工業(yè)機(jī)器人的智能化將何去何從!
工業(yè)4.0,在中國(guó)這個(gè)世界級(jí)工廠的大地上正如火如荼的進(jìn)行著。與此同時(shí),國(guó)家和地方政府也不遺余力,大力扶持地方企業(yè)進(jìn)行“機(jī)器換人”的無(wú)人化改造。我們都相信,這是一種不可阻擋的科技趨勢(shì),也是一場(chǎng)不可逆的有關(guān)更大更完全解放生產(chǎn)力的革命潮流。
說(shuō)到工業(yè)機(jī)器人,其實(shí)分類(lèi)很多。但就我個(gè)人而言,接觸最多的還是串聯(lián)六軸機(jī)械臂,即俗稱(chēng)的六軸機(jī)器人。因?yàn)樗杂啥榷?,靈活性好,且通用性比較高,所以廣受工業(yè)制造的青睞?,F(xiàn)在的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中,越來(lái)越多的6軸機(jī)器臂出現(xiàn)在不同的工作崗位上,用以代替人類(lèi)從事各種各樣繁重,危險(xiǎn),高負(fù)荷的工作。這些工作曾經(jīng)因?yàn)闀?huì)給工作人員帶來(lái)難以預(yù)估的身體和精神傷害,而廣受詬病,并且隨著中國(guó)老齡化的浪潮的到來(lái),也使企業(yè)主難以招到滿(mǎn)意的員工。而現(xiàn)在,靈活穩(wěn)定的機(jī)械臂的出現(xiàn),剛好解決了這個(gè)問(wèn)題。
在某些行業(yè)領(lǐng)域,6軸機(jī)械臂有廣泛的應(yīng)用,如家電行業(yè),鑄造行業(yè);在某些行業(yè)領(lǐng)域,6軸機(jī)械臂有更廣泛的應(yīng)用,如汽車(chē)行業(yè),電子行業(yè)。在這些擁有高附加值和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線的行業(yè)中,價(jià)格不菲的機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)才能更好的發(fā)揮出來(lái)。
1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾(Devol)制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人,機(jī)器人的歷史真正開(kāi)始?,F(xiàn)如今,半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了,工業(yè)機(jī)器人可謂走過(guò)了一段漫長(zhǎng)的發(fā)展之路。從當(dāng)初的實(shí)驗(yàn)室,到現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)行業(yè),我們可以看到,機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越成熟。但是這種成熟,似乎也非常集中在某些行業(yè),如電子生產(chǎn),汽車(chē)制造等。
為什么這么說(shuō)呢?我們來(lái)看看智能手機(jī)的發(fā)展過(guò)程,從04年出現(xiàn),到現(xiàn)在的非常普及乃至普通,其中有一個(gè)非常重要的事件,就是生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。比如充電器接口,所有安卓智能手機(jī)的充電器接口都一樣。這種設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化,有一個(gè)很明顯的好處,就是給用戶(hù)帶來(lái)了很多方便。出差,忘記帶手機(jī)充電線了,不怕,我們可以很容易在周邊借到一根充電線。標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢(shì),更多的體現(xiàn)在產(chǎn)品的普及過(guò)程,和無(wú)限的可能性發(fā)展。它能讓更多的人參與進(jìn)來(lái),使用,設(shè)計(jì),優(yōu)化。這對(duì)一種產(chǎn)品的成熟至關(guān)重要。
工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展如何呢?發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì),我們看到,它的成熟度和發(fā)展了幾年的手機(jī)相比,實(shí)際上差距還是很大。工業(yè)機(jī)器人有自己的小圈子,本體廠家之間都是明顯的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,他們的保護(hù)壁壘也更加厚實(shí)。他們對(duì)自己的機(jī)器人都十分自信,覺(jué)得它們能完成更多,更精細(xì)的工作。所以與他人合作的意愿就沒(méi)有那么強(qiáng)烈,甚至是不愿意和他人交流。
但是,我們看到工業(yè)機(jī)器人的行業(yè)應(yīng)用還是有限的。機(jī)器人在使用的時(shí)候,也沒(méi)有本體廠家們想象的那么好用。實(shí)際上,它還需要更多的設(shè)計(jì)來(lái)完善功能,增加使用的便利性和靈活性。
進(jìn)過(guò)60年的發(fā)展,到目前為止機(jī)器人的擁有量不到300萬(wàn)臺(tái),而中國(guó)一年的汽車(chē)產(chǎn)量2500萬(wàn)臺(tái)。機(jī)器人作為一種產(chǎn)業(yè)或者產(chǎn)品,它幾乎可以忽略不計(jì)。而原因在于,由于眾多技術(shù)的限制使機(jī)器人只是局限在制造業(yè)很窄的一部分里。盡管如此,機(jī)器人在全球范圍的熱度卻仍在持續(xù)升溫。
實(shí)際上,當(dāng)前就制造業(yè)向“智造業(yè)”的轉(zhuǎn)型發(fā)展已成為共識(shí),廣東近幾年出現(xiàn)的“機(jī)器換人”的大潮更是一個(gè)典型代表。在產(chǎn)品生命周期縮短、消費(fèi)者個(gè)性化需求提高的當(dāng)代,傳統(tǒng)的大規(guī)模流水線工業(yè)已經(jīng)跟不上節(jié)奏——智能手機(jī)的更新?lián)Q代的周期更是已經(jīng)縮短到11個(gè)月,連汽車(chē)等高檔消費(fèi)品的更新周期也減少到了4年,靈活、快速及可以隨時(shí)變化升級(jí)的生產(chǎn)線為工業(yè)機(jī)器人提出了新的要求,也提供了新的機(jī)遇。
個(gè)人感覺(jué),工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用,如果想更上一層樓,需要在以下方面做出改變:
1.本體廠商對(duì)設(shè)備精度和性能的提升,對(duì)傳感設(shè)備的深層研發(fā),并構(gòu)架出閉環(huán)控制系統(tǒng)。
工業(yè)機(jī)器人普遍能達(dá)到低于0.1毫米的運(yùn)動(dòng)精度(指重復(fù)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)精度),抓取重達(dá)一噸的物體,伸展也可達(dá)三四米。這樣的性能雖不一定能輕易完成蘋(píng)果手機(jī)上一些“瘋狂”的加工要求,但對(duì)絕大部分的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),是足以圓滿(mǎn)完成任務(wù)。
隨著機(jī)器人的性能逐漸提升,以前一些不可能的任務(wù)也變得可行起來(lái)(如激光焊接或切割,曾需要專(zhuān)門(mén)的高精度設(shè)備來(lái)指導(dǎo)激光的走向,但隨著機(jī)器人精度的提升,現(xiàn)在也變得可依賴(lài)機(jī)器人本身的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)來(lái)代替了)。
但相比傳統(tǒng)高端設(shè)備,如高精度數(shù)控機(jī)床,激光校準(zhǔn)設(shè)備,或特殊環(huán)境(高溫或特低溫)設(shè)備等,工業(yè)機(jī)器人尚力不能及。
工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)智能化的一個(gè)標(biāo)志,它不僅體現(xiàn)在機(jī)械控制系統(tǒng)的智能編程上,還需要外部傳感設(shè)備支持。為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系,在機(jī)器人上安裝了觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、超聲波傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器,大大改善了機(jī)器人工作狀況,使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品,有些方面還在探索之中,隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善,機(jī)器人的功能越來(lái)越強(qiáng)大,將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟?lèi)做出更大貢獻(xiàn)。
2.本體廠商對(duì)數(shù)據(jù)底層接口的開(kāi)放,本體廠商之間標(biāo)準(zhǔn)化接口和編程語(yǔ)言。
傳統(tǒng)機(jī)器人的工作本質(zhì)就是不斷地走一個(gè)個(gè)的路徑點(diǎn),同時(shí)接收或設(shè)置外圍的I/O信號(hào)(老和其他設(shè)置如夾具,輸送線等合作)。而指導(dǎo)機(jī)器人這么做得過(guò)程,就是機(jī)器人編程。幾乎每一家領(lǐng)先公司都有自家的編程語(yǔ)言和環(huán)境,從而需要機(jī)器人操作者參加學(xué)習(xí)培訓(xùn)。當(dāng)機(jī)器人適用范圍增廣后,這個(gè)成本開(kāi)始顯現(xiàn)了。
這些廠商是有理由維護(hù)自家的編程環(huán)境的,一來(lái)工業(yè)機(jī)器人四十年前就開(kāi)始規(guī)?;隽?,那時(shí)還沒(méi)有什么面向?qū)ο蟮痊F(xiàn)在廣為熟知普遍認(rèn)同的主流先進(jìn)編程理念,二來(lái)萌芽階段自家技術(shù)難免會(huì)和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不同,維護(hù)一個(gè)編程方式也無(wú)可厚非,三來(lái)因?yàn)樗麄兊拇罂蛻?hù)往往也是傳統(tǒng)的工業(yè)大客戶(hù),如大汽車(chē)廠商,這些客戶(hù)求穩(wěn),自然不希望你機(jī)器人過(guò)幾年就趕個(gè)熱潮變換編程方式,搞得他們還得扔掉幾十年的經(jīng)驗(yàn),重新花大錢(qián)培訓(xùn)學(xué)習(xí)。
標(biāo)準(zhǔn)化底層數(shù)據(jù)接口還有另外一個(gè)好處,就是直接給上層的應(yīng)用級(jí)開(kāi)發(fā)帶來(lái)很多方便的地方?,F(xiàn)在,大多數(shù)離線編程公司因?yàn)闆](méi)辦法拿到機(jī)器人底層數(shù)據(jù)接口,無(wú)法直接和機(jī)器人通信,所以程序調(diào)試起來(lái)很麻煩。同時(shí),因?yàn)闆](méi)有底層數(shù)據(jù)接口,離線編程應(yīng)用等開(kāi)發(fā)出來(lái)的功能也十分有限。這給編程人員和整個(gè)機(jī)器人應(yīng)用的廣泛普及都帶來(lái)了很大的苦惱。
3.軟件服務(wù)公司對(duì)機(jī)器人通用功能的完善,對(duì)工藝數(shù)據(jù)的處理。
機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)涉及的問(wèn)題很多.包括多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)學(xué)科。目前工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人離線編程軟件種類(lèi)也很繁多,軟件的性能和功能也參差不齊,各有千秋。舉例來(lái)說(shuō),國(guó)外離線編程軟件發(fā)展較早,工業(yè)應(yīng)用也比較成熟。像Robotmaster,RobotStudio,RobotWork等都是首屈一指的離線軟件大佬,他們?cè)趪?guó)內(nèi)外的行業(yè)應(yīng)用中,都經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件雖然起步較晚,但是因研發(fā)投入較大,重視程度較高,所以進(jìn)步很大,典型的案例就是北京華航唯實(shí)機(jī)器人公司的RobotArt離線編程軟件。其公司技術(shù)背景一是北航機(jī)器人研究所與CAD中心數(shù)十年的航空航天項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),二是數(shù)幾十人的優(yōu)秀研發(fā)團(tuán)隊(duì),再加上背后財(cái)團(tuán)的大力支持,商業(yè)化后短短兩年就發(fā)展成國(guó)內(nèi)離線編程軟件的領(lǐng)導(dǎo)者,一騎絕塵,可謂成績(jī)不俗。。
離線編程技術(shù)是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)之一,但是,就目前的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),軟件需要改進(jìn)的地方還有很多。為推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,也需要多個(gè)方面的研究工作,下面就以大家比較熟悉的國(guó)產(chǎn)離線編程軟件RobotArt為例,來(lái)具體談?wù)勡浖枰倪M(jìn)的地方:
a)多媒體技術(shù)在機(jī)器人離線編程中的研究和應(yīng)用。友好的人機(jī)界面、直觀的圖形顯示及生動(dòng)的語(yǔ)言信息都是離線編程系統(tǒng)所需要的。在這些地方,RobotArt相比較外國(guó)軟件,做的已經(jīng)很好了。當(dāng)然,這個(gè)和它是國(guó)產(chǎn)軟件,有一群了解中國(guó)人軟件使用習(xí)慣的程序猿有很大關(guān)系。良好的人機(jī)交互體驗(yàn)?zāi)軠p少軟件使用者的上手和學(xué)習(xí)難度,同時(shí)也能增加用戶(hù)的使用欲望,幫助設(shè)計(jì)人員更好的工作。
b)多傳感器的融合技術(shù)的建模與仿真。隨著機(jī)器人智能化的提高,傳感器技術(shù)在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越重要。因而需要在離線編程系統(tǒng)中對(duì)多傳感器進(jìn)行建模,實(shí)現(xiàn)多傳感器的通訊,執(zhí)行基于多傳感器的操作。對(duì)于傳感器的支持,據(jù)我所知,RobotArt這方面的研究還比較少,國(guó)外同行做的也不盡如人意。機(jī)器人要想更智能化,傳感器是一個(gè)非常關(guān)鍵的設(shè)備,其相關(guān)技術(shù)還需要大家共同努力,盡早突破。
c)各種規(guī)劃算法的進(jìn)一步研究。其包括路徑規(guī)劃、抓取規(guī)劃和細(xì)微運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等。規(guī)劃一方面要考慮到環(huán)境的復(fù)雜性、運(yùn)動(dòng)性和不確定性,另一方面又要充分注意計(jì)算的復(fù)雜性。我們知道,離線編程仿真軟件,一個(gè)非常重要的功能就是,產(chǎn)線軌跡,軌跡規(guī)劃和軌跡生成。為了減少不必要的成本,提高工作效率,我們使用軟件更多的是出于設(shè)計(jì)方面的考慮。RobotArt軟件可以支持多機(jī)器人的產(chǎn)線規(guī)劃,支持單機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和生成,這大大滿(mǎn)足了我們工程師在設(shè)計(jì)方面的要求。
d)錯(cuò)誤檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)。系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤是難免的.應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以監(jiān)視錯(cuò)誤的發(fā)生,并采用相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)。此外,最好能達(dá)到錯(cuò)誤預(yù)報(bào),以避免不可恢復(fù)動(dòng)作錯(cuò)誤的發(fā)生。RobotArt在程序仿真的時(shí)候,打開(kāi)干涉檢查功能,會(huì)對(duì)軌跡中的錯(cuò)誤做初步檢測(cè)。生成后置程序的時(shí)候,會(huì)對(duì)后置的機(jī)器人數(shù)據(jù)做最后的檢測(cè)過(guò)濾,如果發(fā)現(xiàn)有不符合程序正常運(yùn)行的數(shù)據(jù),會(huì)拒絕生成后置代碼。這樣做的目的是最大程度減少,來(lái)自程序設(shè)計(jì)本身的失誤。這一點(diǎn)需要給RobotArt的設(shè)計(jì)人員點(diǎn)個(gè)贊,做的真的很好。
在解決上述軟件通用功能以后,對(duì)工藝數(shù)據(jù)的整理組織也是一項(xiàng)十分重要的工作。專(zhuān)家?guī)斓慕ⅲ軌虬衍浖幊毯蜋C(jī)器人操作的門(mén)檻降低,讓更多的非專(zhuān)業(yè)工作人員進(jìn)入到智能化產(chǎn)線當(dāng)中。機(jī)器人換人的目的不是讓人失業(yè),而是解放勞動(dòng)力,讓設(shè)計(jì)人員把精力和時(shí)間投入到更有價(jià)值,更有意義的工作中去。隨著全球老齡化的到來(lái),隨著員工的更新?lián)Q代,操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)工藝也面臨傳承不濟(jì)和逐漸流失的風(fēng)險(xiǎn)。如果離線編程軟件能做好工藝數(shù)據(jù)的沉淀和應(yīng)用,也算是功德一件。對(duì)于企業(yè)的自身發(fā)展,也很有幫助。目前,各個(gè)離線編程廠家或多或少都有自己的工藝數(shù)據(jù)包,像RobotStudio等這樣有本體機(jī)器人做依托的離線廠家,工藝數(shù)據(jù)自然豐富強(qiáng)大一些,沒(méi)有本體依托的軟件廠家,也在做相關(guān)方面的研究。RobotArt在東莞也建立起了自己的科學(xué)試驗(yàn)站,和多家國(guó)內(nèi)本體廠商合作,專(zhuān)門(mén)從事打磨,焊接,去毛刺等工藝研究,現(xiàn)已積累大量可用于工業(yè)生產(chǎn)的工藝數(shù)據(jù)。
總結(jié):只有當(dāng)上述三個(gè)問(wèn)題得以突破,工業(yè)機(jī)器人才能擺脫目前只是作為一種機(jī)械設(shè)備在行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀,從而進(jìn)入廣泛的市場(chǎng)。不止是作為人類(lèi)的替代或人類(lèi)能力的延伸,而是成為一個(gè)真正能夠獨(dú)當(dāng)一面的機(jī)器人。我們相信這一天的到來(lái),將會(huì)是人類(lèi)科技發(fā)展史上非常重要,輝煌的一個(gè)篇章。
來(lái)源:robotinside ,作者:工控老五

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