工業機器人技術在智能制造中的應用與發展

智能制造是一種集成信息技術和機器人自動化的先進制造模式，可提高制造業的生產力、改進產品質量、提升生產的可持續性。機器人技術在智能制造中的應用，標志著生產力的一次質的飛躍，使得制造過程更加精準、靈活、高效。為評估當前機器人技術在智能制造中的實際與潛在應用，需探討工業機器人在智能制造領域的應用策略，以期能夠為工業領域發展創新提供指導，幫助其優化生產配置，實現技術創新，同時促進經濟效益與技術進步的雙贏。

一、工業機器人技術在智能制造領域中的定位

工業機器人技術在智能制造領域的定位至關重要，是推動工業自動化和信息化發展的關鍵力量。在智能制造的背景下，工業機器人一般由3個部分、6個子系統組成（如圖1所示），具有高度的靈活性和可編程性特征，能夠完成復雜、危險或者高重復性任務，從而提高生產效率和質量，減少人為錯誤，并降低生產成本。隨著技術的不斷進步，工業機器人已經從簡單的自動化機械手臂發展到可以執行精細操作的高智能設備。通過傳感器和視覺系統，機器人即可感知周圍環境；基于人工智能算法優化作業程序，確保機器人能夠高效、自主地完成更加復雜的操作任務，并能更好地與人類工作人員協作，實現人機共融的工作環境。同時，工業機器人在智能制造領域的應用，有利于推動生產模式的轉變。從傳統的批量生產轉向個性化和定制化生產，工業機器人可提供靈活的生產線調整能力，使得生產更加靈活，從而能夠及時響應市場需求的變化，滿足消費市場的多樣化需求，進而提高制造業的競爭力。現如今，制造業競爭日益激烈，推廣利用工業機器人技術，有利于提高企業的市場競爭力。通過持續的技術創新和應用拓展，工業機器人將推動智能制造向更高層次的自動化和智能化發展，預示著未來制造業發展的新方向[]。

二、工業機器人關鍵技術

（一）智能控制與決策技術

智能控制與決策技術是工業機器人的核心技術之一，在沒有人工干預的情況下，機器人依然具備自主作業的能力。技術基于復雜的算法和模型，如機器學習、人工神經網絡、模糊邏輯等，能夠模擬并優化人類的決策過程。機器人利用智能控制與決策技術，可實時收集和分析來自各種傳感器和數據源的信息，自動識別問題、評估多種可能的解決方案，并做出最優的決策，從而提升生產線的響應速度，增強機器人應對復雜和多變的生產情況的能力。同時，智能控制技術使機器人在生產過程中能夠動態調整其行為和任務執行策略，實現生產過程的最優化，保證生產質量和效率，同時還可減少能源消耗和材料浪費，推動生產過程向更加綠色和可持續的方向發展。

（二）傳感與感知技術

傳感與感知技術使機器人能夠感知并理解其周圍的環境。利用位置傳感器、力和扭矩傳感器、視覺傳感器等在內的多種傳感器，機器人能夠精確地掌握自身及周圍物體的位置和狀態，從而執行精密操作或有效地進行避障。隨著傳感技術的不斷進步和發展，現代傳感器能夠捕捉到更微小的環境變化，從而提升機器人對其操作環境的適應性和反應能力。同時，感知技術的持續進步，有利于增強機器人操作的精度和安全性，使其能夠處理更加復雜的任務，并執行多任務操作。機器人可對收集到的傳感數據進行高級的處理和分析，即可準確解讀環境信息，提高其自主性和效率[2]。因此，機器人在智能制造中的作用變得更加關鍵，能夠自主地適應并優化生產流程，推動制造過程的智能化和自動化。

（三）人機協作與安全技術

利用人機協作技術，機器人能夠與人類工作人員在同一工作環境中安全有效地協同操作。機器人安全性能高，可適應復雜的工業環境，同時，其能夠實時感知人類工作人員的存在，在必要時，可執行避讓或緊急停機操作以預防潛在事故。例如，高級視覺和聲音傳感器可以監測工作區域內的動態變化，當人類工作人員意外進入機器人的操作區域時，傳感器能夠實時識別并觸發安全協議，如減速或完全停機，從而保護人員安全。此外，實施人機協作技術，要求機器人的操作界面必須友好，如使用直觀的圖形用戶界面（GUI）、大屏幕觸控功能，以及能夠提供即時反饋的系統，確保操作的直觀性和便捷性，以便工作人員可以不經過復雜培訓即可輕松進行指令輸入、監控和調整等操作。人機協作技術的應用可顯著提高機器人和工人之間的互動質量。通過高級的集成化設計，能夠提升整個生產流程的效率和安全性。在此技術的輔助下，工人可以更專注于需要高級技能和創造力的任務，而將重復性或危險性高的任務留給機器人，從而優化人力資源的使用，推動生產環境向更高效、更安全的方向發展。

（四）數據分析與智能優化技術

在智能制造系統中，數據分析與智能優化技術發揮著核心作用。通過深度分析和智能算法優化生產過程，可顯著提升生產效率和產品質量。機器人通過集成的傳感器和數據采集設備不斷收集機器運行狀態、產品質量，以及生產環境的詳盡數據。機器人利用這些數據，能夠深入地分析識別生產過程中存在的瓶頸和效率低下的環節。利用高級統計方法和機器學習算法，系統即可自動調整生產參數，以適應變化的生產需求，預測潛在的生產問題并及時調整，避免生產延誤或質量下降。此外，智能優化技術通過算法優化資源配置，并自動化調整生產流程，實現成本效益的最大化，保證產品質量，提升生產靈活性，增強企業對市場動態的快速響應能力，從而保持企業在競爭中的領先地位[3]。

（五）機器視覺與圖像處理技術

機器視覺與圖像處理技術賦予機器人以“視覺”，使其能夠“看見”并“理解”其視野中的對象。這項技術包括圖像的捕捉、處理和解析，涉及多個層面的技術實現，如高分辨率攝像頭、實時圖像傳輸、圖像增強、特征提取和對象識別等。通過這些技術，機器人能夠執行質量檢查、物體識別、空間定位和復雜的視覺導向操作等多種任務。通過利用高級的圖像處理算法，使機器人能夠在多變和復雜的視覺環境中工作，例如，在不同光照條件下或在視野中，當存在遮擋時，依然能準確識別目標物體。機器人可以通過分析捕獲的圖像中的形狀、尺寸、顏色和表面紋理等特征，以實現對工件質量的精確評估或對生產元件的準確操控。此外，機器視覺系統也被用于自動化裝配線，幫助機器人進行精確的部件裝配和錯誤校正。另外，隨著深度學習技術的發展，機器視覺系統能夠學習和模擬人類的視覺識別過程，提升識別的準確性，使得機器人能夠更好地適應生產線上的變化和未知情況，提升機器人操作的靈活性和自主性，使其在無需人工干預的情況下，能夠完成更加復雜和精細的操作任務。

三、工業機器人在智能制造中的應用

（一）自動化生產與柔性制造

在自動化生產線上，搬運、裝配、加工、包裝等工作較為煩瑣，人工操作強度大，操作精度的影響因素比較多，導致生產效率偏低。通過利用工業機器人，可持續工作，穩定且高效，提升生產效率，減少人為錯誤發生率。另外，機器人操作的重復性和精度比較高，因此，所生產的產品質量穩定、一致性更好，可提升整個生產過程的穩定性以及可靠性。傳統生產線大多是為大規模標準化生產設計，然而，當前市場的需求越來越個性化、多樣化，因此，剛性設置的生產線已很難滿足實際需求，而工業機器人可輕松應對，通過利用高度靈活的編程和適配系統，快速調整生產工藝，更換工具配置，改善作業流程，適應小批量、多品種的生產需求。在柔性生產的環境中，工業機器人能根據不同的產品設計和訂單要求，靈活切換生產任務，提高生產線的利用率，縮短生產周期，而且還能夠降低庫存和生產成本。另外，柔性制造要求生產線能根據實時需求調整配置，而工業機器人具有智能控制和自適應能力，使得生產線能迅速響應市場變化，避免資金和資源的浪費。

（二）智能加工與質量檢測

在智能制造的生產過程中，機器人與數控機床的協作至關重要。數控機床加工精度高，工業機器人與數控機床加工配合，可自動完成零件的裝夾、取放以及其他輔助操作。通過智能化的編程和控制系統結合，優化整個生產流程。在加工時，機器人可根據任務需求，實時調整工具的角度、速度、進給量等參數，確保每個工件都能達到嚴格的技術標準。質量檢測是生產過程中不可或缺的環節，聯合應用機器人系統和機器視覺技術，可實現自動化的質量監控。機器視覺通過高分辨率攝像頭和圖像處理算法，能實時掃描產品的表面和內部結構，查找缺陷、尺寸偏差、表面裂紋等質量問題。在智能質量檢測中，在生產過程中需實時反饋。一旦檢測到異常，機器人系統即可自動調整生產參數，或者剔除有缺陷的產品，從源頭上保證產品質量。而且，機器人系統還能與企業的整體生產管理系統連接，收集、傳輸實時數據進行分析，合理預測潛在的質量問題和設備故障，提前做好維護或調整工作[4]。

（三）智能物流與搬運

隨著生產模式不斷升級，制造流程越來越復雜，工業機器人在物流環節的作用也越來越重要。在物料搬運方面，能自動完成原材料、半成品和成品的搬運。對于復雜的生產環境，通過高精度的路徑規劃和智能控制，即可實現自主行駛，快速避開障礙物，而且靈活調整行駛路線，確保物料在各個生產環節之間順利傳輸。在自動分揀時，工業機器人結合先進的視覺識別技術，能快速識別、分類和分揀物料或產品的種類、形態、尺寸。碼垛也是物流中的重要任務，在大宗商品和生產線輸出時，利用工業機器人，可根據物品的大小、重量、形狀等因素，靈活調整碼垛策略。另外，可按照預設程序對物品精確排列和分類，充分利用倉庫空間，降低倉儲成本。在碼垛作業時，機器人智能傳感器可實時監測堆垛狀態，防止因為操作不當讓物品損壞或掉落。工業機器人還能與自動化倉庫管理系統（WMS）、企業資源計劃系統（ERP）無縫連接，實時獲取物料需求和庫存狀態，智能化調度物料的存取任務，減少人工干預。

（四）協作機器人與智能決策

近年來，協作機器人成為智能制造領域的熱門趨勢，可與人工操作員在同一工作空間安全協同工作。協作機器人靈活性和自適應能力強，能根據工作環境和任務的變化快速調整，其內置傳感器、視覺系統，能實時感知周圍環境和操作員的動作，一旦發生接觸，會迅速做出反應，避免對人工操作員構成傷害。協作機器人和人工操作員可協同作業，對于高精度、高重復性的任務，協作機器人可以幫忙完成，使得人工操作員將更多精力放在更有創意或更復雜的工作上，減少人為因素對生產過程的干擾，提高生產線的靈活性和適應性。除了在生產過程中協作，協作機器人還能和其他智能系統深度融合，推動智能決策的實現。集成先進的傳感器和數據采集系統，能實時收集生產過程中的大量數據，包括設備運行狀態、工件信息、操作員動作、環境變化等，為生產調度、質量管理和設備維護等決策提供精準依據。通過大數據分析，機器人能發現生產過程中的潛在問題，提前發出預警并做出調整。物聯網技術讓協作機器人能和其他生產設備、傳感器、監控系統互聯互通，實現設備之間的智能協作，每個環節都能實時共享信息，根據實時數據調整工作策略和生產流程。協作機器人和智能決策系統結合后，生產系統還能不斷優化工藝和流程，根據歷史生產數據和實時反饋，自動調整操作策略、優化生產參數、提高加工精度[]。

四、結束語

綜上所述，智能制造時代，機器人技術的快速發展和廣泛應用，可提升制造業的自動化和智能化水平，促進企業生產效率和經濟效益的提升。機器人技術在智能控制、感知、人機協作、數據優化和視覺處理等方面不斷創新，在智能制造中發揮重要作用。隨著技術的進一步成熟和應用深度的增加，機器人在智能制造領域的重要性將越來越突出。因此，需持續關注機器人技術的最新發展趨勢，并有效整合這些技術創新，推動制造業的未來發展。

作者單位：楊鴻宇煙臺科技學院

參考文獻

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[3]范帥，相茂利，張恩亮.智能制造領域中工業機器人技術的應用[J].張江科技評論，2024，（01）：108-110.

[4]董文龍，梅乾龍，焦盼德.新時期智能制造技術在機械制造工程領域的實踐與應用[J].中國高新科技，2023（23）：69-71.

[5]張華瑾，郭山國，韓俊先，等.工業機器人在智能制造中的應用[J].集成電路應用，2023，40（11）：322-323.