淺析“機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)

劉利寧，殷希中

（安徽阜陽(yáng)技師學(xué)院，安徽阜陽(yáng)，236000）

0 引言

人工智能（也叫智械、機(jī)器智能），是人類(lèi)制造的機(jī)械設(shè)備所能體現(xiàn)的一種智能，一般離不開(kāi)程序的編寫(xiě)。人工智能，它可以說(shuō)是“智能主體的研究和設(shè)計(jì)”，智能主體一般包括由周?chē)O(shè)備所組成的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以正確解釋一些外部數(shù)據(jù)，并且通過(guò)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而利用這些知識(shí)靈活適應(yīng)外部環(huán)境，最終完成某項(xiàng)特定任務(wù)。

全國(guó)人工智能應(yīng)用技術(shù)技能大賽，是我國(guó)首次面向人工智能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域舉辦的一類(lèi)職業(yè)技能大賽，承載著人工智能應(yīng)用“智能感知、決策分析及判斷、深度學(xué)習(xí)、自主執(zhí)行、多設(shè)備間的互聯(lián)互通、自我管理和綜合應(yīng)用”等多個(gè)方面的技術(shù)，目的在于加快培養(yǎng)和選拔人工智能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域高素質(zhì)技能人才。大賽競(jìng)賽平臺(tái)均為工業(yè)化設(shè)備，競(jìng)賽形式按照企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)流程進(jìn)行，競(jìng)賽任務(wù)基于真實(shí)的企業(yè)生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)，競(jìng)賽過(guò)程符合企業(yè)生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)，競(jìng)賽考核的核心技能，正是該領(lǐng)域高技能人才在生產(chǎn)中所需要掌握的關(guān)鍵技能。

1 機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)簡(jiǎn)介

賽項(xiàng)名稱(chēng) ：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)員（機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用）。

技術(shù)思路：根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)與人工智能技術(shù)融合發(fā)展趨勢(shì)要求，聚焦智能制造系統(tǒng)的裝備智能化等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)展全國(guó)人工智能應(yīng)用技術(shù)技能大賽機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)。本賽項(xiàng)以智能機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、AGV（自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)）等多種典型機(jī)器人組成的智能制造系統(tǒng)裝備為載體，選取多種機(jī)器人在智能制造體系中協(xié)作工作的真實(shí)場(chǎng)景，融入人工智能、5G+制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，著重體現(xiàn)人工智能技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中面向機(jī)器人智慧化的最新應(yīng)用。通過(guò)舉辦該項(xiàng)目大賽，借以展示機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用態(tài)勢(shì)和發(fā)展需求，促進(jìn)參賽選手在智能制造領(lǐng)域綜合職業(yè)能力的提升。競(jìng)賽組別：職工組和學(xué)生組。

2 機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)技術(shù)平臺(tái)

職工組采用江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)的“機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用”技術(shù)平臺(tái)。該平臺(tái)以智能機(jī)器人技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、自主控制技術(shù)，自主決策技術(shù)、人機(jī)共融技術(shù)以及自主規(guī)劃等技術(shù)為主線，以工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、AGV等多種典型機(jī)器人為載體，對(duì)多種形式機(jī)器人進(jìn)行人工智能技術(shù)賦能，充分體現(xiàn)了機(jī)器人智能感知、自動(dòng)決策、自主執(zhí)行、互聯(lián)互通、深度學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、自我管理等的綜合賦能應(yīng)用，能夠?qū)拥湫椭圃旃I(yè)場(chǎng)景完整工藝流程，展現(xiàn)機(jī)器人在智能制造行業(yè)應(yīng)用的真實(shí)場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求，有效培養(yǎng)人工智能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域高素質(zhì)復(fù)合型技術(shù)技能型人才。

圖1 職工組比賽平臺(tái)

圖2 學(xué)生組比賽平臺(tái)

學(xué)生組采用廣州慧谷動(dòng)力科技有限公司自主研發(fā)的“機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)”。該平臺(tái)比職工組平臺(tái)少了智能機(jī)器人，智能機(jī)器人對(duì)應(yīng)的的通信、編程、物料抓取、巡檢等功能在學(xué)生組平臺(tái)上不能實(shí)現(xiàn)。

3 機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)技術(shù)淺析

■3.1 賽項(xiàng)技術(shù)描述

以機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)職工組技術(shù)為例，本賽項(xiàng)由“機(jī)器人智能仿真場(chǎng)景搭建及應(yīng)用”、“工業(yè)機(jī)器人人工智能技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用”、“移動(dòng)操作單元人工智能技術(shù)應(yīng)用”、“智能機(jī)器人人工智能交互技術(shù)應(yīng)用”、“機(jī)器人人工智能技術(shù)綜合應(yīng)用”五個(gè)任務(wù)組成，在考察參賽選手的機(jī)器人綜合應(yīng)用編程、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通及人機(jī)協(xié)作的知識(shí)與能力的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)測(cè)評(píng)參賽選手應(yīng)用人工智能平臺(tái)、人工智能工具的基礎(chǔ)上智能化機(jī)器人以及實(shí)現(xiàn)智能制造工業(yè)場(chǎng)景任務(wù)的能力。

■3.2 線上考核任務(wù)

機(jī)器人智能仿真場(chǎng)景搭建及應(yīng)用。根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，安裝、部署仿真環(huán)境，完成3D 場(chǎng)景模型的創(chuàng)建。在搭建的仿真環(huán)境當(dāng)中，通過(guò)編寫(xiě)圖形化程序，進(jìn)行若干典型的機(jī)器人深度、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的訓(xùn)練及部署，賦能機(jī)器人完成指定任務(wù)。

在這個(gè)比賽環(huán)節(jié)中，只提供一臺(tái)電腦，要求選手一個(gè)小時(shí)完成比賽任務(wù)。由于該賽項(xiàng)是雙人團(tuán)隊(duì)賽，所以兩位選手要共同完成比賽任務(wù)，這樣就對(duì)選手的合作能力提出了較高要求。兩位參賽選手要盡可能做到默契配合，不光有合作，也要合理分工。

圖3 線上任務(wù)場(chǎng)景

圖4 線下智能機(jī)器人及任務(wù)

■3.3 線下考核任務(wù)

3.3.1 智能機(jī)器人及人工智能交互技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，通過(guò)人工智能技術(shù)賦能，完成智能機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)景地圖構(gòu)建；完成智能機(jī)器人語(yǔ)音交互任務(wù)的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和控制；通過(guò)智能識(shí)別和動(dòng)作規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人對(duì)物料盒的位姿識(shí)別與抓取；通過(guò)智能機(jī)器人編程與調(diào)用，完成智能機(jī)器人生產(chǎn)巡檢等交互作業(yè)任務(wù)。

選手需要使用相關(guān)軟件完成場(chǎng)景搭建，地圖創(chuàng)建等，要根據(jù)任務(wù)要求編寫(xiě)藍(lán)圖程序控制智能機(jī)器人進(jìn)行杯子的識(shí)別、抓取以及杯中螺帽螺釘?shù)膬A倒，為工業(yè)機(jī)器人和3D 智能相機(jī)的識(shí)別、分揀和裝配做準(zhǔn)備。為了確保倉(cāng)庫(kù)成品有序放置，選手還要通過(guò)軟件編寫(xiě)智能機(jī)器人巡檢的藍(lán)圖程序。整個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)要編寫(xiě)較多的程序，程序之間聯(lián)系密切，稍有不慎可能前功盡棄。

3.3.2 移動(dòng)操作單元人工智能技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，通過(guò)人工智能技術(shù)賦能，完成移動(dòng)操作單元（主要含AGV/操作臂）的地圖構(gòu)建、自主避障、路徑規(guī)劃；通過(guò)控制協(xié)作機(jī)器人和視覺(jué)系統(tǒng)，在給定任務(wù)序列的條件下，完成倉(cāng)庫(kù)工件的取放任務(wù)。

選手要能夠建立較好質(zhì)量的地圖，為AGV 運(yùn)動(dòng)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。選手還要完成PLC 與相機(jī)和協(xié)作機(jī)器人的通訊，通過(guò)協(xié)作機(jī)器人編程，借助AGV 導(dǎo)航，把半成品基座運(yùn)到裝配臺(tái)上，待工業(yè)機(jī)器人完成裝配后再把成品運(yùn)到倉(cāng)庫(kù)。選手要使用2D 相機(jī)多次進(jìn)行識(shí)別定位，以便獲得精確的位置數(shù)據(jù)。

3.3.3 工業(yè)機(jī)器人人工智能技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，通過(guò)人工智能技術(shù)賦能，在工業(yè)機(jī)器人分揀與裝配單元中，通過(guò)操作3D 視覺(jué)系統(tǒng)軟件，完成3D 相機(jī)的調(diào)試、標(biāo)定，以及基于深度學(xué)習(xí)的工件識(shí)別；完成工業(yè)機(jī)器人基于3D 視覺(jué)的工件無(wú)序智能抓取；通過(guò)調(diào)用規(guī)劃軟件，完成工件的簡(jiǎn)單裝配。

圖5 散亂的螺釘（左）和螺帽（右）

圖6 完成螺帽裝配的基座

圖7 待裝配端蓋和螺釘

該比賽任務(wù)主要考核選手使用3D 智能相機(jī)和工業(yè)機(jī)器人的熟練程度。

首先，選手要對(duì)3D 智能相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成后進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，接著要采集圖片，標(biāo)注圖片，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。這些操作直接關(guān)系到相機(jī)識(shí)別的準(zhǔn)確程度，雖然步驟比較多，但是難度不大，選手要認(rèn)真仔細(xì)，防止因小失大。這些準(zhǔn)備工作完成以后，選手要利用相機(jī)的圖形編輯軟件完成目標(biāo)零件的識(shí)別，為后面工業(yè)機(jī)器人的抓取提供數(shù)據(jù)。

當(dāng)3D 相機(jī)完成視覺(jué)識(shí)別后，工業(yè)機(jī)器人將進(jìn)行分揀抓取。選手要通過(guò)電腦軟件在線編程，讓工業(yè)機(jī)器人完成零件（大螺帽、大螺釘或小螺帽、小螺釘）的抓取和簡(jiǎn)單裝配。為了確保裝配可靠，平臺(tái)設(shè)置了二次定位裝置。

在裝配過(guò)程中，要用到大夾爪（取大螺帽、大螺釘）、小夾爪（取小螺帽、小螺釘）、直口夾爪（取基座）和電鉆（裝螺釘），軟件編程過(guò)程中要防止用錯(cuò)，加上任務(wù)中需要示教的點(diǎn)數(shù)比較多，也要注意標(biāo)記，以免錯(cuò)亂導(dǎo)致發(fā)生碰撞。

4 機(jī)器人人工智能技術(shù)綜合應(yīng)用

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，通過(guò)綜合操作、編程和調(diào)試，對(duì)工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)操作臂及智能機(jī)器人等單元進(jìn)行智能化賦能和綜合應(yīng)用，在“機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用”技術(shù)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)典型智能制造工業(yè)場(chǎng)景的完整工藝流程，綜合體現(xiàn)機(jī)器人智能感知、自動(dòng)決策、自主執(zhí)行、互聯(lián)互通、深度學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、自我管理等人工智能技術(shù)要素及其職業(yè)技能。

該任務(wù)屬于系統(tǒng)綜合調(diào)試環(huán)節(jié)，首先智能機(jī)器人上料（傾倒散亂螺釘螺帽），AGV和協(xié)作機(jī)器人上料（待裝配基座），接著工業(yè)機(jī)器人分揀裝配，AGV 和協(xié)作機(jī)器人將成品運(yùn)至倉(cāng)庫(kù)，智能機(jī)器人巡檢……整個(gè)過(guò)程中，用了2D 相機(jī)、3D相機(jī)、智能機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和AGV 等設(shè)備，還有PLC 和觸摸屏等方面的知識(shí)，重點(diǎn)考察選手的綜合實(shí)力，如果前面任務(wù)不能完成，這個(gè)環(huán)節(jié)失分將會(huì)較多。

機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)，線上考核時(shí)間60 分鐘，線下考核時(shí)間210 分鐘，一方面考核選手對(duì)各項(xiàng)設(shè)備應(yīng)用的掌握能力，另一方面考核選手技能掌握的熟練程度，同時(shí)也對(duì)選手團(tuán)隊(duì)成員之間的分工和協(xié)作能力提出了較高要求。無(wú)論是職工組還是學(xué)生組參賽選手，不光要有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能基礎(chǔ)，還要深入理解比賽技術(shù)文件，重點(diǎn)把握賽前訓(xùn)練強(qiáng)度和節(jié)奏，科學(xué)合理地進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作。做到這些，選手才可能充分發(fā)揮技能水平，在比賽中脫穎而出。

5 結(jié)束語(yǔ)

全國(guó)人工智能應(yīng)用技術(shù)技能“大賽機(jī)器人人工智能技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)，率先將人工智能應(yīng)用技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)有效融合，圍繞智能制造工業(yè)技術(shù)，依托機(jī)器人在智能制造行業(yè)應(yīng)用的真實(shí)場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求，考查選手對(duì)人工智能技術(shù)綜合應(yīng)用于機(jī)器人為載體的復(fù)雜場(chǎng)景能力。同時(shí)大賽塑造了機(jī)器人人工智能技術(shù)的典型范例，展示了人工智能關(guān)鍵技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，借以加深參賽選手對(duì)人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人的認(rèn)知，加快培養(yǎng)本領(lǐng)域高素質(zhì)知識(shí)型、復(fù)合型、技能型人才。