不同的工作空間及工作任務，對這些問題運用不同的群控方法有效處理。

3.4 機器人技術與物聯網技術相結合的應用

機器人屬于系統工程，應該實現機器人技術與物聯網技術的緊密結合。近些年來，我國很多省份積極推廣物聯網，促使工業機器人有效地融合物聯網，之后催生智能柔性的自動化裝配焊接，產生較為顯著的成效。經過物聯網的途徑，工業機器人可以獲得感知能力，相應地具備視覺、觸覺甚至味覺，進而對生產環節的很多數據信息進行采集了解。

3.5 機器人技術與虛擬現實相結合的應用

機器人技術與虛擬現實相結合，在現實裝配中尤為關鍵。積極地研發先進的虛擬現實結合系統，其優勢特點就是簡單、直觀，能夠將研制期間依賴真實機器人的程度明顯降低，減少安全隱患問題，以及減少生產成本支出，促使生產效率提升。

3.6 機器人技術與模式識別技術結合的應用

模式識別應用到機器人檢測中效果顯著，可以及時發現機器人加工的零件是否存在質量瑕疵問題，了解到有無不滿足技術條件等問題。因此，應該積極地將機器人技術與模式識別技術結合。

3.7 機器人技術與人工智能相結合的應用

在機器人技術中科學融合人工智能、傳感檢測及人機交互等技術，讓機器人跟人類協同合作，直接參與到人的工作中，對人機間隔離防護進行消除。

4 智能制造時代工業機器人技術要實現的目標

首先，智能系統。科學技術的發展，使社會上出現更多具備豐富功能、成本較低的處理器、傳感器，給機器人技術的完善發展提供更好的發展基礎。例如，汽車制造時如果產生故障，機器人即刻通過感應進行相關處理，在聯動配合下實施操作。對于機器人技術，目前主要的研究內容是程序共享、信息互聯，未來發展中，汽車制造需要達到機器人離線開發的目標。

其次，智能執行器。目前執行器的發展更加智能化，基于傳統位置編織器，在同一封裝中集中各種設備，即制動器、放大器等。所以，未來智能執行器的發展，會不斷地提升集成電路可靠性及減小尺寸，給汽車產品布線帶來更多的便捷性。

再次，智能傳感器。其在汽車行業制造中產生的意義不言而喻，經傳感器把汽車信號處理和電子器件的微機械傳感器進行集合，一方面滿足汽車制造需求，另一方面將制造成本大大節約。

最后，分布式控制。新興機器人處理能力、智能化，是依靠處理器得以實現的。機器人中全部的處理器均具備特殊功能，連接網絡以后機器人跟智能系統設備實現共享。所以，工業機器人技術應用了傳感器和網絡、執行器控制模塊化功能，從而實現智能化運行。

5 結語

智能制造屬于制造行業重要發展趨勢，能夠將產品制造的成本有效降低，并且雙重提升產品制造的質量和效率。智能制造需要應用眾多的現代化先進技術，其中包括數字技術、機器人技術、人工智能技術，推動機器人技術更科學地應用于智能制造，技術人員應該采取串并混聯機器人及剛柔體機器人，有效配合運用多個機器人，結合互聯網技術，達到數字化車間構建的目標，推動我國的智能制造事業穩定向前發展。