工業(yè)機器人應(yīng)用趨勢探討與實踐

工業(yè)機器人的普遍應(yīng)用促進了制造業(yè)的快速發(fā)展，然而隨著制造業(yè)走向智能制造，工業(yè)機器人的傳統(tǒng)應(yīng)用方式已經(jīng)無法滿足智能制造的自感知、柔性化、高速度、定制化的核心要求。本文從智能制造的需求模式出發(fā)，分析了工業(yè)機器人在智能制造時代的應(yīng)用趨勢，并以在泰國某汽車零部件制造業(yè)企業(yè)的工業(yè)機器人智能化應(yīng)用為例，詳細介紹了工業(yè)機器人智能化應(yīng)用的方法和效果，為智能制造時代工業(yè)機器人的智能化應(yīng)用提供參考。1、前言工業(yè)機器人也稱作機械臂，最早是用來代替人類的勞動而研發(fā)應(yīng)用的。隨著制造業(yè)和工業(yè)自動化技術(shù)不斷發(fā)展，人們對制造業(yè)效率和人機工程等逐漸具有越來越高的要求，因此機器人在制造業(yè)開始大范圍應(yīng)用。近年來，國家不斷完善發(fā)展智能制造的產(chǎn)業(yè)政策，加快推進傳統(tǒng)制造業(yè)的智能轉(zhuǎn)型，鼓勵支持工業(yè)企業(yè)向智能化方向發(fā)展?！丁皺C器人+”應(yīng)用行動實施方案》提出，“到2025年，制造業(yè)機器人密度較2020年實現(xiàn)翻番，服務(wù)機器人、特種機器人行業(yè)應(yīng)用深度和廣度顯著提升，聚焦10大應(yīng)用重點領(lǐng)域，突破100種以上機器人創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)及解決方案，推廣200個以上具有較高技術(shù)水平、創(chuàng)新應(yīng)用模式和顯著應(yīng)用成效的機器人典型應(yīng)用場景，全方位支持機器人行業(yè)發(fā)展”。工業(yè)機器人的傳統(tǒng)應(yīng)用方式，基本都是在固定程序控制下完成點到點的經(jīng)過示教的固定動作，比如拾取、搬運、涂膠、機械加工等固定軌跡作業(yè)，無法擺脫既定程序的控制，去自主探索未知環(huán)境下的作業(yè)流程。而基于工業(yè)4.0目標的智能制造，則對工業(yè)機器人的能力發(fā)出了新的挑戰(zhàn)，需要工業(yè)機器人從傳統(tǒng)的應(yīng)用模式發(fā)展為智能化的應(yīng)用模式。2、智能制造2.1智能制造與工業(yè)機器人近年來，工業(yè)4.0概念的提出，引發(fā)了制造業(yè)制造模式的大討論和大變革，人們的認識由精益生產(chǎn)向智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，隨之而來的“智能制造”成為這個時代的熱詞。根據(jù)國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會和中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心出版的《智能制造》定義，智能制造是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。因此，智能制造下的工業(yè)機器人應(yīng)用過程需要達到自感知、柔性化、高速度、定制化的核心要求，通過傳感器技術(shù)及智能化的運算控制技術(shù)，使得機器人具備主動獲取外界信息并主動分析、運動控制的能力，增強工業(yè)機器人對環(huán)境的主動適應(yīng)和擺脫未知環(huán)境對其作業(yè)的制約。2.2我國工業(yè)機器人應(yīng)用現(xiàn)狀根據(jù)相關(guān)研究資料表明，目前我國已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機器人應(yīng)用市場，且市場規(guī)模仍處于較快增長的階段。然而，雖然我國工業(yè)機器人應(yīng)用市場巨大，但目前多數(shù)應(yīng)用還停留在低端的基本階段，主要是替代人力的簡單機械操作，完成簡單的點到點的基本作業(yè)任務(wù)。這種現(xiàn)象主要受到以下幾個因素的影響：1）成本考慮。初始投資成本對于許多中國企業(yè)仍然是一個關(guān)鍵的考慮因素。對于大多數(shù)的中小企業(yè)來說，相對簡單的機器人應(yīng)用可以解決企業(yè)的某些主要問題，并且其投入成本相對較低，企業(yè)可以更快地實現(xiàn)投資回報，所以更容易被企業(yè)所接受。2）技術(shù)水平。盡管中國在制造業(yè)方面取得了巨大的進步，但在高端智能制造和機器人技術(shù)方面與世界先進國家仍有差距。許多企業(yè)面臨配套技術(shù)升級和人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致在智能化應(yīng)用上進展較慢。3）市場需求。目前市場上對于簡單機械化應(yīng)用的需求仍然較大，因為這些應(yīng)用可以快速提高生產(chǎn)效率，滿足大多數(shù)企業(yè)當(dāng)前的生產(chǎn)需求，同時能在短期內(nèi)實現(xiàn)成本回收。另一方面，對于大多數(shù)企業(yè)來說，當(dāng)前的生產(chǎn)模式還沒有展示出對未來發(fā)展的制約，因此企業(yè)更愿意先投資于這些低端應(yīng)用。2.3智能制造時代工業(yè)機器人應(yīng)用趨勢在當(dāng)前全球產(chǎn)業(yè)鏈和國際分工重構(gòu)的發(fā)展趨勢下，通過智能制造提高制造業(yè)水平、推動產(chǎn)業(yè)升級和提高企業(yè)競爭力已經(jīng)是新時代企業(yè)發(fā)展的必然途徑。隨著技術(shù)水平的提升和市場需求的不斷演變，智能化應(yīng)用將成為我國工業(yè)機器人發(fā)展的必然趨勢。1）技術(shù)創(chuàng)新推動。我國一直在致力于技術(shù)創(chuàng)新，尤其在人工智能、大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。這種技術(shù)進步為工業(yè)機器人提供了更多的智能化和自主性，使其能夠適應(yīng)更為復(fù)雜和變化多樣的生產(chǎn)環(huán)境。2）政府政策引導(dǎo)。我國政府一直在支持智能制造和工業(yè)機器人的發(fā)展。通過一系列政策引導(dǎo)和激勵措施，政府鼓勵企業(yè)投資于智能化技術(shù)，提高產(chǎn)業(yè)化水平，增強制造業(yè)實力，鼓勵企業(yè)由“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變。3）市場需求變化。隨著市場競爭的加劇和勞動力成本的不斷提高，企業(yè)對提高生產(chǎn)效率和增加工業(yè)機器人利用率的需求也在增加。智能化應(yīng)用能夠更好地滿足這些需求，從而在市場上獲得競爭優(yōu)勢。4）產(chǎn)業(yè)升級需求。中國制造業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)制造向智能制造的升級過程，整個制造業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、售后、管理和服務(wù)模式都在發(fā)生變化。這意味著企業(yè)需要更靈活、更智能的生產(chǎn)方式，因此推動了對工業(yè)機器人智能化應(yīng)用的需求。5）國際競爭需要。中國企業(yè)在國際市場上越來越活躍，而國際客戶已經(jīng)不再單純的滿足于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和服務(wù)模式，所以為了在全球競爭中保持競爭力，必須加大對智能化技術(shù)的研究與應(yīng)用。綜合來看，雖然目前我國工業(yè)機器人主要應(yīng)用于低端的基本服務(wù)，但是隨著智能制造時代的到來，智能化應(yīng)用將逐漸成為中國工業(yè)機器人發(fā)展的主流方向。這對于提高制造業(yè)水平、推動產(chǎn)業(yè)升級和提高全球競爭力都具有積極的影響。3、基于智能制造的工業(yè)機器人應(yīng)用實踐3.1企業(yè)設(shè)備智能化應(yīng)用的規(guī)劃原則企業(yè)發(fā)展的根本目的是盈利，而智能制造是讓企業(yè)在新發(fā)展時代實現(xiàn)盈利的途徑。各個企業(yè)的基本情況和發(fā)展目標不同，因此智能制造在各個企業(yè)的實踐方式也是不相同的，每個企業(yè)需要根據(jù)自身的發(fā)展模式去建設(shè)符合自身的智能制造系統(tǒng)。但是，在企業(yè)盈利目標一致的前提下，所有企業(yè)的智能制造發(fā)展根本要求是一致的，即以降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和重塑管理方式為智能制造發(fā)展的核心價值。1）降低生產(chǎn)成本。通過引入自動化、數(shù)字化和智能化技術(shù)和裝備，可以降低人力成本、減少資源浪費，提高資源利用效率。還可以通過實時監(jiān)控和優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低能源消耗和原材料浪費，進一步降低總體生產(chǎn)成本。2）提高生產(chǎn)效率。通過先進的技術(shù)和設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、云端和大數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和快速響應(yīng)，這有助于減少生產(chǎn)中的錯誤和停工時間，提高設(shè)備利用率，從而增加生產(chǎn)效率。通過實時數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)計劃和調(diào)度也可以更加精準，確保生產(chǎn)能夠及時響應(yīng)訂單需求，提高交貨速度。3）重塑管理方式。智能制造不僅是技術(shù)的應(yīng)用，還需要相應(yīng)的管理體系來支持。傳統(tǒng)的管理方式可能無法充分發(fā)揮智能制造的優(yōu)勢，因此需要重新思考和調(diào)整管理模式。智能制造可以推動企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化管理，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，提高管理的科學(xué)性和靈活性。3.2工業(yè)機器人智能化實踐背景隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是新能源汽車開始登陸泰國，位于泰國羅勇府東海岸經(jīng)濟工業(yè)區(qū)的某車軸加工企業(yè)獲取的訂單在逐漸增多，但是這些訂單來自于不同的車企，訂單的產(chǎn)品規(guī)格、數(shù)量、交付周期等不盡相同，因此新的生產(chǎn)需求需要該企業(yè)改變以往的傳統(tǒng)人工主導(dǎo)生產(chǎn)模式，來滿足不斷增長的訂單及生產(chǎn)任務(wù)的需求?；诖?，該企業(yè)計劃試點增加一臺工業(yè)機器人及管理系統(tǒng)，用來解決主要的瓶頸問題。1）建立一套管理系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的“傳紙條”式的信息傳遞方式。該企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，是通過人工填寫生產(chǎn)任務(wù)單、記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)等紙質(zhì)表格的方式完成所有數(shù)據(jù)的傳遞與反饋，該方式效率低、容易出錯，不能滿足目前的生產(chǎn)任務(wù)要求。2）增加一套工業(yè)機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)無序狀態(tài)零部件的自動上料。該企業(yè)零部件原材料是無序的堆疊在料筐里面，而且型號種類繁多。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，工人通過料筐中的表格來確認產(chǎn)品型號，并人工手動搬運零部件實現(xiàn)上料，勞動強度大，容易出現(xiàn)錯誤，特別是在大產(chǎn)量的生產(chǎn)任務(wù)時，往往需要24小時連續(xù)作業(yè)，該工位嚴重制約整條產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。3）該企業(yè)生產(chǎn)車間老舊，配套的硬件設(shè)施比較陳舊，生產(chǎn)人員隊伍能力素質(zhì)不足。因此配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入和維護人才隊伍的建設(shè)投入也需要充分考慮在整個規(guī)劃方案中。3.3實踐與分析（1）整體方案規(guī)劃根據(jù)客戶生產(chǎn)的根本需求和智能制造的核心價值，在車間車軸機加線端部設(shè)置一臺工業(yè)機器人，實現(xiàn)對工人的“完整代替”。因為產(chǎn)品在料筐中的無序狀態(tài)，為了實現(xiàn)機器人對工件的自動識別、自動抓取，為機器人配置了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和“眼睛系統(tǒng)”——3D智能相機，用來引導(dǎo)機器人主動識別工件狀態(tài)，而3D相機的智能軟件系統(tǒng)可以主動的規(guī)劃機器人的移動路徑，實現(xiàn)最短路徑搬運，同時規(guī)避機器人與料筐的碰壁風(fēng)險。工件在料筐中的狀態(tài)及智能相機如圖1所示。圖1工件在料框中的狀態(tài)及智能相機在控制管理系統(tǒng)方面，根據(jù)客戶整個車間設(shè)備應(yīng)用狀態(tài)和生產(chǎn)活動的管理需求，重新為客戶搭建了整套智能管理系統(tǒng)，涵蓋了銷售、設(shè)計、生產(chǎn)、倉儲和運輸?shù)热苛鞒汰h(huán)節(jié)，以及產(chǎn)線、倉儲、轉(zhuǎn)運等全部設(shè)備控制，實現(xiàn)了全部設(shè)備各個環(huán)節(jié)的聯(lián)通?？刂乒芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2

控制管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由于控制管理系統(tǒng)涵蓋了收集并處理整個車間產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)，因此該系統(tǒng)需要更高的傳輸能力和計算能力。客戶老舊工廠的通信電纜不足以支撐大量數(shù)據(jù)的傳輸能力和傳輸速度，而客戶的投入預(yù)算也不足以支持新的大型服務(wù)器和光纖電纜的硬件投資，因此傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與計算方式無法滿足該管理系統(tǒng)的需求。而經(jīng)過現(xiàn)場測試，客戶工廠區(qū)域已經(jīng)實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，所以該項目中通過與泰國當(dāng)?shù)赝ㄐ胚\營商的合作，采用了5G通信技術(shù)，大型計算服務(wù)器采用長期租賃的方式共享華為的云端服務(wù)器，通過設(shè)置5G+云計算的方式解決了大量數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)計算的問題。而通過該種租賃方式，也避免了初期通信光纜和傳統(tǒng)服務(wù)器軟硬件巨大投資可能給企業(yè)帶來的困難。（2）基于智能相機的工業(yè)機器人應(yīng)用系統(tǒng)為了實現(xiàn)機器人對外在環(huán)境變化的感知與適應(yīng)，達到無序狀態(tài)下零部件的主動識別、主動抓取和主動搬運，該工業(yè)機器人搭配了Mech-Mind3DLaserL智能相機系統(tǒng)，使機器人擺脫了外界環(huán)境的束縛，實現(xiàn)了智能化。工件的2D圖像和3D點云圖像如圖3所示。圖3

工件的2D圖像和3D點云圖像首先，3D智能相機通過激光掃描，獲取料筐中工件的圖片信息，并通過自身的軟件系統(tǒng)，形成高精度的3D點云數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對工件狀態(tài)的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取。在項目初期調(diào)試階段，智能相機軟件系統(tǒng)會主動收集大量的圖片信息并通過深度學(xué)習(xí)標注訓(xùn)練工具軟件系統(tǒng)，對不同狀態(tài)的工件圖片進行分類識別，完成工件模型識別訓(xùn)練，使智能系統(tǒng)達到穩(wěn)定的、高效的工作狀態(tài)。系統(tǒng)在獲得工件狀態(tài)點云圖像后，其軟件計算系統(tǒng)經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)計算，完成物理信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，獲取所有工件姿態(tài)、位姿矯正和選取抓取點等數(shù)據(jù)信息，該數(shù)據(jù)信息即為該案例的工程參數(shù)。此時根據(jù)智能相機主控軟件的參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)會自主的編寫機器人邏輯控制程序，根據(jù)點云圖像判斷工件的堆疊層級，規(guī)劃工件抓取順序，并在虛擬仿真環(huán)境下生成機器人運動路徑軌跡，至此機器人系統(tǒng)完成了主動獲取外界環(huán)境參數(shù)并主動規(guī)劃作業(yè)任務(wù)的能力。機器人系統(tǒng)自動生成的路徑軌跡如圖4所示。圖4

機器人系統(tǒng)自動生成的路徑軌跡因為工件處于“深坑”式的料筐中，所以機器人在抓取過程中，需要尋找一個合適的姿態(tài)完成工件的抓取，特別是靠近料筐邊緣的工件，一側(cè)是工件，另一側(cè)是料筐壁，所以很容易導(dǎo)致機器人與料筐壁發(fā)生碰撞，因此機器人在完成作業(yè)路徑規(guī)劃后，根據(jù)料筐模型的位置參數(shù)，可以在虛擬仿真軟件環(huán)境下做移動路徑軌跡的仿真計算，確保機器人自動規(guī)劃的抓取姿態(tài)和軌跡路徑是絕對安全可靠的。機器人抓取姿態(tài)和路徑軌跡的仿真計算如圖5所示。圖5

機器人抓取姿態(tài)和路徑軌跡的仿真計算3D智能相機的應(yīng)用，使傳統(tǒng)工業(yè)機器人實現(xiàn)了智能制造自感知和高柔性的核心要求，但是這只是執(zhí)行層面的提升，而管理層面和計算層面的問題，還需要先進的信息系統(tǒng)和計算系統(tǒng)來支撐。（3）基于5G通信和云端計算的數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)工業(yè)機器人的智能化應(yīng)用過程中，設(shè)置了大量的傳感器來收集物理對象的信息，并通過信息物理系統(tǒng)將這些信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，機器人通過對這些數(shù)字信號的解讀來實現(xiàn)對物理對象的監(jiān)控和外在環(huán)境的感知，所以整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)處理能力決定了該系統(tǒng)的智能化水平。本項目案例采用了5G的數(shù)據(jù)傳輸方式和華為云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理方式，具體邏輯架構(gòu)如圖6所示。圖6數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)邏輯圖機器人系統(tǒng)和智能相機系統(tǒng)將收集到的大量的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)時時傳遞到工廠SAP云端服務(wù)器，經(jīng)現(xiàn)場測試，5G網(wǎng)絡(luò)提供超過100Mb/s的上行速率，保證了高清圖像和機器人動態(tài)數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，數(shù)據(jù)傳遞過程零數(shù)據(jù)丟失和零宕機，保證數(shù)據(jù)的實時傳遞和穩(wěn)定傳輸，特別是數(shù)據(jù)自動加密和數(shù)據(jù)自動備份，使整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)更加安全可靠。云端服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)信息后，能夠快速解析、處理與存儲，并通過5G將命令信息反饋給機器人執(zhí)行端控制器，使機器人能夠快速、準確地移動，高效的完成生產(chǎn)任務(wù)。另一方面，云端服務(wù)器通過分析獲取的關(guān)于機器人系統(tǒng)動態(tài)運行數(shù)據(jù)，可以反之監(jiān)測機器人的運行狀態(tài)，提供預(yù)測性維護和避免突發(fā)性故障，從而提高機器人系統(tǒng)的工作效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。在工廠管理層面，通過云端服務(wù)器的應(yīng)用，客戶可以利用共享的軟硬件資源靈活的調(diào)用云端信息，云端服務(wù)器可以有效地將銷售、制造、儲存甚至網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)信息整合起來形成動態(tài)共享信