工业机器人的智能化发展探究

■张峥

随着现代科技的发展，世界各国即将进入智能生产时代，工业机器人的智能化发展也聚焦了许多关注。前瞻产业研究院《中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》指出我国工业机器人已经初具规模，已生产出部分机器人关键元器件，一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上，一批机器人技术的研究人才也涌现出来，某些关键技术已达到或接近世界水平。但是仍旧存在诸多问题，主要表现在：①我国工业机器人基础零部件制造能力有待提高。目前国内生产工业机器人的核心零部件如谐波齿轮减速机、高精度伺服电机都依赖进口。②我国的工业机器人设计理念不够成熟，国内的机器人生产大部分立足于功能的实现，在稳定性、易用性方面和国外还有一定的差距。③国内机器人产业化发展有待秩序化与规范化。伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，大量企业纷纷看好工业机器人未来的市场规模与经济效益，蜂拥而上，有可能造成国内工业机器人市场的恶性竞争。

可见,为使工业机器人的优势能够得到充分的发挥,积极解决上述问题是关键。

一、工业机器人的智能化进展

工业机器人当前主要有以下几类：冲压机器人、焊接机器人、激光切割机器人、喷涂机器人等。这些能代替人工作业的繁琐重复劳动以实现生产的机械全自动化，能降低生产成本，提高工作效率，提高人工安全以及设备的安全性。因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等企业。

现阶段在应用机器人技术时主要面临着四大问题：第一，运动性问题。从技术上看就是如何实现工业机器人运动学建模与求解。第二，作业平稳性问题。需要考虑机器人平稳作业问题。第三，布局的多样性。如何考虑布局设计快速地适应公司的新产品、新工艺。第四，操作易用性。需要提高机器人的易用性。

对此我们应该假设并提出理想的工业机器人模型。

二、国内外工业机器人发展现状

1.国外工业机器人发展现状

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名工业机器人公司，比如日本的安川、FANUC，德国的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，以及意大利的COMAU。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。据专家预测，机器人产业是继车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。2002-2004年，根据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界工业机器人市场年增长率平均在10%左右。2005 年增长率达到创记录的30%，其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出，高达45%。2007 年，全球新安装工业机器人的数量超过十万套。

2.国内现状

目前国产机器人主要是沈阳新松机器人、首钢MOTOMAN、唐山松下等公司产品。我国虽然已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与国际竞争。特别是没有同步发展相应的零部件产业，伺服电机、减速机等关键零部件依赖进口，使价格难以降低。同时，我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。

三、理想机器人模型

理想的工业机器人在生产过程中应当具备以下功能特点：

1.智能移动功能

（1）实时定位并自主规划最佳行进路线：机器人可以自主建立地图并进行路线规划，在行进同时不断刷新当前的空间位置，并实时同步到系统后台，让管理系统可以随时掌握机器人的行迹路线及机体周围的环境状态。

（2）自动回收充电：机器人的电量在低于一定程度后会自动返回统一的充电处进行充电，该过程实现自动化，无需人为操作。

（3）同步感知：机器人装备多种传感器，可以实时监测周围的障碍物、温度、湿度等环境因素并进行感知分析，若判断危险则进行避障，同时上传分析数据到管理后台。

2.语音交互功能

（1）语言对讲：系统内存储信息库可以让机器人分析使用者的话语并给出最佳回答，并通过提前设定好的程序为其提供帮助。

（2）人性化服务：使用者可以通过机器人与系统后台的管理人员进行实时交流，避免了系统识别和传递信息时出现错误。

3.智能管理系统

（1）后台管理：系统实时监测各机器人的工作状态、行进路线并对其进行各项参数的对比查看，收集预警信息并做出最佳处理。

（2）紧急状况处理：若出现信息库中未录入的紧急情况，则强制关闭所有机器人的电源，并呼叫管理员进行处理。

（3）全自动化：由后台统一管理所有机器人并分配相应的任务，实时搜集整理各项数据报告并检查分析，整个过程无需人为操作。

四、当前机器人与理想模型之间的技术差距

通过与理想机器人模型的对比不难看出两者之间还存在不少差距，因此积极解决以下问题是关键：

1.机器人的灵活度及柔性不高

在工业机器人不足够灵活和柔性不高情况下，某个行业用到的工业机器人是根据本行业的工艺流程或者实际工况而有针对性的开发出来的，如果工艺发生了变化，之前的设备可能就需要优化甚至某些场合下需要完全推到重来。即使是柔性已经非常强大的标准工业6 轴机械手也不例外。

2.信息利用率有待提升

在仓储物流自动化行业里经常会遇到需要给机械手配备3D 视觉系统来动态识别当前需要夹取的料箱或者包裹的实际位置。这里会有视觉算法来识别多个物料单元的位置关系和位置数据。而当前市面上的硬件设备和算法并不能应付所有的物料堆叠方式。有些甚至是对于人眼轻而易举能识别的位置，而对于机械手视觉却是个极大的难题。若无法快速准确处理并利用相关信息，那么工业机器人将无法起到节省劳动力的作用。

3.智能化技术不够成熟

如果不足够智能，标准工业6 轴机器人可以简单理解为一个更加结实和不知疲倦的人类胳膊，配上各种夹具就可以完成形形色色的工作应用场景。与人相比，机器人差的是指挥胳膊后边的那个强大的指挥大脑。比如对于机械手来说，针对不同的应用场景和项目，需要工程技术人员对其进行程序设定或者至少需要做的示教工作。如果物料单元发生变化，包括数量和位置的变化等，此时也需要对机械手进行人为的再次调试和数据输入。

五、未来发展

1.发展方向

如何让工业机器人能够为工业智能化、自动化提供更优异且高效的服务，这正是未来工业机器人发展的主要方向，主要有以下几点：

（1）自主化。更加注重人机协作，逐步从远距离作业向人机交互并协同作业的方向发展。同时适当降低编程的难度，向自主化方向发展，使其可以根据周边环境情况自动设计并且优化路径，找到最佳线路，工作效率大大提升。

（2）高效化。高效化不仅仅是指单个工业机器人的工作高效，而是要提高机器人管理系统乃至整个生产线的效率。不断改进工业机器人的结构，及时更新优化管理系统，才能从根本上提高生产效率。

（3）智能化。智能化是工业机器人的一个重要方向。一是利用模糊控制神经元网络控制等智能控制策略，二是机器人具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力，这是更高层次的智能化。智能技术领域的研究热点，如虚拟现实、智能材料、人工神经网络、专家系统、多传感器集成和信息融合技术等。

（4）模块化。工业机器人的机构模块化就是在机器人结构分解的基础上，通过建立标准机械结构的模块库，自动装配模块。能够让工业机器人最大限度地满足模块对机器人的要求，又可以让设备的设计和制造更方便，能够降低成本、缩短生产周期。

（5）标准化。工机器人的标准有利于制造业的发展，但目前不同厂家的机器人很难进行通信和零件部位的互换。机器人的标准化问题不是技术层面的问题，主要是不同企业之间的认同和利益问题。

（6）机器人的微型化。微型机器人是21 世纪的尖端技术之一。目前已经开发出手指大小的微型移动机器人，预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小的医疗和军事机器人。

2.发展趋势

随着我国工业机器人的不断发展，国内一些大型公司已经自主研发、生产出许多功能强大的机器人。而在今后我们应该对虚拟现实技术、传感器技术及视觉伺服控制技术等当代顶尖技术进行重点研究，可使工业机器人的性能进一步提升。随着现在人工智能的不断发展，可以尝试将工业机器人的控制管理系统与人工智能相结合起来，从而使人机共融实现，也就能更好地实现工业机器人的价值。

3.发展目标

我国机器人技术发展的战略目标是:根据21 世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人、遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人、网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。