基于深度學(xué)習(xí)和機(jī)器習(xí)的聾啞協(xié)作機(jī)器人

摘 要：本論文以手勢(shì)識(shí)別、動(dòng)作預(yù)判、為隱形二維條碼導(dǎo)引、七自由度機(jī)械手臂、電子觸覺皮膚的應(yīng)用與仿章魚機(jī)械手臂技術(shù)為核心，以中小制造企業(yè)為目標(biāo)客戶，設(shè)計(jì)出一套可應(yīng)用于電子、視頻、醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，旨在拓展已有的協(xié)作機(jī)器人與人類的交互方法、導(dǎo)引方式，實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人在力量與精度同人類在技巧與能力上的完美結(jié)合。

關(guān)鍵詞：聾啞協(xié)作；機(jī)器人；協(xié)同作業(yè)

一、引言

時(shí)代改變，機(jī)器人已成全球大趨勢(shì)。隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來，中國制造業(yè)已經(jīng)走到轉(zhuǎn)型升級(jí)的拐點(diǎn)，作為制造業(yè)皇冠上明珠的工業(yè)機(jī)器人迅速成為時(shí)代新寵兒。據(jù)IFR和中國機(jī)器人工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，中國在2000～2014年工業(yè)機(jī)器人銷售量的年均增長率高達(dá)40%，并在2013年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)[1]，預(yù)計(jì)2022～2023年每年工業(yè)機(jī)器人銷量增長15%。

對(duì)于目前協(xié)作機(jī)器人與人類的交互方式極其有限，已跟不上時(shí)代發(fā)展的腳步。只能通過示教器編程，以及基于力矩傳感器的拖動(dòng)示教和碰撞防止等方式進(jìn)行低程度的人機(jī)交互，這使得協(xié)作機(jī)器人只能與人進(jìn)行低程度的協(xié)同作業(yè)，限制了協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用范圍。另一方面，低成本、小型化和高可靠性的導(dǎo)引技術(shù)，是未來機(jī)器人導(dǎo)引技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而現(xiàn)有的導(dǎo)引技術(shù)，如：激光導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引、GPS導(dǎo)引在這三個(gè)方面均存在一定的不足[2]， 由于人機(jī)協(xié)作機(jī)器人重量輕巧，可在廠房內(nèi)輕松移動(dòng)，導(dǎo)引技術(shù)的重要性不言而喻[3]。

二、系統(tǒng)分析

依據(jù)市場(chǎng)定位和發(fā)展戰(zhàn)略制定一套科學(xué)系統(tǒng)的管理體制，并對(duì)內(nèi)部激勵(lì)體制和約束體制不斷完善，通過結(jié)合多種宣傳方式和廣告方式，打造項(xiàng)目的品牌知名度。

我們將以研發(fā)技術(shù)為核心，完善生產(chǎn)、使用商與銷售商的生產(chǎn)銷售鏈，在生產(chǎn)上打造上游（芯片制造）—中游（數(shù)據(jù)提供）—下游（服務(wù)商）的生產(chǎn)模式，以直銷和新媒體銷售方式為主，打造系統(tǒng)的運(yùn)營模式，并有針對(duì)性地服務(wù)于未成年人、商務(wù)人士以及具有視聽障礙的殘障人士等目標(biāo)人群[4]。

我們預(yù)成立公司并將基于現(xiàn)代企業(yè)法人治理結(jié)構(gòu)的建立，股東會(huì)、董事會(huì)、監(jiān)事會(huì)等現(xiàn)代企業(yè)組織機(jī)構(gòu)的建立，高素質(zhì)的管理人才的培養(yǎng)，形成一個(gè)能力強(qiáng)、效率高的決策體系。

三、系統(tǒng)概要闡述

（一）系統(tǒng)闡述原理

我們將依據(jù)市場(chǎng)定位和發(fā)展戰(zhàn)略制定一套科學(xué)系統(tǒng)的管理體制，并對(duì)內(nèi)部激勵(lì)體制和約束體制不斷完善，通過結(jié)合多種宣傳方式和廣告方式，打造項(xiàng)目的品牌知名度。

我們將以研發(fā)技術(shù)為核心，完善生產(chǎn)、使用商與銷售商的生產(chǎn)銷售鏈，在生產(chǎn)上打造上游（芯片制造）—中游（數(shù)據(jù)提供）—下游（服務(wù)商）的生產(chǎn)模式，以直銷和新媒體銷售方式為主，打造系統(tǒng)的運(yùn)營模式，并有針對(duì)性地服務(wù)于未成年人、商務(wù)人士以及具有視聽障礙的殘障人士等目標(biāo)人群。

（二）系統(tǒng)實(shí)際意義

工業(yè)2025的推出，中國正由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型升級(jí)，高技術(shù)含量的機(jī)器人市場(chǎng)前景廣闊，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)可進(jìn)一步激活中小制造企業(yè)市場(chǎng)。團(tuán)隊(duì)會(huì)做好前期產(chǎn)品推廣，增加免費(fèi)試用等策略，增加產(chǎn)品信任度；多種渠道引進(jìn)多元技術(shù)人才；強(qiáng)化產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加大機(jī)器人研發(fā)的力度；向銀行申請(qǐng)貸款，拓展融資渠道。中期本企業(yè)向著多元化的方向繼續(xù)發(fā)展，引入一系列活動(dòng)服務(wù)，擴(kuò)大公司在社會(huì)上的知名度，被大眾熟知。后期則繼續(xù)擴(kuò)大公司產(chǎn)品的影響力，使其稱為機(jī)器人市場(chǎng)的主流，開展更多的活動(dòng)，從而在市場(chǎng)占有一席之地。

四、關(guān)鍵技術(shù)介紹

隨著工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，可以安全的與人類進(jìn)行直接交互接觸的協(xié)作機(jī)器人逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)器人出現(xiàn)在需要人類介入的工作中，他們把機(jī)器人的精確和力量和人類獨(dú)特的技巧與能力結(jié)合起來，更好地完成作業(yè)。但是，目前協(xié)作機(jī)器人與人類的交互方式極其有限，只能通過示教器編程，以及基于力矩傳感器的拖動(dòng)示教和碰撞防止等方式進(jìn)行低程度的人機(jī)交互，這使得協(xié)作機(jī)器人只能與人進(jìn)行低程度的協(xié)同作業(yè)，限制了協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用范圍。另一方面，低成本、小型化和高可靠性的導(dǎo)引技術(shù)，是未來導(dǎo)引技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而現(xiàn)有的直接坐標(biāo)導(dǎo)引、電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航八大導(dǎo)引技術(shù)在三個(gè)方面均存在一定的不足。基于上述分析，本團(tuán)隊(duì)以手勢(shì)識(shí)別、動(dòng)作預(yù)判、為隱形二維條碼導(dǎo)引、七自由度機(jī)械手臂、電子觸覺皮膚的應(yīng)用與仿章魚機(jī)械手臂技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)出一款工業(yè)協(xié)作機(jī)器人，具體的介紹方案如下：

工業(yè)2025的推出，中國正由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型升級(jí)，高技術(shù)含量的機(jī)器人市場(chǎng)前景廣闊，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)可進(jìn)一步激活中小制造企業(yè)市場(chǎng)。團(tuán)隊(duì)會(huì)做好前期產(chǎn)品推廣，增加免費(fèi)試用等策略，增加產(chǎn)品信任度；多種渠道引進(jìn)多元技術(shù)人才；強(qiáng)化產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加大機(jī)器人研發(fā)的力度；向銀行申請(qǐng)貸款，拓展融資渠道。中期本企業(yè)向著多元化的方向繼續(xù)發(fā)展，引入一系列活動(dòng)服務(wù)，擴(kuò)大公司在社會(huì)上的知名度，被大眾熟知。后期則繼續(xù)擴(kuò)大公司產(chǎn)品的影響力，使其稱為機(jī)器人市場(chǎng)的主流，開展更多的活動(dòng)，從而在市場(chǎng)占有一席之地。

協(xié)作機(jī)器人是一種從設(shè)計(jì)之初就考慮降低傷害風(fēng)險(xiǎn)，可以安全的與人類進(jìn)行直接交互接觸的機(jī)器人。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在工作時(shí)，受限于技術(shù)和歷史原因，為了保證安全需要采取某些措施把人類排除在工作區(qū)域之外，例如汽車廠的焊接，噴漆等工序完全不需要人的參與，因此用安全圍欄/光柵圍住即可。

協(xié)作機(jī)器人的目的是為了把機(jī)器人（精確）的重復(fù)性能和人類獨(dú)特的技巧與能力結(jié)合起來，人類擅長解決不精確/模糊的問題，而機(jī)器人則在精度、力量和耐久性上占優(yōu)。比如電子產(chǎn)品裝配，機(jī)器人來放置零件，操作人員負(fù)責(zé)組裝；醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)器人代替護(hù)士進(jìn)行手術(shù)輔助等。鑒于本團(tuán)隊(duì)的協(xié)作機(jī)器人處在研發(fā)末期，為便于此方案的描述，本文以YuMi協(xié)作機(jī)器人為例進(jìn)行闡述YuMi是ABB公司在2015年推出的全球首款雙臂協(xié)作機(jī)器人[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]張渝.基于深度學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺的復(fù)雜背景裂紋檢測(cè)算法研究[D].重慶理工大學(xué)，2024.DOI：10.27753/d.cnki.gcqgx.2024.000696.

[2]練義華.基于深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)的全天候地表溫度估算方法研究[D].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2023.DOI：10.27630/d.cnki.gznky.2023.000733.

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[4]鄧楠，Pastur Luc R.，Noack Bernd R..基于第一性原理和機(jī)器學(xué)習(xí)方法的深度平均場(chǎng)建模[C]//中國力學(xué)學(xué)會(huì)流體力學(xué)專業(yè)委員會(huì).第十二屆全國流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院;巴黎綜合理工國立高等先進(jìn)技術(shù)學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工業(yè)應(yīng)用研究所;，2022：1.DOI：10.26914/c.cnkihy.2022.068502.

[5]裴熠麟.基于深度學(xué)習(xí)理論和機(jī)器視覺技術(shù)的橋梁上車載識(shí)別研究[D].湖南大學(xué)，2020.DOI：10.27135/d.cnki.ghudu.2020.003341.

作者簡介：鄭俊，男，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信號(hào)處理。江蘅蕪，女，本科。

基金項(xiàng)目：1.教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2022AH051952）項(xiàng)目資助；2.國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （項(xiàng)目編號(hào)62101206）項(xiàng)目資助。橫向項(xiàng)目：黃山學(xué)院橫向項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：hxkt2024089）項(xiàng)目資助。