院士談機器人創(chuàng)新設(shè)計的六大關(guān)鍵技術(shù)

??▍?一、研究背景與研究意義

? 1.1?智能制造與工業(yè)機器人

? 智能制造是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是促進我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的必然之路。談及智能制造就繞不開工業(yè)機器人，作為我國智能制造發(fā)展的重要內(nèi)容之一，工業(yè)機器人也是推動中國制造向機械化、自動化、集成化與智能化發(fā)展的關(guān)鍵。

? 1.2 工業(yè)機器人：制造業(yè)再認識

? 據(jù)2016年美國總統(tǒng)經(jīng)濟報告，在1993年到2007年之間，機器人對于勞動生產(chǎn)力的增長貢獻了0.36%，大概占到了這段時期勞動力增長的16%，這種效應(yīng)與蒸汽機出現(xiàn)時對于勞動生產(chǎn)力的影響是同一個級數(shù)。機器人成為工業(yè)主要的推動力之一，同時給制造業(yè)帶來了再認識：“制造業(yè)革命”給機器人帶來了巨大市場；全自動化只占制造業(yè)的很小一部分；絕大多數(shù)都是由人承擔。

? 面對著用工難、招工難的困境，在中國機器人熱度一年比一年高。這也是世界各國，包括美國、德國、歐盟、日本都把機器人作為主要發(fā)展方向的原因。

? 1.3?機器人創(chuàng)新設(shè)計的七個方面

? 為利用好、做好機器人，使其用于各行各業(yè)，機器人的設(shè)計成為了關(guān)鍵。工業(yè)機器人的發(fā)展離不開設(shè)計，更離不開全生命周期的創(chuàng)新設(shè)計涉及機器人產(chǎn)品的需求、功能、結(jié)構(gòu)、物理、工藝、工業(yè)、市場等七個方面。

? 第一個方面，機器人的需求創(chuàng)新設(shè)計。過去被認為機器人不可使用的領(lǐng)域，如今要實現(xiàn)用戶引導、創(chuàng)造需求。因此在需求創(chuàng)新設(shè)計上要包括創(chuàng)造、引導、定制機器人產(chǎn)品的需求。第二個方面，機器人的功能創(chuàng)新設(shè)計。在不同場合，機器人應(yīng)該要具有不同的功能，所以要擴大、延伸、綜合機器人的產(chǎn)品功能。第三個方面，機器人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。要實現(xiàn)功能、最好、最易實現(xiàn)的最簡結(jié)構(gòu)。第四個方面，機器人的物理創(chuàng)新設(shè)計。保證產(chǎn)品功能的物理性能，包括強度、剛度、可靠性等。第五個方面，機器人的工藝創(chuàng)新設(shè)計。保證機器人能夠更加高效地完成成型、加工、裝配等工作。第六個方面，機器人的工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計。使得機器人更加美觀，更加符合消費者人機工程的需要。第七個方面，機器人市場的創(chuàng)新設(shè)計。包括機器人產(chǎn)品的消費定位、客戶群等。

? 1.4 工業(yè)機器人設(shè)計與應(yīng)用現(xiàn)狀

? 我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時期，但目前國內(nèi)工業(yè)機器人設(shè)計與應(yīng)用仍面臨諸多問題：作業(yè)過程存在安全風險、運動光順與平穩(wěn)協(xié)調(diào)難、作業(yè)順序與布局耦合強、機器人與人協(xié)作程度低、機器人作業(yè)自主性較低、機器人故障智能預測難、機器人維修維護效率低、品牌多樣、操作差異大。

? 對此，需要通過突破工業(yè)機器人設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，緊密結(jié)合人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)，來解決工業(yè)機器人設(shè)計應(yīng)用全流程的突出難題。要設(shè)計好、應(yīng)用好機器人，有三個方面的需求：一是機器人應(yīng)用起來需要平穩(wěn)高效，運動比較穩(wěn)定；二是人機協(xié)作；三是虛實結(jié)合。

? 首先，平穩(wěn)高效要求我們在確保作業(yè)精度和平穩(wěn)性的同時，實現(xiàn)機器人作業(yè)的順序、路徑、軌跡等的自主規(guī)劃，提高作業(yè)效率，這是機器人設(shè)計的基本要求。其次，人機協(xié)同要包括人機交互、人機交流、人機一體，實現(xiàn)機器人能夠直接與人并肩工作，消除人機之間的防護隔離，實現(xiàn)人機交互的擬人化。再次，虛實融合要求充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成虛實映射與反饋控制，提高機器人的智能化程度。

? 根據(jù)這三個實際目標，需解決如何在保證機器人作業(yè)精確性與平穩(wěn)性的前提下，提高作業(yè)的效率？如何實現(xiàn)多機器人的協(xié)同控制、機器人與人共融的協(xié)調(diào)作業(yè)？如何提高虛實映射的仿真可信性并實現(xiàn)工業(yè)機器人的以虛控實？目前，經(jīng)研究已實現(xiàn)了以下六項關(guān)鍵技術(shù)：機器人本體與控制系統(tǒng)設(shè)計、工業(yè)機器人動態(tài)平穩(wěn)性設(shè)計、協(xié)作機器人的智能交互設(shè)計、機器人視覺感知與自主學習、機器人作業(yè)規(guī)劃與布局設(shè)計、機器人虛擬示教與數(shù)字孿生。

? ▍?二、機器人設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

? 2.1 機器人本體與控制系統(tǒng)的設(shè)計

? 通過突破機器人本體設(shè)計與開發(fā)的各技術(shù)環(huán)節(jié)，構(gòu)建機器人本體，結(jié)合機器人運動控制技術(shù)、機器人作業(yè)規(guī)劃與示教技術(shù)的研究，開發(fā)工業(yè)機器人的軟硬件成套系統(tǒng)。在實現(xiàn)支持多品牌機器人示教編程的同時，降低整機的系統(tǒng)成本。其中包括：關(guān)節(jié)減速機構(gòu)設(shè)計、內(nèi)部散熱系統(tǒng)設(shè)計、機器人本體的可裝配性分析、機器人本體3D打印制造、機器人高性能通用控制系統(tǒng)設(shè)計。 ? （1）關(guān)節(jié)減速機構(gòu)設(shè)計

? 圖1所示為機器人關(guān)節(jié)減速機構(gòu)設(shè)計，主要是改善機器人傳動鏈長、傳動結(jié)構(gòu)復雜、傳動誤差大的不足，配合高強度內(nèi)置鋼絲同步帶進行二級減速確保傳動精度，利用數(shù)控系統(tǒng)對位置誤差及反向間隙進行補償，保證位置重復精度。

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圖1?機器人第四軸減速機構(gòu)設(shè)計

? （2）內(nèi)部散熱系統(tǒng)設(shè)計

? 機器人驅(qū)動電機剎車發(fā)熱嚴重，同時安裝空間相對封閉，長時間工作后密閉空間溫度較高?；谟嬎懔黧w動力學CFD分析，對內(nèi)部散熱系統(tǒng)和風道進行設(shè)計仿真和優(yōu)化（圖2），實現(xiàn)空氣的循環(huán)散熱。

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圖2?內(nèi)部散熱系統(tǒng)設(shè)計

? （3）機器人本體的可裝配性分析

? 通過物理建模分析結(jié)構(gòu)因素對零件可裝配性的影響，量化裝配過程人機因素，結(jié)合裝配順序和所有子裝配體的可裝配性，實現(xiàn)產(chǎn)品級可裝配性評價（圖3）。與傳統(tǒng)的通過專家打分或裝配經(jīng)驗進行模糊評判相比，評價結(jié)果更加準確可靠，保證了機器人的可裝配性。

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圖3?機器人本體的可裝配性分析

? （4）機器人本體3D打印制造

? 為有效提高機器人3D打印結(jié)構(gòu)件的制造精度以保證裝配質(zhì)量，通過對試驗樣品進行3D打印正交試驗及回歸分析，提出3D打印工藝參數(shù)的優(yōu)化組合以及尺寸誤差的修正方法，制造出與定位面貼附吻合良好的、具有較高精度的機器人本體結(jié)構(gòu)件，為提升3D打印型機器人本體的精確性提供了技術(shù)保障。

? （5）機器人高性能通用控制系統(tǒng)設(shè)計

? 機器人高性能通用控制系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)了HRM-P脈沖型及HRM-E總線型高性能、開放式、平臺化、網(wǎng)絡(luò)化以及標準化的機器人運動控制器及運動控制軟件，支持無硬件虛擬仿真，包含多類型機器人運動學模型，提供點到點、直線圓弧、混合軌跡規(guī)劃功能。

? 2.2 工業(yè)機器人的動態(tài)平穩(wěn)性設(shè)計

? 針對動態(tài)平穩(wěn)性設(shè)計，筆者提出基于切斷點自由度解耦的機器人位置反解方法（圖6），通過反解提出去切斷點自由度解耦的位置反求。

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圖6?基于切斷點自由度解耦的機器人位置反解方法

? 這方面主要是利用機器人的幾何結(jié)構(gòu)特征，將機構(gòu)運動鏈切斷為兩個部分，使兩個子運動鏈在切斷點處運動自由度的某個分量上的耦合度最小，從而能夠?qū)⒏呔S超越方程組轉(zhuǎn)化為僅含1個未知數(shù)的非線性方程，解決了非傳統(tǒng)的末端三軸不交于一點的6自由度工業(yè)機器人位置反解問題，為機器人運動控制打好基礎(chǔ)。

此外，還提出含間隙運動副元素分離判斷準則，過去假想機器人的關(guān)節(jié)是一個點，實際上兩個構(gòu)件形成運動副中間是有間隙的，充分考慮間隙對于運動副、運動軌跡的影響，實現(xiàn)判斷正確性的提高，提出含間隙運動副的優(yōu)化設(shè)計。

? 2.3 協(xié)作機器人的智能交互設(shè)計

? 在協(xié)作工業(yè)機器人的開發(fā)過程中，需要考慮小型輕量、操作安全、智能交互、開放架構(gòu)等因素。虛擬示教系統(tǒng)的開發(fā)，能夠以虛控實來帶動人機協(xié)同、人機協(xié)作。在這個過程當中，協(xié)作工業(yè)機器人的碰撞檢測也十分重要。當判斷出機器人存在碰撞問題，立即采取相應(yīng)的保護措施，操控機器人急停或減速。

? 此外，協(xié)作工業(yè)機器人運動算法的提出，實現(xiàn)協(xié)作機器人運動控制算法庫的創(chuàng)建。其中包括機器人正逆運動學和動力學、關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間的直線圓弧軌跡規(guī)劃、帶過渡段的連續(xù)軌跡規(guī)劃、時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃和外部軸算法等。

? 2.4 機器人視覺感知與自主學習

? 通過智能學習算法實現(xiàn)了機器人的自主操作，獨立自主完成抓取、裝配、搬運等作業(yè)活動。

? 基于機器學習的工業(yè)機器人視覺理解，通過深度學習、強化學習、遷移學習等手段，構(gòu)建工業(yè)機器人視覺理解數(shù)學模型，對視覺感知系統(tǒng)獲取的圖像內(nèi)容進行理解，實現(xiàn)工業(yè)機器人作業(yè)過程中目標提取、類別識別等任務(wù)。

? 基于視覺反饋的工業(yè)機器人測量定位，提出了基于三維結(jié)構(gòu)光的機械臂抓取位置檢測方法，采用深度信息替代彩色圖中的藍色通道，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柵格化計算目標工件抓取位置，通過多尺度輸出，應(yīng)對不同尺寸的抓取位置檢測。

? 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器人最佳抓取位置預測（圖9），提出了基于RGBD圖像信息的機器人抓取位置學習預測方法，構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算不同抓取窗口的抓取概率，將計算所得最大概率的窗口選定為物體最佳抓取位置，從而準確預測不同物體的最佳抓取位置。

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圖9?基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器人最佳抓取位置預測

? 圖10所示為工業(yè)機器人作業(yè)行為強化學習技術(shù)，工業(yè)機器人以“試錯”的方式對其作業(yè)行為進行學習，通過與環(huán)境交互獲得的獎賞來指導行為，從而使其獲得最大的獎賞。強化學習中由環(huán)境提供的強化信號是對產(chǎn)生動作好壞做出的一種評價，而不是告訴系統(tǒng)如何去產(chǎn)生正確動作。

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圖10?機器人作業(yè)行為強化學習技術(shù)

? 2.5?機器人職業(yè)規(guī)劃與布局設(shè)計

? 優(yōu)化機器人布局應(yīng)該滿足兩個條件：不僅能使機器人末端執(zhí)行器以合理的姿態(tài)到達指定的空間位置，而且能使機器人完成任務(wù)的工作周期時間盡量短。然而，機器人工作站布局設(shè)計與作業(yè)規(guī)劃存在一定的復雜性，通過研究發(fā)現(xiàn)，存在多種可行的作業(yè)拓撲順序，當需要完成某項作業(yè)時，能夠有多種方案。例如弧焊作業(yè)時，各條焊縫的焊接順序可以變化（圖11）。

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圖11?弧焊機器人工作站的幾種布局方案

? 其次，機器人基座位置和作業(yè)拓撲順序相互耦合，共同影響機器人工作時間。針對這一難點，提出基于蟻群算法的作業(yè)順序規(guī)劃與機器人布局協(xié)同優(yōu)化方法，解決機器人的作業(yè)規(guī)劃問題。一是提出廣義逆可達工作空間相容性檢測方法，快速建立機器人基座解空間；二、是提出機器人基座可行解空間離散網(wǎng)絡(luò)的作業(yè)順序蟻群優(yōu)化算法，實現(xiàn)具有相同最優(yōu)作業(yè)順序的基座解空間劃分；三是采用模式搜索算法，實現(xiàn)作業(yè)順序確定條件下的機器人布局設(shè)計。

? 2.6 工業(yè)機器人虛擬示教與數(shù)字孿生

? 通過虛實交互反饋，在同一個界面下調(diào)用、使用多類型機器人的示教界面（圖12）。通過集成構(gòu)建ABB、發(fā)那科（FANUC）、安川、庫卡等多個品牌機器人的編程器模擬界面，用戶可以通過虛擬編程器的操作，進行相應(yīng)虛擬和實體機器人的控制及相關(guān)功能操作，實現(xiàn)工業(yè)機器人的虛擬示教。

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圖12?多類型機器人的虛擬示教界面

? 在這個基礎(chǔ)上，初步實現(xiàn)工業(yè)機器人數(shù)字孿生遙操作技術(shù)（圖13），基于主動引導的虛擬環(huán)境中接觸力覺連續(xù)生成方法，通過數(shù)字孿生實現(xiàn)真實機器人的力反饋遙操作，使操作人員更真實地感知遠程機器人操作對象，輔助操作人員更精準、便捷地完成操作任務(wù)。

? ? 圖13?數(shù)字孿生遙操作技術(shù)

? 數(shù)字孿生環(huán)境下的機器人視覺伺服運動規(guī)劃技術(shù)（圖14），通過構(gòu)建工業(yè)機器人作業(yè)的數(shù)字孿生環(huán)境，基于深度強化學習訓練混合視覺伺服控制器，得到作業(yè)任務(wù)的最優(yōu)運動方案，實現(xiàn)機器人運動的多約束自主規(guī)劃。

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圖14?機器人視覺伺服運動規(guī)劃技術(shù)

? 基于增強現(xiàn)實的工業(yè)機器人維修導航技術(shù)，通過增強現(xiàn)實的數(shù)字孿生可視化虛實交互技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)機器人維修維護操作智能導航，將當前維修任務(wù)的工藝文件以虛擬維修指令的形式，引導維修人員進行故障處理，有效地提高工業(yè)機器人的維修維護效率。

? ▍?三、工業(yè)機器人應(yīng)用實例

? 3.1 工業(yè)機器人本體系統(tǒng)與高性能通用控制系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)

? 浙江大學等設(shè)計研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HRT系列四軸、六軸、七軸工業(yè)機器人本體系統(tǒng)及高性能通用控制系統(tǒng)，覆蓋教育和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。其中，筆者團隊自主開發(fā)了一個機器人集成工作站，該小型工作站可以在工作站里形成有序的物流，有序的算法的驗證。

? 3.2?汽車車門的機器人焊接線設(shè)計

? 采用基于時空連續(xù)性的多機器運動干涉實時檢測（圖17）、基于智能計算的裝備生產(chǎn)線布局多約束優(yōu)化、基于虛擬人操作的任務(wù)工作流建模與求解（圖18）等方法，解決了焊縫不可達和焊接干濕的問題，最終提高了裝備生產(chǎn)線的設(shè)計（圖19）效率、設(shè)計質(zhì)量，縮短了裝備生產(chǎn)線的開發(fā)周期。

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圖17 基于時空連續(xù)性的多機器人運動干涉實時檢測

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圖18?基于虛擬人操作的任務(wù)工作流建模與求解

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圖19?寧波信泰福特Focus車門焊接線設(shè)計

? 3.3?齒盤堆焊成形生產(chǎn)線設(shè)計與集成

? 車輛齒盤堆焊（圖20）要求在一個工位上實現(xiàn)齒盤焊接后直接形成符合設(shè)計要求的齒面，并集成上下料、焊接、檢測、碼垛等多項功能。在此過程中，如何確定影響齒盤表面多層堆焊質(zhì)量的主要焊接工藝參數(shù)及其取值方案，如何考慮工裝設(shè)計與工藝流程設(shè)計、生產(chǎn)線規(guī)劃的協(xié)同優(yōu)化，如何實現(xiàn)搬運與焊接機器人的協(xié)同作業(yè)，以及與外圍自動化輔助設(shè)備的控制集成，成為主要的技術(shù)難點。

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圖20?車輛齒盤堆焊

? 3.4?多品牌工業(yè)機器人虛擬示教編程系統(tǒng)

? 浙江大學設(shè)計研發(fā)了面向多品牌工業(yè)機器人的虛擬示教編程系統(tǒng)（圖21），通過構(gòu)建不同品牌示教器與單一機器人本體間的映射關(guān)系，實現(xiàn)多品牌工業(yè)機器人一體化示教。虛擬示教可以通過人、機器人在同樣虛擬的界面下進行人機對話，學習到機器人如何編程。

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圖21?多品牌虛擬示教器及虛擬示教編程系統(tǒng)

? 除此之外，一系列從正向設(shè)計到創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用：超大型低能耗大型空分裝備設(shè)計制造技術(shù)，高檔數(shù)控機床數(shù)字化正向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，大噸位深拉伸液壓裝備設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)，一類高端龍門加工中心創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，電梯大批量定制設(shè)計與數(shù)字化智能化技術(shù)，數(shù)控機床遠程監(jiān)控、診斷與虛擬維修技術(shù)，大型艦船分段制造的作業(yè)模擬與優(yōu)化技術(shù)，機器人作業(yè)布局規(guī)劃與智能制造應(yīng)用技術(shù)，重大裝備產(chǎn)品性能設(shè)計、計算與仿真技術(shù)，數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用等，幫助一批企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

? 綜上所述，筆者認為，工業(yè)機器人對于我國智能制造的發(fā)展有著舉足輕重的作用，筆者帶領(lǐng)的團隊在相關(guān)項目研發(fā)上得到黨和國家領(lǐng)導人的高度重視。在從“制造大國”向“制造強國”邁進的道路上，需要各方力量協(xié)同合作、久久為功。加快培養(yǎng)人才尤其是具有全球競爭力的高層次人才，不斷激發(fā)出其巨大的創(chuàng)新能量，推動“中國制造”走向“中國智造”，為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家、全面推進中華民族偉大復興提供強大支撐、貢獻更大力量。

審核編輯：劉清