探究“物联网+”工业机器人的应用

李天震 陈晓丹

1. 安徽理工大学电气与信息工程学院 安徽 淮南 232001；

2. 安徽三联学院电子电气工程学院 安徽 合肥 230601

引言

在工业领域随着智能化和自动化技术的推进，工业机器人也被逐步投入到工业生产中。目前工业机器人已经广泛应用于化工生产、机械制造、金属加工及汽车组装等各个领域，高度的自动化工业生产减少了人工的干预，也避免了不必要的资源浪费。5G无线通信和物联网+技术的投入使用将极大地推动现代化工业的发展，传统的手工生产模式也将被自动化的生产方式所颠覆。这种全新的生产模式将极大地推动工业自动化的发展。

1 物联网+工业机器人的概述

5G背景下的“物联网+”工业机器人技术实际上是物联网与机器人软硬件技术的结合。“物联网技术”是利用特定通信协议的传感器和感应设备将指定物体所采集到的数据信息接入到互联网中，从而实现物品与物品或物品与人之间的交流通信。目前我国现有的工业机器人产品种类主要大致分为以下两类，传统的新型工业服务机器人和新兴的智能服务工业机器人，其中传统服务型工业机器人大多数应用于电子医疗、家用、娱乐、教育等日常生活应用领域，工业服务机器人则主要应用于汽车行业、电子以及电气、交通工程、国防等生产领域。联合国标准化组织（ISO）将这种工业专用机器人系统定义成作为一种能够同时实现自动控制的一种可执行不同工作任务的以及一种可通过重复进行编程不同动作的工业专用控制系统，其主要特点有高精度、高可靠性、高度路径优化以及强悍的计算能力等。

“物联网+”工业机器人是两种前沿技术的结合产物，其本质上是通过互联网来实现机器人之间的交流通信，同时利用其特定的算法计算处理来自行做出决策。物联网＋工业机器人的主要功能包括智能感知功能、超级计算功能及远程控制功能。智能感知功能是指机器人可以在生产过程中根据周围环境变化及时做出判断和决策的能力，物联网技术通过使镶嵌在机器人身上的各类传感器传入到互联网的多条信息相互融合，从而使得机器人具有像人类一样的视觉、触觉、移动、压力、温度等感知能力；超级计算功能是在机器人搭载的DSP（数字信号处理芯片）和MCU（微控制芯片）中写入感知算法和控制算法等，其算法可主要细分为卷积神经网络算法、路径规划算法、移动控制算法和行为决策算法等，通过强大的算法能力机器人可以对获取的各类环境数据做出即时的处理，由于工业机器人的可编程性可以对其算法不断优化来提高机器人的精度和可靠性。远程控制功能是指利用物联网技术在特定的通信协议下进行人机交流，并利用5G无线通信技术的高速、低时延、互联等特性来对工业机器人进行远程操控，不仅可以提高设备运行效率而且可以起到实时监控的作用，既提高了生产力还可以对设备的预测性维护、潜在危险的排除等方面提供较大的帮助。

2 “物联网+”工业机器人的一些关键技术

2.1 射频识别技术（RFID）和传感网技术

工业机器人进行信息的采集、识别、转化、传递功能主要发生在物联网的感知层架构。RFID、传感技术和近距离传输技术构成了感知层架构的重要技术支撑。RFID技术的空间耦合传输性能可以完成对物体的无接触信息传递与自动化识别。RFID技术近年来已经趋于完善化和标准化，现如今其应用场景也逐步增加，例如当下利用无源或半无源的RFID标签读写器来完成对RFID磁卡的自动识别与读写存储技术，在门禁开放、停车场通行、工业自动化生产等场所都有用到[1]。无线传感网络是由大量的动态或非动态传感器以自组或多跳方式组合形成的大规模自组网，传感网通过协作的方式来完成对监测物体的网络全覆盖。因此在5G通信网络的高速、低延时背景下的工业机器人对数据信息的收集和传递将会变得更加方便。

2.2 工业机器人的控制技术

“机器人”的正常工作需要配备良好的驱动系统，电力驱动和机械传动是当下最主流的两种制动方式。出于效率和生产力的角度考虑，一般的工业机器人常采用机械传动的方式来制动，主要是在工业机器人的各个关节上安装自由度较高的传动装置或者直接通过链条、轮齿等传动器来完成对机器人的控制。工业机器人的控制技术主要包括以下3条：

2.2.1 位置控制方式，主要包括点位控制和连续路径控制技术。点位控制即只操控工业机器人的末端执行器在规定的离散的点位上进行各点之间的移动，而对其运动轨迹则没有强制要求，其优点是使工业机器人的移动快速、准确。连续路径控制则需要控制工业机器人的位姿并且要求其严格按照预定的路径和速度来运动，这种方式的优点是轨迹可控、运动平稳、定位精度高。

2.2.2 力矩控制，指工业机器人在工作时所掌握力的程度，需要在作业时因力过大或过小而及时产生转矩来达到精准施力，利用力矩的伺服原理可以完成对力矩的控制。

2.2.3 智能控制，指将传感器获取周围环境的数据进行收集整理后传入到机器人的“大脑”芯片中，这些数据信息将根据事先写入在芯片中的智慧算法得到即时处理，随即做出相应的操作。这种智能控制技术与神经网络算法的结合可以使机器人具有较强的学习和适应能力。随着芯片元件制造精度的不断提高，其对数据的处理速度和对机器的控制能力也将出现数量级的增长，从而保障工业机器人的智能化运行。

2.3 物联网工业机器人的通信协议

物联网技术可以通过工业机器人的通信协议从而将所有机器人收集数据信息的硬件装置整合成一个完整的通信系统，同时搭载相适配的软件程序来完成对机器人的操控。由于目前许多机器人公司常采用自家产品的通信协议，且市场上并没有规范出一条标准的协议，因此想要完成整合的难度也大大加深。物联网时代的到来为这一难题提供了一条思路，由于机器人之间的协议不同而导致交流不便影响生产效率，因此可以通过互联网云端作为第三方媒介来构造出一条标准化的协议，首先机器人按照各家公司的通信协议接入到物联网系统中，然后通过设计并创建规范化物联网接口来完成信息交流，物联网通信协议按照其层次架构可主要分为以下3类：

2.3.1 物理感知层及数据链路协议，主要包括近距离通信、远距离通信以及有线通信协议。近距离通信如NFC技术，可以使多台电子设备在短距离内利用高频无线通信来完成非接触式的数据交换；蓝牙技术作为一种全球规范化语音通信和数据开放的低成本无线通信技术，为移动设备之间进行短距离连接建立了良好的通信环境[2]。远距离通信包括二、三、四、五代移动通信协议、WiFi协议、Zig Bee协议和LoRa协议，LoRa与同类别技术相比可以完成更远距离的通信。有线通信技术包括串口通信协议、以太局域网、MBus等，该技术的主要特点是需要通过数据线按照位传输方式来进行外部设备与计算机之间数据传输。

2.3.2 网络层协议有IPv4、IPv6以及传输控制协议（TCP）等。IPv4协议是使用最早也是使用最为广泛的国际通用协议版本，IPv6协议则是在第四版基础上进行改进，IPv6将第四版中的32位（4字节）地址增加为128位从而增大了IP地址的数量，这不仅极大地扩展了地址空间也获得了更快的速度和更强的安全性，同时也解决了多种设备同时接入互联网困难的问题。TCP协议通信需要建立在两者连接的基础上，并且协议连接只能是一对一进行，不可以利用TCP协议同时进行多个主机地址的连接。利用TCP协议进行连接的时候需要为每个连接到的对象实时分配一个相应的内核网络资源，从而可以方便对实时传输数据和连接对象状态的实时管理，这种连接协议的技术特点是可靠、需要有面向多个连接、面向多个字节数据流、效率低等。

2.3.3 应用层协议可以方便管理员对IP网络地址的分配和通信的管理，该协议主要包含XMPP协议、HTTP协议以及MQTT协议等。XMPP协议以其超强的网络灵活性、安全性和自由的可扩展性三大特点常服务于网关、客户端、服务器中任意两者之间的在线通信，扩展后的XMPP协议可以在网关顶端直接建立基于网关地址的通信服务；HTTP协议因其灵活快速、简单、无相互连接的特点在国际互联网的网络协议上应用最为广泛，由于网关服务器程序的规模较小所以主要是用于网关客户端与网关服务器之间的信息传输；MQTT网络协议可以认为是一种轻量级的通信协议，其主要特点之一是用户可以通过少量的编程代码和有限的网络带宽限制来直接实现远程通信设备相互连接间的在线消息发送服务，因为其占用较低带宽的特点所以常用于小型设备、物联网、遥感数据等。

3 物联网工业机器人的具体应用

3.1 仓库物流行业

商品经济将会随着全球经济一体化的发展趋势变得更加昌盛，未来对于仓库以及物流行业的工作量将会持续增加。物联网工业机器人通过其出色的智能感知、识别、自动化控制等技术有足够的能力来承担起仓库物流行业的一整条服务。工业机器人可以通过其感知能力来完成对物品的分拣和产品质量的监测，通过其智能控制和自动化处理能力技术可以完成对物品的接运卸货、处理入库信息、上架、自动办理交接手续以及自动发货出库等，机器人可以通过物联网数据分析作业环境并自动编制进出库计划同时对异常情况做出相应措施并上报，且这一过程不需要人工干预。工业机器人通过一系列智能化控制极大地节约了人力资源，也提高了作业的效率。

3.2 汽车制造行业

随着国家对制造业走向自动化、智能化方向的大力推动，工业机器人也将因其独特的优势在生产行业得到大力发展。物联网工业机器人在汽车的制造过程中主要承担焊接、检测及装配工艺[3]。工业机器人按照教程规定的动作、顺序、参数进行焊接作业可以完全实现焊接环节的自动化，通过借助机器人可以忽略车身重量和视线的影响在焊接过程中实现对焊接精度的精准把握，同时在焊接质量和数量上有着人工难以做到的优势；零件的装配工作是整个汽车制造过程中最容易出现问题的环节，因为汽车的装配工作需要用到大量的零件且各种零件在尺寸、安装顺序、转数上有着不同的区别，所以该环节需要投入大量的劳动力而且效率也低，而工业机器人则可以根据零件的质量和尺寸与事先上传到数据库中的器件模型进行比对并快速做出识别与精准装配。

3.3 消防工业机器人

工业机器人在消防安保领域的投入使用可以有效减少人员的伤亡同时也能够降低救援的难度。因为工业机器人具有超长待机、工作强度大且智能度高的特点，所以在救援时面对高温、缺氧、有毒气体等危险的复杂环境时能够进入险境勘测现场受灾情况并及时将收集数据传到后方，以便救灾人员及时做出相应的救援措施，从而在最大程度上减少人员伤亡和财产损失。消防工业机器人利用其可预测性观察的特性可以有效检测出工厂或生产车间中存在的安全隐患问题并向终端设备发射报警信号，同时机器人也会利用其智慧算法对隐患进行等级划分并分别制订出解决方案作为参考。

4 结束语

随着5G网络的普及，物联网覆盖的技术领域也逐渐增大，新一代的工业机器人在物联网技术与智能控制技术的完美融合下华丽登场，传统的生产模式也将迎来新的变革，目前工业机器人在化工生产、医疗、农业、汽车制造等领域已经取得了出色的成绩。我们应当牢牢抓住本次物联网产业发展的机遇，加强对我国物联网现代工业机器人的研发与技术创新，促进相关技术成果的应用产业化，推动我国社会主义市场经济的健康发展，争取早日完成党和国家人民共同富裕的最终战略目标。