智能制造与机器人应用关键技术及发展趋势

刘小春，张 蕾*

（湖南铁道职业技术学院，412001，湖南株洲）

在时代进步、科学技术发展的背景下，我国处于全面信息化时代，数字化技术、智能化技术的大量应用，带给人民高质量的生活。回顾我国智能制造发展史，其发展速度惊人。在改革开放前期，国内智能制造处于空白状态，滞后于西方发达国家太多。在中国意识到科技的力量时，尽管实力已相差非常悬殊，但是我国做到了正视自身的发展现状，激励自身不断进步和发展，推动智能制造与机器人应用关键技术不断发展。

1 构造智能制造环境的重要技术分析

当前中国构造智能制造、构造数字化车间热情不断高涨，社会对此项事业的重视度不断提升。怎样建设智能制造的环境，形成数字化和现代化的车间，需要科学技术作为有力支撑。首先是机器人技术。机器人技术是发展数字化、自动化及智能化的基础和关键。其次是人工智能技术。智能制造的含义，即为智能技术、制造技术之间的合理融合，对于制造期间产生的各种问题，采取针对性的智能技术进行解决，也可以说智能制造即为人工智能技术应用于制造业中。最后是数字化技术和网络化技术。制造业需要具备的基本构成是产品的设计技术、制造技术，积极利用机器人技术、智能技术、数字化技术及网络化技术等，最终实现设计产品能力的提升。

在高端装备制造业发展中，智能制造是必然趋势。其中，数字车间、工业机器人的应用，为重要的智能制造的内容，产生的作用甚至是主体性的。经推广应用数字车间中机器人，一方面能够推动机器人智能化水平提升，另一方面改变传统的人力生产模式，同时可以对一部分脑力劳动进行替代。很早以前就已经提出了数字车间，先是机器换人工，再达到机器自动化的目标，也就是改进机械设备，大量地运用自动化设备，最后为集成化及成套化，将传统的单台流水线作业方式转为用成套设备进行作业，也就是实现智能换数字。

2 机器人发展的重要趋势

从20 世纪的五六十年代开始，世界进行机器人技术开发。第一个“通用机器人”专利，是由G·C·Devol（美国）首先发表。在1960 年时，美国AMF 公司生产的柱坐标机器人Versatran，能够位置定点，同时可以轨迹控制，属于世界上第一种能够在工业生产中应用的机器人。在之后的发展中，机器人出现了三个主要的发展趋势。首先，软硬融合。机器人中更关键的就是软件，在软件上面，可以全面体现人工智能技术，而且数字化车间的布局及轨迹规划、自动化上料等，需要依靠科学的软硬件结合，硬件的开发固然重要，但是需要更多高素质的优秀软件开发人员来开发软件。所以当前从事智能制造行业者，应该具备广博的机械、信息技术知识，特别是可以深入地掌握机器人控制技术。其次，虚实融合。机器人的存在并非孤立状态，而是需要很多仿真、虚拟现实，实现虚拟现实科学地融入车间实际加工过程。最后，人机融合。人、机器、机器人之间的融合，属于永远要探究的话题。

在推广工业机器人时，应该做到创新设计先行。智能制造和机器人的应用，可以促进生产效率提升，但仅可以解决产品怎么做的问题，还并未有效地处理好做什么产品的问题，而企业家往往更重视做什么产品可以畅销的问题，因此应该创新设计先行。同时应用工业机器人应该紧密地联系起大数据，机器人看得见、听得到，具备感知能力，需要依靠大量的数据支持，与此同时要实现工业机器人、模式识别之间的密切结合。另外，对工业机器人还要做好虚拟现实、精益生产之间的有效结合，最终把机器人用得更好，更好地将其推广运用。

3 机器人发展的主要途径

3.1 从串联机器人到串并混联机器人

早期机器人主要是串联的方式，在市场进步和发展的环境下，当前应用到的机器人包括串联的、并联的。串并联机器人的应用优势诸多，即具备并联机构刚度大的特点，同时拥有串联机构控制空间大的优越性，所以串并联机器人成为了机构学研究的关键内容，引领机器人将来发展方向。

3.2 从刚体机器人到刚柔体机器人

当前研究刚性机器人的同时，也要重视柔性机器人的研发利用。例如，英国一公司研发出蛇型机器人。我国也在积极地研发类似机器人，具备柔性多节结构的特点，这一类工业机器人具备灵巧关节，例如仿象鼻、章鱼须或蛇等。今后，工业机器人的发展重点之一就是提高柔软性，通过应用柔体结构将机器人末端或本体的灵活度提升，可达性增强。可达性为其最显著优势，例如，航空构建制造上部分孔很深，如果仅采取常规的举措不容易打进去，而应用柔性机器人就更加便捷。

3.3 从单机器人作业到多机器人协同工作

单机器人在很多方面具有局限性。功能分布性、制造空间的分布性、任务作业的容错性等，是需要很多机器人合作展开工作方可达到的，仅一个机器人是不能构建数字化及智能化车间的，尤其是大尺度的焊接装备，应该多个机器人之间进行有效的配合协作，才能提升灵活性、可靠性。由此产生了一些问题，即多机器人的通信怎样实现、公共工作空间互锁的情况下怎样避免干涉、如何让整个作业任务达到协同的效果等等。按照不同的工作空间及工作任务，对这些问题运用不同的群控方法有效处理。

3.4 机器人技术与物联网技术相结合的应用

机器人属于系统工程，应该实现机器人技术与物联网技术的紧密结合。近些年来，我国很多省份积极推广物联网，促使工业机器人有效地融合物联网，之后催生智能柔性的自动化装配焊接，产生较为显著的成效。经过物联网的途径，工业机器人可以获得感知能力，相应地具备视觉、触觉甚至味觉，进而对生产环节的很多数据信息进行采集了解。

3.5 机器人技术与虚拟现实相结合的应用

机器人技术与虚拟现实相结合，在现实装配中尤为关键。积极地研发先进的虚拟现实结合系统，其优势特点就是简单、直观，能够将研制期间依赖真实机器人的程度明显降低，减少安全隐患问题，以及减少生产成本支出，促使生产效率提升。

3.6 机器人技术与模式识别技术结合的应用

模式识别应用到机器人检测中效果显著，可以及时发现机器人加工的零件是否存在质量瑕疵问题，了解到有无不满足技术条件等问题。因此，应该积极地将机器人技术与模式识别技术结合。

3.7 机器人技术与人工智能相结合的应用

在机器人技术中科学融合人工智能、传感检测及人机交互等技术，让机器人跟人类协同合作，直接参与到人的工作中，对人机间隔离防护进行消除。

4 智能制造时代工业机器人技术要实现的目标

首先，智能系统。科学技术的发展，使社会上出现更多具备丰富功能、成本较低的处理器、传感器，给机器人技术的完善发展提供更好的发展基础。例如，汽车制造时如果产生故障，机器人即刻通过感应进行相关处理，在联动配合下实施操作。对于机器人技术，目前主要的研究内容是程序共享、信息互联，未来发展中，汽车制造需要达到机器人离线开发的目标。

其次，智能执行器。目前执行器的发展更加智能化，基于传统位置编织器，在同一封装中集中各种设备，即制动器、放大器等。所以，未来智能执行器的发展，会不断地提升集成电路可靠性及减小尺寸，给汽车产品布线带来更多的便捷性。

再次，智能传感器。其在汽车行业制造中产生的意义不言而喻，经传感器把汽车信号处理和电子器件的微机械传感器进行集合，一方面满足汽车制造需求，另一方面将制造成本大大节约。

最后，分布式控制。新兴机器人处理能力、智能化，是依靠处理器得以实现的。机器人中全部的处理器均具备特殊功能，连接网络以后机器人跟智能系统设备实现共享。所以，工业机器人技术应用了传感器和网络、执行器控制模块化功能，从而实现智能化运行。

5 结语

智能制造属于制造行业重要发展趋势，能够将产品制造的成本有效降低，并且双重提升产品制造的质量和效率。智能制造需要应用众多的现代化先进技术，其中包括数字技术、机器人技术、人工智能技术，推动机器人技术更科学地应用于智能制造，技术人员应该采取串并混联机器人及刚柔体机器人，有效配合运用多个机器人，结合互联网技术，达到数字化车间构建的目标，推动我国的智能制造事业稳定向前发展。