工業機器人應用趨勢探討與實踐

蘇立國 ，李 濤，Mawin Munsawat

（1.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110169；2.SOMBOON SIASUN TECH CO.，LTD.，Bangkok Thailand 10504）

1 前言

工業機器人也稱作機械臂，最早是用來代替人類的勞動而研發應用的[1]。隨著制造業和工業自動化技術不斷發展，人們對制造業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開始大范圍應用。近年來，國家不斷完善發展智能制造的產業政策，加快推進傳統制造業的智能轉型，鼓勵支持工業企業向智能化方向發展?！丁皺C器人+”應用行動實施方案》[2]提出，“到2025 年，制造業機器人密度較2020 年實現翻番，服務機器人、特種機器人行業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發展”。工業機器人的傳統應用方式，基本都是在固定程序控制下完成點到點的經過示教的固定動作，比如拾取、搬運、涂膠、機械加工等固定軌跡作業，無法擺脫既定程序的控制，去自主探索未知環境下的作業流程。而基于工業4.0 目標的智能制造，則對工業機器人的能力發出了新的挑戰，需要工業機器人從傳統的應用模式發展為智能化的應用模式。

2 智能制造

2.1 智能制造與工業機器人

近年來，工業4.0 概念的提出，引發了制造業制造模式的大討論和大變革，人們的認識由精益生產向智能化生產轉變，隨之而來的“智能制造”成為這個時代的熱詞。根據國家制造強國建設戰略咨詢委員會和中國工程院戰略咨詢中心出版的《智能制造》定義，智能制造是基于物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱[3]。因此，智能制造下的工業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，增強工業機器人對環境的主動適應和擺脫未知環境對其作業的制約[4]。

2.2 我國工業機器人應用現狀

根據相關研究資料表明，目前我國已經成為全球最大的工業機器人應用市場，且市場規模仍處于較快增長的階段[5]。然而，雖然我國工業機器人應用市場巨大，但目前多數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任務。這種現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仍然是一個關鍵的考慮因素。對于大多數的中小企業來說，相對簡單的機器人應用可以解決企業的某些主要問題，并且其投入成本相對較低，企業可以更快地實現投資回報，所以更容易被企業所接受。

2）技術水平。盡管中國在制造業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。許多企業面臨配套技術升級和人才培養的挑戰，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效率，滿足大多數企業當前的生產需求，同時能在短期內實現成本回收。另一方面，對于大多數企業來說，當前的生產模式還沒有展示出對未來發展的制約，因此企業更愿意先投資于這些低端應用。

2.3 智能制造時代工業機器人應用趨勢

在當前全球產業鏈和國際分工重構的發展趨勢下，通過智能制造提高制造業水平、推動產業升級和提高企業競爭力已經是新時代企業發展的必然途徑。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機器人發展的必然趨勢。

1）技術創新推動。我國一直在致力于技術創新，尤其在人工智能、大數據、機器學習等領域。這種技術進步為工業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環境。

2）政府政策引導。我國政府一直在支持智能制造和工業機器人的發展。通過一系列政策引導和激勵措施，政府鼓勵企業投資于智能化技術，提高產業化水平，增強制造業實力，鼓勵企業由“制造”向“智造”轉變。

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，企業對提高生產效率和增加工業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勢。

4）產業升級需求。中國制造業正在經歷從傳統制造向智能制造的升級過程，整個制造業的設計、生產、售后、管理和服務模式都在發生變化。這意味著企業需要更靈活、更智能的生產方式，因此推動了對工業機器人智能化應用的需求。

5）國際競爭需要。中國企業在國際市場上越來越活躍，而國際客戶已經不再單純的滿足于傳統生產模式和服務模式，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機器人發展的主流方向。這對于提高制造業水平、推動產業升級和提高全球競爭力都具有積極的影響。

3 基于智能制造的工業機器人應用實踐

3.1 企業設備智能化應用的規劃原則

企業發展的根本目的是盈利，而智能制造是讓企業在新發展時代實現盈利的途徑。各個企業的基本情況和發展目標不同，因此智能制造在各個企業的實踐方式也是不相同的，每個企業需要根據自身的發展模式去建設符合自身的智能制造系統。但是，在企業盈利目標一致的前提下，所有企業的智能制造發展根本要求是一致的，即以降低生產成本、提高生產效率和重塑管理方式為智能制造發展的核心價值[6]。

1）降低生產成本。通過引入自動化、數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。還可以通過實時監控和優化生產過程，降低能源消耗和原材料浪費，進一步降低總體生產成本。

2）提高生產效率。通過先進的技術和設備，如物聯網、人工智能、5G、云端和大數據分析，可以實現生產過程的實時監控和快速響應，這有助于減少生產中的錯誤和停工時間，提高設備利用率，從而增加生產效率。通過實時數據分析，生產計劃和調度也可以更加精準，確保生產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。傳統的管理方式可能無法充分發揮智能制造的優勢，因此需要重新思考和調整管理模式。智能制造可以推動企業實現數字化管理，通過數據驅動的決策，提高管理的科學性和靈活性。

3.2 工業機器人智能化實踐背景

隨著汽車工業的迅速發展，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濟工業區的某車軸加工企業獲取的訂單在逐漸增多，但是這些訂單來自于不同的車企，訂單的產品規格、數量、交付周期等不盡相同，因此新的生產需求需要該企業改變以往的傳統人工主導生產模式，來滿足不斷增長的訂單及生產任務的需求?；诖?，該企業計劃試點增加一臺工業機器人及管理系統，用來解決主要的瓶頸問題。

1）建立一套管理系統，改變傳統的“傳紙條”式的信息傳遞方式。該企業傳統生產模式下，是通過人工填寫生產任務單、記錄生產數據等紙質表格的方式完成所有數據的傳遞與反饋，該方式效率低、容易出錯，不能滿足目前的生產任務要求。

2）增加一套工業機器人系統，實現無序狀態零部件的自動上料。該企業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。傳統生產模式下，工人通過料筐中的表格來確認產品型號，并人工手動搬運零部件實現上料，勞動強度大，容易出現錯誤，特別是在大產量的生產任務時，往往需要24 小時連續作業，該工位嚴重制約整條產線的生產效率。

3）該企業生產車間老舊，配套的硬件設施比較陳舊，生產人員隊伍能力素質不足。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劃方案中。

3.3 實踐與分析

（1）整體方案規劃 根據客戶生產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機器人，實現對工人的“完整代替”。因為產品在料筐中的無序狀態，為了實現機器人對工件的自動識別、自動抓取，為機器人配置了數據管理系統和“眼睛系統”-3D智能相機，用來引導機器人主動識別工件狀態，而3D 相機的智能軟件系統可以主動的規劃機器人的移動路徑，實現最短路徑搬運，同時規避機器人與料筐的碰壁風險。工件在料筐中的狀態及智能相機如圖1 所示。

圖1 工件在料筐中的狀態及智能相機

在控制管理系統方面，根據客戶整個車間設備應用狀態和生產活動的管理需求，重新為客戶搭建了整套智能管理系統，涵蓋了銷售、設計、生產、倉儲和運輸等全部流程環節，以及產線、倉儲、轉運等全部設備控制，實現了全部設備各個環節的聯通?？刂乒芾硐到y結構圖如圖2 所示。

由于控制管理系統涵蓋了收集并處理整個車間產生的全部數據，因此該系統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據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，因此傳統的數據傳輸與計算方式無法滿足該管理系統的需求。而經過現場測試，客戶工廠區域已經實現了5G 網絡的覆蓋，所以該項目中通過與泰國當地通信運營商的合作，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據傳輸和數據計算的問題。而通過該種租賃方式，也避免了初期通信光纜和傳統服務器軟硬件巨大投資可能給企業帶來的困難。

（2）基于智能相機的工業機器人應用系統 為了實現機器人對外在環境變化的感知與適應，達到無序狀態下零部件的主動識別、主動抓取和主動搬運，該工業機器人搭配了Mech-Mind 3D Laser L 智能相機系統，使機器人擺脫了外界環境的束縛，實現了智能化。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，形成高精度的3D點云數據，從而實現對工件狀態的實時監控和數據獲取。在項目初期調試階段，智能相機軟件系統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，對不同狀態的工件圖片進行分類識別，完成工件模型識別訓練，使智能系統達到穩定的、高效的工作狀態。

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

圖4 機器人系統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完成工件的抓取，特別是靠近料筐邊緣的工件，一側是工件，另一側是料筐壁，所以很容易導致機器人與料筐壁發生碰撞，因此機器人在完成作業路徑規劃后，根據料筐模型的位置參數，可以在虛擬仿真軟件環境下做移動路徑軌跡的仿真計算，確保機器人自動規劃的抓取姿態和軌跡路徑是絕對安全可靠的。機器人抓取姿態和路徑軌跡的仿真計算如圖5 所示。

圖5 機器人抓取姿態和路徑軌跡的仿真計算

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

（3）基于5G 通信和云端計算的數據傳輸和處理系統工業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將這些信息轉換成數字信號，機器人通過對這些數字信號的解讀來實現對物理對象的監控和外在環境的感知，所以整個系統的數據傳輸能力和數據處理能力決定了該系統的智能化水平。本項目案例采用了5G 的數據傳輸方式和華為云端服務器的數據處理方式，具體邏輯架構如圖6 所示。

圖6 數據傳輸與處理系統邏輯圖

機器人系統和智能相機系統將收集到的大量的數據通過5G 網絡時時傳遞到工廠SAP 云端服務器，經現場測試，5G 網絡提供超過100Mb/s 的上行速率，保證了高清圖像和機器人動態數據的無差錯傳輸，數據傳遞過程零數據丟失和零宕機，保證數據的實時傳遞和穩定傳輸，特別是數據自動加密和數據自動備份，使整個數據系統更加安全可靠。云端服務器在收到數據信息后，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動態運行數據，可以反之監測機器人的運行狀態，提供預測性維護和避免突發性故障，從而提高機器人系統的工作效率和保證產品質量。

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、儲存甚至網絡等數據信息整合起來形成動態共享信息資源池，從而幫助管理層實現正確決策和市場迅速響應。

3.4 實踐效果

該項目的成功規劃和實施，不但解決了客戶的生產瓶頸問題，還在客戶有限的成本投入內完成了工廠產業化升級，幫助客戶提前轉變了生產管理模式。

1）完成了工業機器人的智能化應用，3D 視覺系統和智能軟件系統使傳統工業機器人變得更加“聰明”，可以主動識別多種型號產品并完成在任意姿態下的智能拾取與自主規劃路徑的智能搬運，實現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效率和企業管理效率；另一方面與傳統生產管理模式相比，客戶以長期租賃的方式獲得專業的穩定的數據系統，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，同時享有更加裝業團隊的維護與培訓服務，間接的降低了企業運營成本，增強了產品在市場上的競爭力。

4 結束語

隨著全球制造業的快速發展，工業機器人技術已經得到了廣泛的應用和開發，當今面對智能制造的發展要求，機器人很難再單純的依靠傳統應用模式來實現價值最大化，因此工業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、大數據、5G 和云計算等新科技的快速發展為工業機器人的智能化應用提供了可靠支持，能夠幫助企業在傳統工業機器人基礎上實現更大的提升生產效率和優化管理系統，使企業主動地占據有利的競爭位置和具備更大的競爭優勢。