智能制造中的工业机器人技术应用及发展

冯帅

（湖北商贸学院 湖北省武汉市 430079）

在经济全球化大环境下，智能制造成为解决需求疲软问题的有效方向。2021年，我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、教育部、科技部、财政部、人力资源和社会保障部、国家市场监督管理总局、国务院国有资产监督管理委员会等八部门联合发布了《“十四五”智能制造发展规划》，明确提出：到2025年，规模以上制造企业大部分实现数字化、网络化，智能制造时代正式到来。智能制造背景下，工业机器人技术获得了更加广阔的发展空间。因此，分析智能制造背景下工业机器人技术的发展具有非常重要的意义。

1 智能制造背景分析

新中国成立以来，我国制造业经历了自力更生阶段（1949年~1972年）、首开国门阶段（1972年~1978年）、全面开放阶段（1978年~2000年）、融入全球阶段（2000年至今）四个阶段，成为名副其实的“世界工厂”，产业配套全面完善、产业体系愈加完整。在融入全球阶段，我国制造业受全球新一轮科技革命、国内加快经济发展格局转变的双重驱动，新一代信息技术、材料能源与先进制造业技术加快融合，为制造业智能化发展提供了重要的历史机遇。2021年12月31日，我国发布《“十四五”智能制造发展规划》，明确了2025年重点行业骨干企业初步应用智能化、2035年重点行业骨干企业基本实现智能化的目标，具体表现为智能制造装备市场满足率超过70%。在政策强化支持下，我国制造业智能化水平将进一步提高，智能制造覆盖面也将进一步扩大。

2 工业机器人概述

工业机器人是以计算机为控制中枢，经可编程序完成工件（或机械部件）搬运、各种操作工作的多功能机械装置，具有自动控制操作、移动功能。工业机器人本质上是面向工业领域的多关节机械手、多自由度机器装置，包括搬运机器人、焊接机器人、处理机器人、装配机器人、拆捆机器人等。工业机器人可借助自身动力、控制能力自动依据预先编排的程序执行任务，也可在人类指挥下实现各种功能。从组成来看，工业机器人包括控制部分、机械部分、传感部分三个部分，各部分组成见表1。

由表1可知，从机械部分结构来看，工业机器人手臂活动区域、手腕分别负责影响活动空间、连接主体与工具；传感部分则可以将机器人内部状态信息（速度、位移、力等）、外部环境信息（压力、温度、湿度等）转换为可应用的信号，调整位置、姿态，提高机器人的机动性、智能化水平；控制部分则根据工业机器人作业指令，结合传感部分反馈信号，发出执行指令，支配工业机器人手臂或夹持工具完成规定动作。

表1：工业机器人组成

3 工业机器人关键技术分析

3.1 摄像机标定技术

摄像机标定技术主要是依据摄像机成像原理，将工件图像像素坐标转化为世界坐标，为工件坐标系、相机坐标系之间位置关系的明确提供依据。摄像机成像原理主要指借助摄像机拍摄某物体时，摄像机镜头可采集相应物体表面反射光，经透镜进一步折射，实现感光器件上成像。此时，可以经转换电路将光学图像信号转变为电信号，获得图像信号。根据摄像机成像原理，结合拍摄图像处理参数、摄像机参数，可确定摄像机、物体间位置关系，如距离关系、旋转角度关系等。

3.2 机器视觉技术

机器视觉技术即利用机器代替人眼进行测量、判断。一般机器视觉产品为图像摄取装置，在图像摄取装置顺利抓取图像后，将图像传输到数字化处理单元，综合考虑像素颜色、亮度、分布等信息，进行颜色、形状、尺寸等因素的判定，为现场设备动作控制提供依据。相较于计算机视觉而言，机器视觉技术涉及了人工智能、图像处理、模式识别等专业知识，可以与工业自动化相融合，在检测工件缺陷的同时，辅助机器的高效率控制。

3.3 PLC编程技术

PLC编程技术是一种系统专业技术，强调依托一台被嵌入操作系统的高性能工业计算机，结合精深PLC编程语言，设计时序图或顺序控制，确定输入输出点与控制位，并书写指令表语言，完成整体控制程序。PLC编程是工业机器人自动执行任务的关键，可以确保工业机器人精准控制作业的各个环节，完成工业流水线生产任务。

3.4 液压驱动技术

液压驱动技术是一种与工业革命息息相关的技术，多包括油箱、电动机、液压泵几个部分，液压泵可以将电动机机械能转换为液压力，推动活塞运动。工业机器人液压驱动结构较为简单，包括液压缸、液压阀两个部分，液压缸负责将液压能转换为机械能，驱动液压执行元件开展直线往复运动（或摆动），液压阀则负责控制液压能，确保工业机器人往复运动过程中无传动间隙、平稳运动。

4 智能制造中工业机器人技术的应用

4.1 摄像机标定技术应用

摄像机标定技术是实现工业机器人视觉高精度定位的关键。摄像机拍摄图像基本单位为像素，根据像素平面内图像与像素点位置、图像与摄像机内成像平面位置、空间内摄像机位置、图像与摄像机之间位置关系，可以图像左上角为坐标系原点，与图像平面两边平行建立横轴、纵轴，以像素点为单位，建立像素平面坐标系。进而以摄像机光轴与相面交汇点为坐标系远点，与图像平面两边平行建立横轴、纵轴，获得像平面坐标系。同时以相机镜头光心位置为远点，与像平面两边平行建立横轴、纵轴，沿镜头光轴方向与像平面90°位置建立竖轴，获得相机坐标系。而世界坐标系则是实际摄像机、待测物体之间位置关系自由确定的坐标系，通过像素平面坐标系、像平面坐标系之间的相互转换，可以确定世界坐标系、像素坐标系之间的关系，获得图像在世界坐标系内位置。一般可以借助MATLAB软件中自带的Camera Calibrator工具箱，制作黑白棋格样式的平整标定板（每格边长25mm），固定标定板，并借助From camera工具从不同视角、位置摄取标定板图像，采集图像数量在10张以上、20张以内。在Camera Calibrator工具箱内加载图像建立相机模型，经cameraParams函数，直接输出摄像机参数。根据参数，在cameraParams.Intrinsic Matrix函数、cameraParams.Rotation Matrices、cameraParams.Translation Vectors函 数 内分别求得相机内参矩阵、旋转矩阵、平移向量，为摄像机坐标系下像素平面坐标系、世界坐标系的变换提供依据。

在完成摄像机标定后，可以将工件图像坐标自由转化为世界坐标，确保工业机器人视觉定位精度。比如，在工业机器人执行对螺母工件抓取任务时，需确定机器人末端坐标系、螺母工件坐标系之间位置关系，通过摄像机标定可以为两者关系求解提供依据。因在工业机器人单目视觉系统内摄像机位于工业机器人外部（工作空间顶部），相对于工业机器人基座位置固定，摄像视野极易被工业机器人移动位置遮挡。基于此，可以随机选择工业机器人移动过程中的任意2个位置姿态，借助标定板坐标系相对于摄像机坐标系的变换矩阵，将机器人基坐标系转化为末端执行器坐标系，促使摄像机由空间顶部转换为机器人内部空间末端，随机器人移动摄像，确保工业机器人移动过程视觉无遮挡。再如，智能制造中，借助摄像机标定技术，协调不同负载能力、作业空间的工业焊接机器人，实现并联运作。如根据表2不同焊接机器人功效，经摄像机标定机器人位置并协调运作，实现垂直方向上大范畴并联焊接。

表2：不同焊接机器人负载与作业空间

4.2 机器视觉技术应用

机器视觉技术是工业机器人精准识别工件的关键，主要用于机器人检测工件。在工业机器人检测工件并在摄像机坐标系内标定工件位置后，需要借助机器视觉技术中的图像预处理，综合应用降噪、变换、增强、滤波操作方式，去除干扰、噪声，确保原图像适用于计算机特征提取。一般在预处理环节，需要先面向涵盖若干颜色向量的像素点矩阵，结合光学原理，对图像进行灰度化处理，获得可反映图像形态特征的灰度图像。进而借助二值化处理方法，凸显主要目标工件轮廓。同时利用邻域均值滤波法、高斯滤波法，去除高斯噪声、椒盐噪声，避免目标工件背景内噪声对图像目标大小、形状或特定几何结构特征造成干扰。在这个基础上，利用直方图均衡化方法，以灰度级为横坐标，以频率为纵坐标，精准描述图像灰度级，分割工件图像边缘轮廓与背景图像，为工件边缘检测提供参考。最终借助Canny边缘检测法，对图像中工件边缘进行检测，获得清晰的工件边缘，为工业机器人高精度视觉识别与定位提供依据。而通过机器视觉技术的应用，可以为工业机器人提供精确的目标工件导航，解除最开始位置姿态的干扰，为工业机器人的强适应、高精度、大范围应用提供依据，为工业机器人智能化发展提供动力。

以机器视觉技术在工业机器人分拣系统中的应用为例，其机器视觉板块主要由工业相机、监视显示器、视觉控制器三个部分组成，可以实现物料颜色、数量、形状等特征与工件装配效果的精准、正确检测。即由工业相机采集传送带上物料图像信息，经计算机分析、处理物料图像信息，在目标物料坐标系内确定物料位置，经坐标系与工业机器人自身坐标系转换，引导工业机器人精准分拣传送带中物料，并将其分类放入物料放置槽，为工业流水生产线高速、平稳运行提供依据。

4.3 PLC编程技术应用

PLC编程技术在工业机器人实际运动中发挥着协调、传导作用，也是工业机器人搬运、诊断、拆捆、装配等功能实现的前提。比如，在搬运工业机器人制造过程中，需要利用PLC编程技术，编制计算机主操作控制程序，促使主操作控制程序内实时获取搬运机器人在空间上位置、运动状态。进而结合状态稳定下达指令，指挥机器人手臂、取样贴标夹具、平头退出机构，实现柔性化操作；再如，在自动化装配机器人制造过程中，可以根据不同零件装配模式设计PLC操作控制程序。进而与坐标机构、旋转机构、机器人搭载的视觉传感系统联动，设定契合现装配部件的三维动态化操作控制机制，高精度模拟视觉，确定组装阶段部件受力特点，在受力参数大于部件可承受最大压力值时自动调整压力值参数，避免压力值过大对部件造成损坏，实现自动化生产线中零部件的精准装配；拆捆机器人是钢铁行业冷轧带钢智能制造的关键，需要借助PLC编程技术，编制钢卷制作前拆捆作业程序，完成自动化捆带、剪断操作，并在操作中自动测定卷边机器捆带位置，根据测定结果完成机头旋转、横向位移，自动压实剪裁完毕的捆带，在确保整体尺寸、体积被压缩到最小水平后自动废弃材料，缩短冷轧带钢制作周期。除搬运机器人、装配机器人、拆捆机器人以外，诊断机器人制造过程中也需要利用PLC编程技术，诊断机器人与智能操作控制体系内的专家诊断系统类似，需要分析设备运行中呈现的不正常状态，与基准参数对比后完成运行故障的精准定位。即借助PLC编程技术，以故障本身特征为核心，将噪声参数、振动参数、温度轨迹、运行轨迹纳入操作控制程序，在本地监测设备故障，并将故障信息同步反馈至主系统，由系统自动输出结果以及故障处理指令，实现操作过程中故障的自动检测、智能处理。

4.4 液压驱动技术应用

驱动系统是智能制造中工业机器人重要部分，从动力源来看，可以划分为气动、液压、电动三种类型，液压驱动是一种高度成熟的技术，在工业机器人中较为常用。因液压驱动具有力矩大、动力大、惯量比大、易于实现、快速响应的特点，多应用于大惯量、高承载（负荷为100kg及以上）、防焊环境。比如，大跨度承载达2000kg、活动半径达6m的全液压重载机器人可以在锻铸行业发挥良好作用。再如，利用发动机动力驱动液压举升的三自由度液压传动型工业运输机器人，可以将货箱从货架运输到另外指定位置，并借助双作用液压缸复位。双作用液压缸除传统活塞、缸盖、缸筒、活塞杆外，还包括排气装置、密封装置、缓冲装置，作用模式为单活塞杆单双作用式。在单活塞杆单双作用模式下，液压缸控制回路由发动机为出发点，经液压缸、液压控制及调节装置、执行组件液压缸，最终达到被驱动件。在液压回路运转过程中，需要经过电能转换为机械能、机械能转换为液压能、液压能转换为机械能几个变化。部分情况下，也可以将电力驱动与液压驱动组合成复合式的驱动系统，根据需要将电能转换为液压能，利用节流调速方式控制速度。此时，液压系统需要选择结构简单且散热条件较佳的开式循环系统，经开式循环系统与节流调速装置相连，在定量泵稳定供应油源的基础上，借助溢流阀进行液体驱动压力调节，确保液体驱动压力处于恒定状态。而油泵输出油液则在三位四通换向阀中位自动进行荷载卸除，确保压力长时期处于标准范围内。

智能制造背景下，电机传动智能化为智能液压元件发展提供了更多的机遇，加快了工业机器人液压传动的现代化进程。比如，利用若干仿生执行单元、液压供油循环系统、CPU（中央处理器）控制器，搭建工业机器人仿生液压系统。若干仿生执行单元与液压供油循环系统相连接，液压供油循环系统与CPU中央控制器相连接并受其控制。机器人以液压为驱动源，可以借助液压驱动非刚性连接、耐用的优势，在确保机器人移动速度的同时，满足机器人柔性动作开展要求，如模拟人体跳跃等。

5 智能制造中工业机器人技术发展及建议

5.1 发展现状

5.1.1 高端产品缺位

我国工业机器人技术起步于20世纪80年代，在近几年政策支持、产业升级驱动下，智能制造中的工业机器人技术飞速发展。但是，当前我国工业机器人仍然存在低端产品过热、高端产品缺位的情况，多数工业机器人企业缺乏核心技术，与国外发达国家在工业机器人技术方面存在较大差距。加之工业机器人编程接口与通信协议无统一标准、硬件规格不一，无法满足高度精密的工业机器人部件生产需要，且存在工业机器人生产效率低的问题。

5.1.2 智能思维缺失

传感器是工业机器人至关重要的部件，也是工业机器人接收外界信息、对外界进行智能反馈的关键。智能制造对现代工业机器人视觉感知、听觉感知、触觉感知均具有较高要求。但是，当前我国制造的工业机器人仅具有一定的视觉感知能力，缺乏独立的判断、决策、推理能力，不具备智能思维，与真正意义上的智能化制造仍然具有较远距离。具体表现为：以往工业机器人需借助大量编程设计方可集成到生产线，执行集成过程的企业面临着微小更新生产线的问题，致使工业机器人相对不灵活问题较为显著。而相对不灵活的工业机器人仅可应用于大型制造企业的大批量生产，在生产批次低、产品品类多的中小型制造企业应用经济价值较低。特别是轻型机器人、协作机器人，存在有效负荷低、工作速度慢的问题。

5.2 建议

5.2.1 发展高端产品

借鉴安川电机、波音、IBM等核心企业在工业机器人高端技术领域发展经验，我国可以选择强强合作方式，鼓励两个及以上企业合作开发工业机器人，或者企业形成专利池，在明确划分工业机器人高端产品研发权责的同时，整合多企业技术资源，增强工业机器人高端产品配置效率。部分非核心企业可以并购具有自主知识产权、前沿技术的企业，利用其内部研发团队实现国际化专利布局。同时从工业机器人技术研发团队建设入手，与高校合作，并加强专利保护，为工业机器人技术研发人才提供良好的发展空间，鼓励研发人员参与工业机器人研发，确保工业机器人高端产品研发人员充足。

需要注意的是，为了避免大量企业重复研究工业机器人高端产品，应借鉴中国机器人产业联盟、国际机器人联盟建设经验，建立企业工业机器人高端产品研发联盟共同体，结合专利公开传播新技术特征，允许工业机器人行业联盟提供专利申请国内优先权、提前公开信息。并根据工业机器人技术发展情况举行技术研讨会，相互交流、分享工业技术人员研究成果，降低工业机器人研发成本。同时立足知识产权战略，对工业机器人高端产品研发技术标准进行进一步细化，形成工业机器人高端产品专利壁垒，合法获取技术收益，实现工业机器人高端产品的可持续研发。

5.2.2 赋予智能思维

机器人是多种技术领域的集成，必须涵盖视频处理/声音识别、多硬件元素输入/输出控制等复杂的辨识能力，并通过多元素巧妙组合实现智能化动作任务处理。未来的工业智能是人机混合智能，智能思维是智能制造中工业机器人技术发展的主要方向，需要搭建发现问题-感知数据-算法-执行的快速闭环过程，实现机器人小闭环、小场景、集群智能。在研发控制系统、调节系统、电数字数据处理、焊接、机械手、组合加工等技术的基础上，企业应从程序控制着手，在确保工业机器人根据外界信息及时反馈的同时，强化其智能性与自我调节能力，并结合行业知识库，赋予工业机器人在不同环境下的语音、动作、表情以实现机器人的智能思维，打造卓越的机器人与人共融的柔性产线。比如，在传统位置传感器、加速度传感器、速度传感器应用的基础上，根据力矩、视觉、位置、力等信息反馈需求，合理应用视觉伺服控制、柔顺控制、方位混合控制方法，满足复杂工业锁螺丝、点胶、双臂协调、PCB检测等作业需求。同时借助工业机器人自动/离线编程思维，综合应用传感器触合、人机交互、虚拟现实等智能化技术，建立人机交互式工业机器人仿真环境，促使人机交互能力增强，从根本上解决工业机器人示教难问题。再如，立足5G时代，结合工业机器人应用要求，开发类人手的冗余自由度机器人，在高性能、低成本总线技术支持下，完成类似于人手臂的系列动作，同步强化工业机器人群体协调作业能力，满足工业机器人在生产流水线上与操作人（或其他机器人）混合作业需求。

6 结语

综上所述，智能制造中，工业机器人具有重复精度高、工作效率高、可靠性好的优良特点，将在劳动密集型产业格局转换中发挥重要驱动作用。因此，作为全球最大的机器人市场，我国应立足智能制造目标，朝着机器换人的大趋势，扩大工业机器人技术在智能制造中的应用范围，发展高端产品，赋予机器人智能思维，充分发挥工业机器人技术的优势，确保智能制造目标顺利实现。