工業機器人的智能化發展探究

■張崢

隨著現代科技的發展，世界各國即將進入智能生產時代，工業機器人的智能化發展也聚焦了許多關注。前瞻產業研究院《中國工業機器人行業產銷需求預測與轉型升級分析報告》指出我國工業機器人已經初具規模，已生產出部分機器人關鍵元器件，一批國產工業機器人已服務于國內諸多企業的生產線上，一批機器人技術的研究人才也涌現出來，某些關鍵技術已達到或接近世界水平。但是仍舊存在諸多問題，主要表現在：①我國工業機器人基礎零部件制造能力有待提高。目前國內生產工業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我國的工業機器人設計理念不夠成熟，國內的機器人生產大部分立足于功能的實現，在穩定性、易用性方面和國外還有一定的差距。③國內機器人產業化發展有待秩序化與規范化。伴隨我國工業機器人需求的迅猛增長，大量企業紛紛看好工業機器人未來的市場規模與經濟效益，蜂擁而上，有可能造成國內工業機器人市場的惡性競爭。

可見,為使工業機器人的優勢能夠得到充分的發揮,積極解決上述問題是關鍵。

一、工業機器人的智能化進展

工業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的繁瑣重復勞動以實現生產的機械全自動化，能降低生產成本，提高工作效率，提高人工安全以及設備的安全性。因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等企業。

現階段在應用機器人技術時主要面臨著四大問題：第一，運動性問題。從技術上看就是如何實現工業機器人運動學建模與求解。第二，作業平穩性問題。需要考慮機器人平穩作業問題。第三，布局的多樣性。如何考慮布局設計快速地適應公司的新產品、新工藝。第四，操作易用性。需要提高機器人的易用性。

對此我們應該假設并提出理想的工業機器人模型。

二、國內外工業機器人發展現狀

1.國外工業機器人發展現狀

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

2.國內現狀

目前國產機器人主要是沈陽新松機器人、首鋼MOTOMAN、唐山松下等公司產品。我國雖然已經具有自主知識產權的焊接機器人系列產品，但卻不能批量生產，形成規模，使我國自行制造的普通工業機器人在價格上很難與國際競爭。特別是沒有同步發展相應的零部件產業，伺服電機、減速機等關鍵零部件依賴進口，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機器人的發展。

三、理想機器人模型

理想的工業機器人在生產過程中應當具備以下功能特點：

1.智能移動功能

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

（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一的充電處進行充電，該過程實現自動化，無需人為操作。

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

2.語音交互功能

（1）語言對講：系統內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，并通過提前設定好的程序為其提供幫助。

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

3.智能管理系統

（1）后臺管理：系統實時監測各機器人的工作狀態、行進路線并對其進行各項參數的對比查看，收集預警信息并做出最佳處理。

（2）緊急狀況處理：若出現信息庫中未錄入的緊急情況，則強制關閉所有機器人的電源，并呼叫管理員進行處理。

（3）全自動化：由后臺統一管理所有機器人并分配相應的任務，實時搜集整理各項數據報告并檢查分析，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鍵：

1.機器人的靈活度及柔性不高

在工業機器人不足夠靈活和柔性不高情況下，某個行業用到的工業機器人是根據本行業的工藝流程或者實際工況而有針對性的開發出來的，如果工藝發生了變化，之前的設備可能就需要優化甚至某些場合下需要完全推到重來。即使是柔性已經非常強大的標準工業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里經常會遇到需要給機械手配備3D 視覺系統來動態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系和位置數據。而當前市面上的硬件設備和算法并不能應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信息，那么工業機器人將無法起到節省勞動力的作用。

3.智能化技術不夠成熟

如果不足夠智能，標準工業6 軸機器人可以簡單理解為一個更加結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，針對不同的應用場景和項目，需要工程技術人員對其進行程序設定或者至少需要做的示教工作。如果物料單元發生變化，包括數量和位置的變化等，此時也需要對機械手進行人為的再次調試和數據輸入。

五、未來發展

1.發展方向

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

（1）自主化。更加注重人機協作，逐步從遠距離作業向人機交互并協同作業的方向發展。同時適當降低編程的難度，向自主化方向發展，使其可以根據周邊環境情況自動設計并且優化路徑，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機器人的工作高效，而是要提高機器人管理系統乃至整個生產線的效率。不斷改進工業機器人的結構，及時更新優化管理系統，才能從根本上提高生產效率。

（3）智能化。智能化是工業機器人的一個重要方向。一是利用模糊控制神經元網絡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。智能技術領域的研究熱點，如虛擬現實、智能材料、人工神經網絡、專家系統、多傳感器集成和信息融合技術等。

（4）模塊化。工業機器人的機構模塊化就是在機器人結構分解的基礎上，通過建立標準機械結構的模塊庫，自動裝配模塊。能夠讓工業機器人最大限度地滿足模塊對機器人的要求，又可以讓設備的設計和制造更方便，能夠降低成本、縮短生產周期。

（5）標準化。工機器人的標準有利于制造業的發展，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層面的問題，主要是不同企業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 世紀的尖端技術之一。目前已經開發出手指大小的微型移動機器人，預計將生產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療和軍事機器人。

2.發展趨勢

隨著我國工業機器人的不斷發展，國內一些大型公司已經自主研發、生產出許多功能強大的機器人。而在今后我們應該對虛擬現實技術、傳感器技術及視覺伺服控制技術等當代頂尖技術進行重點研究，可使工業機器人的性能進一步提升。隨著現在人工智能的不斷發展，可以嘗試將工業機器人的控制管理系統與人工智能相結合起來，從而使人機共融實現，也就能更好地實現工業機器人的價值。

3.發展目標

我國機器人技術發展的戰略目標是:根據21 世紀初我國國民經濟對先進制造及自動化技術的需求,瞄準國際前沿高技術發展方向創新性地研究和開發工業機器人技術領域的基礎技術、產品技術和系統技術。未來工業機器人技術發展的重點有：第一，危險、惡劣環境作業機器人：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，醫用機器人：主要有腦外科手術輔助機器人、遙控操作輔助正骨等；第三，仿生機器人：主要有移動機器人、網絡遙控操作機器人等。其發展趨勢是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。