智能制造與機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

劉小春，張 蕾*

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，412001，湖南株洲）

在時(shí)代進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的背景下，我國處于全面信息化時(shí)代，數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)的大量應(yīng)用，帶給人民高質(zhì)量的生活。回顧我國智能制造發(fā)展史，其發(fā)展速度驚人。在改革開放前期，國內(nèi)智能制造處于空白狀態(tài)，滯后于西方發(fā)達(dá)國家太多。在中國意識(shí)到科技的力量時(shí)，盡管實(shí)力已相差非常懸殊，但是我國做到了正視自身的發(fā)展現(xiàn)狀，激勵(lì)自身不斷進(jìn)步和發(fā)展，推動(dòng)智能制造與機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展。

1 構(gòu)造智能制造環(huán)境的重要技術(shù)分析

當(dāng)前中國構(gòu)造智能制造、構(gòu)造數(shù)字化車間熱情不斷高漲，社會(huì)對(duì)此項(xiàng)事業(yè)的重視度不斷提升。怎樣建設(shè)智能制造的環(huán)境，形成數(shù)字化和現(xiàn)代化的車間，需要科學(xué)技術(shù)作為有力支撐。首先是機(jī)器人技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)是發(fā)展數(shù)字化、自動(dòng)化及智能化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。其次是人工智能技術(shù)。智能制造的含義，即為智能技術(shù)、制造技術(shù)之間的合理融合，對(duì)于制造期間產(chǎn)生的各種問題，采取針對(duì)性的智能技術(shù)進(jìn)行解決，也可以說智能制造即為人工智能技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)中。最后是數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。制造業(yè)需要具備的基本構(gòu)成是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)，積極利用機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品能力的提升。

在高端裝備制造業(yè)發(fā)展中，智能制造是必然趨勢(shì)。其中，數(shù)字車間、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，為重要的智能制造的內(nèi)容，產(chǎn)生的作用甚至是主體性的。經(jīng)推廣應(yīng)用數(shù)字車間中機(jī)器人，一方面能夠推動(dòng)機(jī)器人智能化水平提升，另一方面改變傳統(tǒng)的人力生產(chǎn)模式，同時(shí)可以對(duì)一部分腦力勞動(dòng)進(jìn)行替代。很早以前就已經(jīng)提出了數(shù)字車間，先是機(jī)器換人工，再達(dá)到機(jī)器自動(dòng)化的目標(biāo)，也就是改進(jìn)機(jī)械設(shè)備，大量地運(yùn)用自動(dòng)化設(shè)備，最后為集成化及成套化，將傳統(tǒng)的單臺(tái)流水線作業(yè)方式轉(zhuǎn)為用成套設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，也就是實(shí)現(xiàn)智能換數(shù)字。

2 機(jī)器人發(fā)展的重要趨勢(shì)

從20 世紀(jì)的五六十年代開始，世界進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)開發(fā)。第一個(gè)“通用機(jī)器人”專利，是由G·C·Devol（美國）首先發(fā)表。在1960 年時(shí)，美國AMF 公司生產(chǎn)的柱坐標(biāo)機(jī)器人Versatran，能夠位置定點(diǎn)，同時(shí)可以軌跡控制，屬于世界上第一種能夠在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人。在之后的發(fā)展中，機(jī)器人出現(xiàn)了三個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)。首先，軟硬融合。機(jī)器人中更關(guān)鍵的就是軟件，在軟件上面，可以全面體現(xiàn)人工智能技術(shù)，而且數(shù)字化車間的布局及軌跡規(guī)劃、自動(dòng)化上料等，需要依靠科學(xué)的軟硬件結(jié)合，硬件的開發(fā)固然重要，但是需要更多高素質(zhì)的優(yōu)秀軟件開發(fā)人員來開發(fā)軟件。所以當(dāng)前從事智能制造行業(yè)者，應(yīng)該具備廣博的機(jī)械、信息技術(shù)知識(shí)，特別是可以深入地掌握機(jī)器人控制技術(shù)。其次，虛實(shí)融合。機(jī)器人的存在并非孤立狀態(tài)，而是需要很多仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)地融入車間實(shí)際加工過程。最后，人機(jī)融合。人、機(jī)器、機(jī)器人之間的融合，屬于永遠(yuǎn)要探究的話題。

在推廣工業(yè)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)該做到創(chuàng)新設(shè)計(jì)先行。智能制造和機(jī)器人的應(yīng)用，可以促進(jìn)生產(chǎn)效率提升，但僅可以解決產(chǎn)品怎么做的問題，還并未有效地處理好做什么產(chǎn)品的問題，而企業(yè)家往往更重視做什么產(chǎn)品可以暢銷的問題，因此應(yīng)該創(chuàng)新設(shè)計(jì)先行。同時(shí)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該緊密地聯(lián)系起大數(shù)據(jù)，機(jī)器人看得見、聽得到，具備感知能力，需要依靠大量的數(shù)據(jù)支持，與此同時(shí)要實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人、模式識(shí)別之間的密切結(jié)合。另外，對(duì)工業(yè)機(jī)器人還要做好虛擬現(xiàn)實(shí)、精益生產(chǎn)之間的有效結(jié)合，最終把機(jī)器人用得更好，更好地將其推廣運(yùn)用。

3 機(jī)器人發(fā)展的主要途徑

3.1 從串聯(lián)機(jī)器人到串并混聯(lián)機(jī)器人

早期機(jī)器人主要是串聯(lián)的方式，在市場進(jìn)步和發(fā)展的環(huán)境下，當(dāng)前應(yīng)用到的機(jī)器人包括串聯(lián)的、并聯(lián)的。串并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)諸多，即具備并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大的特點(diǎn)，同時(shí)擁有串聯(lián)機(jī)構(gòu)控制空間大的優(yōu)越性，所以串并聯(lián)機(jī)器人成為了機(jī)構(gòu)學(xué)研究的關(guān)鍵內(nèi)容，引領(lǐng)機(jī)器人將來發(fā)展方向。

3.2 從剛體機(jī)器人到剛?cè)狍w機(jī)器人

當(dāng)前研究剛性機(jī)器人的同時(shí)，也要重視柔性機(jī)器人的研發(fā)利用。例如，英國一公司研發(fā)出蛇型機(jī)器人。我國也在積極地研發(fā)類似機(jī)器人，具備柔性多節(jié)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這一類工業(yè)機(jī)器人具備靈巧關(guān)節(jié)，例如仿象鼻、章魚須或蛇等。今后，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展重點(diǎn)之一就是提高柔軟性，通過應(yīng)用柔體結(jié)構(gòu)將機(jī)器人末端或本體的靈活度提升，可達(dá)性增強(qiáng)。可達(dá)性為其最顯著優(yōu)勢(shì)，例如，航空構(gòu)建制造上部分孔很深，如果僅采取常規(guī)的舉措不容易打進(jìn)去，而應(yīng)用柔性機(jī)器人就更加便捷。

3.3 從單機(jī)器人作業(yè)到多機(jī)器人協(xié)同工作

單機(jī)器人在很多方面具有局限性。功能分布性、制造空間的分布性、任務(wù)作業(yè)的容錯(cuò)性等，是需要很多機(jī)器人合作展開工作方可達(dá)到的，僅一個(gè)機(jī)器人是不能構(gòu)建數(shù)字化及智能化車間的，尤其是大尺度的焊接裝備，應(yīng)該多個(gè)機(jī)器人之間進(jìn)行有效的配合協(xié)作，才能提升靈活性、可靠性。由此產(chǎn)生了一些問題，即多機(jī)器人的通信怎樣實(shí)現(xiàn)、公共工作空間互鎖的情況下怎樣避免干涉、如何讓整個(gè)作業(yè)任務(wù)達(dá)到協(xié)同的效果等等。按照不同的工作空間及工作任務(wù)，對(duì)這些問題運(yùn)用不同的群控方法有效處理。

3.4 機(jī)器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用

機(jī)器人屬于系統(tǒng)工程，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的緊密結(jié)合。近些年來，我國很多省份積極推廣物聯(lián)網(wǎng)，促使工業(yè)機(jī)器人有效地融合物聯(lián)網(wǎng)，之后催生智能柔性的自動(dòng)化裝配焊接，產(chǎn)生較為顯著的成效。經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)的途徑，工業(yè)機(jī)器人可以獲得感知能力，相應(yīng)地具備視覺、觸覺甚至味覺，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的很多數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集了解。

3.5 機(jī)器人技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的應(yīng)用

機(jī)器人技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，在現(xiàn)實(shí)裝配中尤為關(guān)鍵。積極地研發(fā)先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)就是簡單、直觀，能夠?qū)⒀兄破陂g依賴真實(shí)機(jī)器人的程度明顯降低，減少安全隱患問題，以及減少生產(chǎn)成本支出，促使生產(chǎn)效率提升。

3.6 機(jī)器人技術(shù)與模式識(shí)別技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用

模式識(shí)別應(yīng)用到機(jī)器人檢測中效果顯著，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人加工的零件是否存在質(zhì)量瑕疵問題，了解到有無不滿足技術(shù)條件等問題。因此，應(yīng)該積極地將機(jī)器人技術(shù)與模式識(shí)別技術(shù)結(jié)合。

3.7 機(jī)器人技術(shù)與人工智能相結(jié)合的應(yīng)用

在機(jī)器人技術(shù)中科學(xué)融合人工智能、傳感檢測及人機(jī)交互等技術(shù)，讓機(jī)器人跟人類協(xié)同合作，直接參與到人的工作中，對(duì)人機(jī)間隔離防護(hù)進(jìn)行消除。

4 智能制造時(shí)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

首先，智能系統(tǒng)。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使社會(huì)上出現(xiàn)更多具備豐富功能、成本較低的處理器、傳感器，給機(jī)器人技術(shù)的完善發(fā)展提供更好的發(fā)展基礎(chǔ)。例如，汽車制造時(shí)如果產(chǎn)生故障，機(jī)器人即刻通過感應(yīng)進(jìn)行相關(guān)處理，在聯(lián)動(dòng)配合下實(shí)施操作。對(duì)于機(jī)器人技術(shù)，目前主要的研究內(nèi)容是程序共享、信息互聯(lián)，未來發(fā)展中，汽車制造需要達(dá)到機(jī)器人離線開發(fā)的目標(biāo)。

其次，智能執(zhí)行器。目前執(zhí)行器的發(fā)展更加智能化，基于傳統(tǒng)位置編織器，在同一封裝中集中各種設(shè)備，即制動(dòng)器、放大器等。所以，未來智能執(zhí)行器的發(fā)展，會(huì)不斷地提升集成電路可靠性及減小尺寸，給汽車產(chǎn)品布線帶來更多的便捷性。

再次，智能傳感器。其在汽車行業(yè)制造中產(chǎn)生的意義不言而喻，經(jīng)傳感器把汽車信號(hào)處理和電子器件的微機(jī)械傳感器進(jìn)行集合，一方面滿足汽車制造需求，另一方面將制造成本大大節(jié)約。

最后，分布式控制。新興機(jī)器人處理能力、智能化，是依靠處理器得以實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人中全部的處理器均具備特殊功能，連接網(wǎng)絡(luò)以后機(jī)器人跟智能系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)共享。所以，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用了傳感器和網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器控制模塊化功能，從而實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。

5 結(jié)語

智能制造屬于制造行業(yè)重要發(fā)展趨勢(shì)，能夠?qū)a(chǎn)品制造的成本有效降低，并且雙重提升產(chǎn)品制造的質(zhì)量和效率。智能制造需要應(yīng)用眾多的現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)，其中包括數(shù)字技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)更科學(xué)地應(yīng)用于智能制造，技術(shù)人員應(yīng)該采取串并混聯(lián)機(jī)器人及剛?cè)狍w機(jī)器人，有效配合運(yùn)用多個(gè)機(jī)器人，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，達(dá)到數(shù)字化車間構(gòu)建的目標(biāo)，推動(dòng)我國的智能制造事業(yè)穩(wěn)定向前發(fā)展。