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導讀

工業(yè)機器人的普遍應用促進了制造業(yè)的快速發(fā)展，然而隨著制造業(yè)走向智能制造，工業(yè)機器人的傳統(tǒng)應用方式已經(jīng)無法滿足智能制造的自感知、柔性化、高速度、定制化的核心要求。本文從智能制造的需求模式出發(fā)，分析了工業(yè)機器人在智能制造時代的應用趨勢，并以在泰國某汽車零部件制造業(yè)企業(yè)的工業(yè)機器人智能化應用為例，詳細介紹了工業(yè)機器人智能化應用的方法和效果，為智能制造時代工業(yè)機器人的智能化應用提供參考。

01前言

工業(yè)機器人也稱作機械臂，最早是用來代替人類的勞動而研發(fā)應用的。隨著制造業(yè)和工業(yè)自動化技術不斷發(fā)展，人們對制造業(yè)效率和人機工程等逐漸具有越來越高的要求，因此機器人在制造業(yè)開始大范圍應用。近年來，國家不斷完善發(fā)展智能制造的產(chǎn)業(yè)政策，加快推進傳統(tǒng)制造業(yè)的智能轉(zhuǎn)型，鼓勵支持工業(yè)企業(yè)向智能化方向發(fā)展?！?ldquo;機器人+”應用行動實施方案》提出，“到2025年，制造業(yè)機器人密度較2020年實現(xiàn)翻番，服務機器人、特種機器人行業(yè)應用深度和廣度顯著提升，聚焦10大應用重點領域，突破100種以上機器人創(chuàng)新應用技術及解決方案，推廣200個以上具有較高技術水平、創(chuàng)新應用模式和顯著應用成效的機器人典型應用場景，全方位支持機器人行業(yè)發(fā)展”。工業(yè)機器人的傳統(tǒng)應用方式，基本都是在固定程序控制下完成點到點的經(jīng)過示教的固定動作，比如拾取、搬運、涂膠、機械加工等固定軌跡作業(yè)，無法擺脫既定程序的控制，去自主探索未知環(huán)境下的作業(yè)流程。而基于工業(yè)4.0目標的智能制造，則對工業(yè)機器人的能力發(fā)出了新的挑戰(zhàn)，需要工業(yè)機器人從傳統(tǒng)的應用模式發(fā)展為智能化的應用模式。

02智能制造

2.1 智能制造與工業(yè)機器人

近年來，工業(yè)4.0概念的提出，引發(fā)了制造業(yè)制造模式的大討論和大變革，人們的認識由精益生產(chǎn)向智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，隨之而來的“智能制造”成為這個時代的熱詞。根據(jù)國家制造強國建設戰(zhàn)略咨詢委員會和中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心出版的《智能制造》定義，智能制造是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術，貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱 。因此，智能制造下的工業(yè)機器人應用過程需要達到自感知、柔性化、高速度、定制化的核心要求，通過傳感器技術及智能化的運算控制技術，使得機器人具備主動獲取外界信息并主動分析、運動控制的能力，增強工業(yè)機器人對環(huán)境的主動適應和擺脫未知環(huán)境對其作業(yè)的制約。

2.2 我國工業(yè)機器人應用現(xiàn)狀

根據(jù)相關研究資料表明，目前我國已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機器人應用市場，且市場規(guī)模仍處于較快增長的階段。然而，雖然我國工業(yè)機器人應用市場巨大，但目前多數(shù)應用還停留在低端的基本階段，主要是替代人力的簡單機械操作，完成簡單的點到點的基本作業(yè)任務。這種現(xiàn)象主要受到以下幾個因素的影響：

1）成本考慮。初始投資成本對于許多中國企業(yè)仍然是一個關鍵的考慮因素。對于大多數(shù)的中小企業(yè)來說，相對簡單的機器人應用可以解決企業(yè)的某些主要問題，并且其投入成本相對較低，企業(yè)可以更快地實現(xiàn)投資回報，所以更容易被企業(yè)所接受。

2）技術水平。盡管中國在制造業(yè)方面取得了巨大的進步，但在高端智能制造和機器人技術方面與世界先進國家仍有差距。許多企業(yè)面臨配套技術升級和人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)，導致在智能化應用上進展較慢。

3）市場需求。目前市場上對于簡單機械化應用的需求仍然較大，因為這些應用可以快速提高生產(chǎn)效率，滿足大多數(shù)企業(yè)當前的生產(chǎn)需求，同時能在短期內(nèi)實現(xiàn)成本回收。另一方面，對于大多數(shù)企業(yè)來說，當前的生產(chǎn)模式還沒有展示出對未來發(fā)展的制約，因此企業(yè)更愿意先投資于這些低端應用。

2.3 智能制造時代工業(yè)機器人應用趨勢

在當前全球產(chǎn)業(yè)鏈和國際分工重構(gòu)的發(fā)展趨勢下，通過智能制造提高制造業(yè)水平、推動產(chǎn)業(yè)升級和提高企業(yè)競爭力已經(jīng)是新時代企業(yè)發(fā)展的必然途徑。隨著技術水平的提升和市場需求的不斷演變，智能化應用將成為我國工業(yè)機器人發(fā)展的必然趨勢。

1）技術創(chuàng)新推動。我國一直在致力于技術創(chuàng)新，尤其在人工智能、大數(shù)據(jù)、機器學習等領域。這種技術進步為工業(yè)機器人提供了更多的智能化和自主性，使其能夠適應更為復雜和變化多樣的生產(chǎn)環(huán)境。

2）政府政策引導。我國政府一直在支持智能制造和工業(yè)機器人的發(fā)展。通過一系列政策引導和激勵措施，政府鼓勵企業(yè)投資于智能化技術，提高產(chǎn)業(yè)化水平，增強制造業(yè)實力，鼓勵企業(yè)由“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變。

3）市場需求變化。隨著市場競爭的加劇和勞動力成本的不斷提高，企業(yè)對提高生產(chǎn)效率和增加工業(yè)機器人利用率的需求也在增加。智能化應用能夠更好地滿足這些需求，從而在市場上獲得競爭優(yōu)勢。

4）產(chǎn)業(yè)升級需求。中國制造業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)制造向智能制造的升級過程，整個制造業(yè)的設計、生產(chǎn)、售后、管理和服務模式都在發(fā)生變化。這意味著企業(yè)需要更靈活、更智能的生產(chǎn)方式，因此推動了對工業(yè)機器人智能化應用的需求。

5）國際競爭需要。中國企業(yè)在國際市場上越來越活躍，而國際客戶已經(jīng)不再單純的滿足于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和服務模式，所以為了在全球競爭中保持競爭力，必須加大對智能化技術的研究與應用。

綜合來看，雖然目前我國工業(yè)機器人主要應用于低端的基本服務，但是隨著智能制造時代的到來，智能化應用將逐漸成為中國工業(yè)機器人發(fā)展的主流方向。這對于提高制造業(yè)水平、推動產(chǎn)業(yè)升級和提高全球競爭力都具有積極的影響。

03基于智能制造的工業(yè)機器人應用實踐

3.1 企業(yè)設備智能化應用的規(guī)劃原則

企業(yè)發(fā)展的根本目的是盈利，而智能制造是讓企業(yè)在新發(fā)展時代實現(xiàn)盈利的途徑。各個企業(yè)的基本情況和發(fā)展目標不同，因此智能制造在各個企業(yè)的實踐方式也是不相同的，每個企業(yè)需要根據(jù)自身的發(fā)展模式去建設符合自身的智能制造系統(tǒng)。但是，在企業(yè)盈利目標一致的前提下，所有企業(yè)的智能制造發(fā)展根本要求是一致的，即以降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和重塑管理方式為智能制造發(fā)展的核心價值。

1）降低生產(chǎn)成本。通過引入自動化、數(shù)字化和智能化技術和裝備，可以降低人力成本、減少資源浪費，提高資源利用效率。還可以通過實時監(jiān)控和優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低能源消耗和原材料浪費，進一步降低總體生產(chǎn)成本。

2）提高生產(chǎn)效率。通過先進的技術和設備，如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、云端和大數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和快速響應，這有助于減少生產(chǎn)中的錯誤和停工時間，提高設備利用率，從而增加生產(chǎn)效率。通過實時數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)計劃和調(diào)度也可以更加精準，確保生產(chǎn)能夠及時響應訂單需求，提高交貨速度。

3）重塑管理方式。智能制造不僅是技術的應用，還需要相應的管理體系來支持。傳統(tǒng)的管理方式可能無法充分發(fā)揮智能制造的優(yōu)勢，因此需要重新思考和調(diào)整管理模式。智能制造可以推動企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化管理，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，提高管理的科學性和靈活性。

3.2 工業(yè)機器人智能化實踐背景

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是新能源汽車開始登陸泰國，位于泰國羅勇府東海岸經(jīng)濟工業(yè)區(qū)的某車軸加工企業(yè)獲取的訂單在逐漸增多，但是這些訂單來自于不同的車企，訂單的產(chǎn)品規(guī)格、數(shù)量、交付周期等不盡相同，因此新的生產(chǎn)需求需要該企業(yè)改變以往的傳統(tǒng)人工主導生產(chǎn)模式，來滿足不斷增長的訂單及生產(chǎn)任務的需求。基于此，該企業(yè)計劃試點增加一臺工業(yè)機器人及管理系統(tǒng)，用來解決主要的瓶頸問題。

1）建立一套管理系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的“傳紙條”式的信息傳遞方式。該企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，是通過人工填寫生產(chǎn)任務單、記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)等紙質(zhì)表格的方式完成所有數(shù)據(jù)的傳遞與反饋，該方式效率低、容易出錯，不能滿足目前的生產(chǎn)任務要求。

2）增加一套工業(yè)機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)無序狀態(tài)零部件的自動上料。該企業(yè)零部件原材料是無序的堆疊在料筐里面，而且型號種類繁多。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，工人通過料筐中的表格來確認產(chǎn)品型號，并人工手動搬運零部件實現(xiàn)上料，勞動強度大，容易出現(xiàn)錯誤，特別是在大產(chǎn)量的生產(chǎn)任務時，往往需要 24 小時連續(xù)作業(yè)，該工位嚴重制約整條產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

3）該企業(yè)生產(chǎn)車間老舊，配套的硬件設施比較陳舊，生產(chǎn)人員隊伍能力素質(zhì)不足。因此配套基礎設施的建設投入和維護人才隊伍的建設投入也需要充分考慮在整個規(guī)劃方案中。

3.3 實踐與分析

（1）整體方案規(guī)劃 根據(jù)客戶生產(chǎn)的根本需求和智能制造的核心價值，在車間車軸機加線端部設置一臺工業(yè)機器人，實現(xiàn)對工人的“完整代替”。因為產(chǎn)品在料筐中的無序狀態(tài)，為了實現(xiàn)機器人對工件的自動識別、自動抓取，為機器人配置了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和“眼睛系統(tǒng)”——3D智能相機，用來引導機器人主動識別工件狀態(tài)，而 3D 相機的智能軟件系統(tǒng)可以主動的規(guī)劃機器人的移動路徑，實現(xiàn)最短路徑搬運，同時規(guī)避機器人與料筐的碰壁風險。工件在料筐中的狀態(tài)及智能相機如圖1所示。

圖1 工件在料框中的狀態(tài)及智能相機

在控制管理系統(tǒng)方面，根據(jù)客戶整個車間設備應用狀態(tài)和生產(chǎn)活動的管理需求，重新為客戶搭建了整套智能管理系統(tǒng)，涵蓋了銷售、設計、生產(chǎn)、倉儲和運輸?shù)热苛鞒汰h(huán)節(jié)，以及產(chǎn)線、倉儲、轉(zhuǎn)運等全部設備控制，實現(xiàn)了全部設備各個環(huán)節(jié)的聯(lián)通?？刂乒芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于控制管理系統(tǒng)涵蓋了收集并處理整個車間產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)，因此該系統(tǒng)需要更高的傳輸能力和計算能力?？蛻衾吓f工廠的通信電纜不足以支撐大量數(shù)據(jù)的傳輸能力和傳輸速度，而客戶的投入預算也不足以支持新的大型服務器和光纖電纜的硬件投資，因此傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與計算方式無法滿足該管理系統(tǒng)的需求。而經(jīng)過現(xiàn)場測試，客戶工廠區(qū)域已經(jīng)實現(xiàn)了 5G 網(wǎng)絡的覆蓋，所以該項目中通過與泰國當?shù)赝ㄐ胚\營商的合作，采用了 5G通信技術，大型計算服務器采用長期租賃的方式共享華為的云端服務器，通過設置 5G+ 云計算的方式解決了大量數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)計算的問題。而通過該種租賃方式，也避免了初期通信光纜和傳統(tǒng)服務器軟硬件巨大投資可能給企業(yè)帶來的困難。

（2）基于智能相機的工業(yè)機器人應用系統(tǒng) 為了實現(xiàn)機器人對外在環(huán)境變化的感知與適應，達到無序狀態(tài)下零部件的主動識別、主動抓取和主動搬運，該工業(yè)機器人搭配了 Mech-Mind 3D Laser L 智能相機系統(tǒng)，使機器人擺脫了外界環(huán)境的束縛，實現(xiàn)了智能化。工件的 2D圖像和 3D 點云圖像如圖 3 所示。

圖3 工件的 2D 圖像和 3D 點云圖像

首先，3D 智能相機通過激光掃描，獲取料筐中工件的圖片信息，并通過自身的軟件系統(tǒng)，形成高精度的 3D點云數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對工件狀態(tài)的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取。在項目初期調(diào)試階段，智能相機軟件系統(tǒng)會主動收集大量的圖片信息并通過深度學習標注訓練工具軟件系統(tǒng)，對不同狀態(tài)的工件圖片進行分類識別，完成工件模型識別訓練，使智能系統(tǒng)達到穩(wěn)定的、高效的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)在獲得工件狀態(tài)點云圖像后，其軟件計算系統(tǒng)經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)計算，完成物理信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，獲取所有工件姿態(tài)、位姿矯正和選取抓取點等數(shù)據(jù)信息，該數(shù)據(jù)信息即為該案例的工程參數(shù)。此時根據(jù)智能相機主控軟件的參數(shù)設置，系統(tǒng)會自主的編寫機器人邏輯控制程序，根據(jù)點云圖像判斷工件的堆疊層級，規(guī)劃工件抓取順序，并在虛擬仿真環(huán)境下生成機器人運動路徑軌跡，至此機器人系統(tǒng)完成了主動獲取外界環(huán)境參數(shù)并主動規(guī)劃作業(yè)任務的能力。機器人系統(tǒng)自動生成的路徑軌跡如圖4所示。

圖4 機器人系統(tǒng)自動生成的路徑軌跡

因為工件處于“深坑”式的料筐中，所以機器人在抓取過程中，需要尋找一個合適的姿態(tài)完成工件的抓取，特別是靠近料筐邊緣的工件，一側(cè)是工件，另一側(cè)是料筐壁，所以很容易導致機器人與料筐壁發(fā)生碰撞，因此機器人在完成作業(yè)路徑規(guī)劃后，根據(jù)料筐模型的位置參數(shù)，可以在虛擬仿真軟件環(huán)境下做移動路徑軌跡的仿真計算，確保機器人自動規(guī)劃的抓取姿態(tài)和軌跡路徑是絕對安全可靠的。機器人抓取姿態(tài)和路徑軌跡的仿真計算如圖5所示。

圖5 機器人抓取姿態(tài)和路徑軌跡的仿真計算

3D智能相機的應用，使傳統(tǒng)工業(yè)機器人實現(xiàn)了智能制造自感知和高柔性的核心要求，但是這只是執(zhí)行層面的提升，而管理層面和計算層面的問題，還需要先進的信息系統(tǒng)和計算系統(tǒng)來支撐。

（3）基于5G通信和云端計算的數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)工業(yè)機器人的智能化應用過程中，設置了大量的傳感器來收集物理對象的信息，并通過信息物理系統(tǒng)將這些信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，機器人通過對這些數(shù)字信號的解讀來實現(xiàn)對物理對象的監(jiān)控和外在環(huán)境的感知，所以整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)處理能力決定了該系統(tǒng)的智能化水平。本項目案例采用了5G的數(shù)據(jù)傳輸方式和華為云端服務器的數(shù)據(jù)處理方式，具體邏輯架構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)邏輯圖

機器人系統(tǒng)和智能相機系統(tǒng)將收集到的大量的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡時時傳遞到工廠SAP云端服務器，經(jīng)現(xiàn)場測試，5G網(wǎng)絡提供超過100Mb/s的上行速率，保證了高清圖像和機器人動態(tài)數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，數(shù)據(jù)傳遞過程零數(shù)據(jù)丟失和零宕機，保證數(shù)據(jù)的實時傳遞和穩(wěn)定傳輸，特別是數(shù)據(jù)自動加密和數(shù)據(jù)自動備份，使整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)更加安全可靠。云端服務器在收到數(shù)據(jù)信息后，能夠快速解析、處理與存儲，并通過5G將命令信息反饋給機器人執(zhí)行端控制器，使機器人能夠快速、準確地移動，高效的完成生產(chǎn)任務。另一方面，云端服務器通過分析獲取的關于機器人系統(tǒng)動態(tài)運行數(shù)據(jù)，可以反之監(jiān)測機器人的運行狀態(tài)，提供預測性維護和避免突發(fā)性故障，從而提高機器人系統(tǒng)的工作效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

在工廠管理層面，通過云端服務器的應用，客戶可以利用共享的軟硬件資源靈活的調(diào)用云端信息，云端服務器可以有效地將銷售、制造、儲存甚至網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)信息整合起來形成動態(tài)共享信息資源池，從而幫助管理層實現(xiàn)正確決策和市場迅速響應。

3.4 實踐效果

該項目的成功規(guī)劃和實施，不但解決了客戶的生產(chǎn)瓶頸問題，還在客戶有限的成本投入內(nèi)完成了工廠產(chǎn)業(yè)化升級，幫助客戶提前轉(zhuǎn)變了生產(chǎn)管理模式。

1）完成了工業(yè)機器人的智能化應用，3D視覺系統(tǒng)和智能軟件系統(tǒng)使傳統(tǒng)工業(yè)機器人變得更加“聰明”，可以主動識別多種型號產(chǎn)品并完成在任意姿態(tài)下的智能拾取與自主規(guī)劃路徑的智能搬運，實現(xiàn)了智能制造的自感知、高柔性的核心要求，真正做到了完全替代工人，而且遠遠高于工人的工作效率。

2）5G通信技術與云端服務器的應用，一方面極大地提高了設備生產(chǎn)效率和企業(yè)管理效率；另一方面與傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式相比，客戶以長期租賃的方式獲得專業(yè)的穩(wěn)定的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并且隨時享受迭代升級的服務，也減少了維護人員的投入成本，同時享有更加裝業(yè)團隊的維護與培訓服務，間接的降低了企業(yè)運營成本，增強了產(chǎn)品在市場上的競爭力。

04結(jié)束語

隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人技術已經(jīng)得到了廣泛的應用和開發(fā)，當今面對智能制造的發(fā)展要求，機器人很難再單純的依靠傳統(tǒng)應用模式來實現(xiàn)價值最大化，因此工業(yè)機器人的智能化應用是智能制造時代必然選擇。3D視覺技術、信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、5G和云計算等新科技的快速發(fā)展為工業(yè)機器人的智能化應用提供了可靠支持，能夠幫助企業(yè)在傳統(tǒng)工業(yè)機器人基礎上實現(xiàn)更大的提升生產(chǎn)效率和優(yōu)化管理系統(tǒng)，使企業(yè)主動地占據(jù)有利的競爭位置和具備更大的競爭優(yōu)勢。