梁志鵬

中山市技師學(xué)院，廣東中山，528400

0 引言

工業(yè)5.0時代下我國五金產(chǎn)業(yè)逐漸從傳統(tǒng)的粗放型生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為精細(xì)化生產(chǎn)模式，其中工業(yè)智能機(jī)器人為五金產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有力支撐。由于缺少核心技術(shù)突破以及以大學(xué)為主體的科研院所脫離企業(yè)需要，目前我國尚未形成足夠強(qiáng)大的自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品和有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，這就造成我國五金產(chǎn)業(yè)工業(yè)智能機(jī)器人發(fā)展及生產(chǎn)技術(shù)遭遇瓶頸。同時，由于金屬零件生產(chǎn)多為多品種、少批量生產(chǎn)，因此，生產(chǎn)線中工業(yè)智能機(jī)器人必須具備高柔性特性。針對硬件行業(yè)工業(yè)智能機(jī)器人，國內(nèi)尚屬空白，且進(jìn)口工業(yè)智能機(jī)器人昂貴、維修費(fèi)用高，令很多廠商望而卻步，對我國硬件行業(yè)升級造成阻礙。

1 五金產(chǎn)業(yè)工業(yè)智能機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 信息交互與效果評估技術(shù)

為滿足五金產(chǎn)業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，選用適當(dāng)傳感器使其與現(xiàn)場進(jìn)行交互較為重要。當(dāng)前我國五金產(chǎn)業(yè)工業(yè)智能機(jī)器人中較為常見的信息交互與效果評估技術(shù)為光學(xué)控制，從整體情況來看，對于一些復(fù)雜、特定場合，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)其靈活性；在涉及安全危險(xiǎn)方面，可以添加諸如安全線之類的傳感器，并且增強(qiáng)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。當(dāng)使用感應(yīng)器時，要避免與周圍環(huán)境發(fā)生干涉，并且要保證信息及時、精確。此外，因五金產(chǎn)業(yè)工業(yè)智能機(jī)器人需要具有高精度、高負(fù)載、高穩(wěn)定性、高效率、高適應(yīng)性，因此國內(nèi)部分生產(chǎn)制造企業(yè)構(gòu)建了一套符合五金產(chǎn)業(yè)的工業(yè)智能機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)，使它們之間聯(lián)系更加緊密，并能發(fā)揮出它們的優(yōu)勢。

1.1.2 工業(yè)智能機(jī)器人直覺示教以及快速編寫程序技術(shù)

工業(yè)智能機(jī)器人實(shí)際生產(chǎn)能夠極大地提高生產(chǎn)效率，比如，汽車制造商在實(shí)際焊接中使用工業(yè)智能機(jī)器人，實(shí)際工作時間大約是20個小時，而實(shí)際手工焊接則需要60個小時。目前，國內(nèi)關(guān)于工業(yè)智能機(jī)器人觸覺顯示技術(shù)主要有兩種：一種是人工牽引，這種技術(shù)通過仿真人體力量，來控制工業(yè)智能機(jī)器人在運(yùn)動時的力量，并將其轉(zhuǎn)化為電子信號。工業(yè)智能機(jī)器人能夠?qū)W習(xí)和模仿人類動作，并對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行詳盡記錄，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提取。實(shí)際上，這種方法的缺陷是，購置傳感器費(fèi)用比較高，并且工作人員安全需求也比較高。另一種為可視化人工引導(dǎo)，即操作者自己要明確自己目的，采用相應(yīng)追蹤體系來進(jìn)行培訓(xùn)。在很多國家，為適應(yīng)多個傳感器教學(xué)，人們都采取手工搬運(yùn)方式，但是，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，人工操作方式還很少見[1]。

1.1.3 力和運(yùn)動混合控制技術(shù)

工業(yè)智能機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，可以實(shí)現(xiàn)諸如磨削、拋光等簡單的工作。粉體工業(yè)智能機(jī)器人一般包括以下幾個部分：飛機(jī)機(jī)身、控制柜、研磨機(jī)，以及六個維度傳感器。在工業(yè)智能機(jī)器人磨削加工中，采用磨具能夠很好地實(shí)現(xiàn)接觸控制，并能達(dá)到力量與動作雙重控制。在磨削時，必須采用微機(jī)磨削軌跡，實(shí)現(xiàn)與控制庫連通性，以及在磨削過程中對機(jī)械臂進(jìn)行磨削。但是，目前所采用的工業(yè)智能機(jī)器人還不能實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行全面控制，從而極大地制約了應(yīng)用。工業(yè)智能機(jī)器人動力控制主要有兩種：①動力學(xué)模型；②開發(fā)和開發(fā)實(shí)時力控制算法。將工業(yè)智能機(jī)器人運(yùn)動混合控制分成兩大部分：力與位相結(jié)合。通過混合控制，小型機(jī)械臂在牽引力和動力控制情況下顯示出期望載荷關(guān)節(jié)控制力[2]。

1.2 發(fā)展問題

1.2.1 控制設(shè)備技術(shù)水平不符合操作要求

工業(yè)智能機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中得到極大方便，但是仍然存在著技術(shù)上問題。比如，在控制工業(yè)智能機(jī)器人時，必須要有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而在使用的時候，要有直觀顯示速度才能對工業(yè)智能機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)控制。其次，高效信息傳遞和響應(yīng)具有很大影響，使得工業(yè)智能機(jī)器人能夠快速地執(zhí)行相應(yīng)動作，并得到命令。但是，工業(yè)智能機(jī)器人技術(shù)制造與研究一直處于落后狀態(tài)，這直接制約著工業(yè)智能機(jī)器人科技應(yīng)用。

1.2.2 信息傳輸穩(wěn)定性與迅速性難以保證

首先，雖然工業(yè)智能機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)很好地結(jié)合，但是它需要更高數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換效率，否則一旦出現(xiàn)故障，就會影響工業(yè)智能機(jī)器人的行動。其次，如用手機(jī)來控制工業(yè)智能機(jī)器人，很難通過攝像頭來控制，那么通過其他手段來控制工業(yè)智能機(jī)器人則更為繁瑣。目前科技研發(fā)力量還不能保證高效地傳遞信息，所以在物聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用將會遇到很多問題[3-4]。

1.2.3 相應(yīng)技術(shù)軟件掌握與應(yīng)用狀況較差

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，工業(yè)智能機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是將其內(nèi)部圖像在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為視頻模式，通常采用NJPEG格式。如在制作過程中出現(xiàn)問題，那么工業(yè)智能機(jī)器人推廣就會受到很大影響。從現(xiàn)實(shí)發(fā)展來看，目前我國工業(yè)智能機(jī)器人在編程和通訊方面還存在很多問題，甚至存在不合理之處，這直接制約工業(yè)智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展。

2 工業(yè)智能機(jī)器人發(fā)展技術(shù)難題

近50年來，工業(yè)智能機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)形成一套完整技術(shù)和理論。但是，目前工業(yè)智能機(jī)器人還面臨幾大技術(shù)難點(diǎn)制約其發(fā)展，具體如下。

2.1 工作空間奇異位

為使工業(yè)智能機(jī)器人從鉸鏈空間到笛卡爾空間之間映射，提出雅可比矩陣，并利用雅可比矩陣進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，得到連接速度和笛卡爾速度之間關(guān)系，并給出相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式：

式中：θ'—關(guān)節(jié)角度速度；ν—笛卡爾空間中工業(yè)智能機(jī)器人終端線速度；J-1（θ）—雅可比矩陣逆變換。

從上述公式可以看出，如缺少雅可比矩陣逆變換，則該方程解就不復(fù)存在。因此，將雅可比矩陣行列式所有都視為機(jī)械奇異位置。機(jī)器人在調(diào)試使用過程中通常會遇到三類奇異位：腕部奇異位、肩部奇異位和肘部奇異位。在工作區(qū)邊界上，所有工業(yè)智能機(jī)器人都具有奇異位置，且大部分工業(yè)智能機(jī)器人在工作空間中也會呈現(xiàn)奇異位置，當(dāng)工業(yè)智能機(jī)器人完全伸展或收回時，工業(yè)智能機(jī)器人端部就會在工作區(qū)邊緣附近；而在工作區(qū)內(nèi)部，奇異位置會發(fā)生在遠(yuǎn)離工作區(qū)邊緣，這往往是因?yàn)閮蓚€或更多鉸接軸共線所致。在這種情況下，工業(yè)智能機(jī)器人會失去一種或多種自由度，無論工業(yè)智能機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速有多高，都不能讓工業(yè)智能機(jī)器人移動，這時，工業(yè)智能機(jī)器人速度和加速度就會急劇增加，對工業(yè)智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)造成很大影響。為鑒別和規(guī)避這些怪異方位，許多專家都在積極探索與研究，如我國學(xué)者曾提出一種奇異分離和阻尼倒數(shù)法，首先對產(chǎn)生奇異的條件進(jìn)行分析，從而使雅可比奇異參數(shù)被分離，并用阻尼倒數(shù)取代一般倒數(shù)，從而避免奇異效應(yīng)。Hasan等人提出一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)奇異位置識別和規(guī)避算法，該算法可以將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以達(dá)到識別和規(guī)避奇點(diǎn)目的[5]。而在五金產(chǎn)業(yè)中，部分機(jī)器人控制系統(tǒng)因?yàn)樗惴▎栴}，做不到零奇異位，因此可以在以下兩點(diǎn)做出規(guī)避。一是重新示教：當(dāng)控制系統(tǒng)給出錯誤提示時，用戶重新示教機(jī)器人路徑，從而規(guī)避奇異位。二是腕部插補(bǔ)：在給出錯誤提示后，選擇腕部插補(bǔ)功能。該方法可以針對經(jīng)過腕部奇異位的軌跡，提供腕部插補(bǔ)功能，從而保證機(jī)器人可以順利通過腕部奇異位。

2.2 機(jī)械部件精度與補(bǔ)償

工業(yè)智能機(jī)器人姿態(tài)精度受多種因素影響，大體可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類。靜態(tài)因素包括：制造和裝配過程中工業(yè)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差；由于外部環(huán)境溫度變化，以及長時間磨損，使機(jī)械手姿態(tài)偏差。動力因子是指由于機(jī)械零件自身受到外力作用而產(chǎn)生彈性變形而產(chǎn)生運(yùn)動誤差。為克服上述原因?qū)е伦藨B(tài)偏差，需要在應(yīng)用之前對工業(yè)智能機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，并建立相應(yīng)參考模型，現(xiàn)有標(biāo)定技術(shù)包括基于三坐標(biāo)測量標(biāo)定、基于激光跟蹤工業(yè)智能機(jī)器人標(biāo)定、基于 CCD工業(yè)智能機(jī)器人標(biāo)定。為進(jìn)一步提高工業(yè)智能機(jī)器人真實(shí)操作精度，曾有學(xué)者提出一種基于參考模型和實(shí)際操作位置誤差補(bǔ)償方法。

2.3 工業(yè)智能機(jī)器人控制問題

由于企業(yè)實(shí)際工作環(huán)境中，有電、光、磁等多種不確定因素干擾，因此，工業(yè)智能機(jī)器人控制系統(tǒng)必須具有高實(shí)時性、穩(wěn)定性和抗干擾性。

2.3.1 機(jī)構(gòu)軌跡綜合法研究現(xiàn)狀

軌跡綜合法按照實(shí)現(xiàn)路徑不同，分為直接綜合和間接綜合兩類。前者采取“預(yù)期路徑—機(jī)構(gòu)—路徑匹配”思想，后者采用“預(yù)期路徑—軌道匹配—機(jī)構(gòu)”思想。自19世紀(jì)以來，機(jī)械運(yùn)動問題已引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，而對機(jī)械運(yùn)動研究則多為直接軌跡綜合法對精密點(diǎn)運(yùn)動軌跡進(jìn)行綜合。按解法不同將其劃分為圖形法和數(shù)值法兩種，而數(shù)字法可以再進(jìn)一步劃分為代數(shù)法和優(yōu)化法。德國學(xué)者Burmester在1876-1877年間發(fā)表有關(guān)機(jī)構(gòu)綜合的研究，此后許多學(xué)者對其進(jìn)行充實(shí)和發(fā)展，形成一套較為完備體制集成方法。

2.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制研究現(xiàn)狀

PID算法簡單快捷，至今仍被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。其控制原理如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制示意圖

PID控制中有三個參數(shù)，也就是PID參數(shù)KP、積分參數(shù)KI和差分參數(shù)KD。另外，PID控制器也有一些問題，如容易發(fā)生積分過調(diào)等。為進(jìn)一步改善PID控制性能，許多學(xué)者對PID控制器進(jìn)行深入研究，并將PID控制器有機(jī)結(jié)合起來，使PID控制器具有優(yōu)勢互補(bǔ)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對人類大腦進(jìn)行仿真的一種方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對復(fù)雜、難以描述物體進(jìn)行建?；?yàn)榭刂破鲀?yōu)化計(jì)算、推理、故障診斷，并將以上幾種功能恰當(dāng)組合和PID控制結(jié)合起來。

2.4 路徑規(guī)劃問題

目前工業(yè)智能機(jī)器人研究主要集中在仿生設(shè)計(jì)、自主設(shè)計(jì)、環(huán)境空間定位、目標(biāo)導(dǎo)航等方面。在工業(yè)智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)備方面，目前主流工業(yè)智能機(jī)器人公司都是將其機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化方向發(fā)展，比如將電機(jī)、減速器和檢測系統(tǒng)集成到機(jī)械手關(guān)節(jié)模塊。因此，與人交流能力也很重要，假設(shè)工業(yè)智能機(jī)器人可以“自主”地進(jìn)行移動，較為常見的移動控制方式及人工勢場見圖2。這樣工業(yè)智能機(jī)器人就可以更好地適應(yīng)環(huán)境，更靈活、更安全。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以根據(jù)障礙物情況來規(guī)劃自己的移動，根據(jù)不同應(yīng)用場景來選擇適合模型，而適當(dāng)自由度則可以保證工業(yè)智能機(jī)器人在完成最終執(zhí)行任務(wù)時的安全性。安全指示避障，它包含一些靜態(tài)和動態(tài)障礙，在實(shí)際避障過程中，不但要避開工業(yè)智能機(jī)器人尾部，而且要保證整個手臂避障。工業(yè)智能機(jī)器人在路徑規(guī)劃中避障問題通?？梢苑譃槿趾途植績深悺?/p>

圖2 人工勢場

在全局規(guī)劃中，通常將工業(yè)智能機(jī)器人和障礙物構(gòu)造為模型地圖，可以確保一條不會發(fā)生沖突的最優(yōu)路線，但其代價較大，且在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。該方法不需要傳感器數(shù)據(jù)反饋，可以減少使用費(fèi)用，而且僅適用于有障礙靜態(tài)環(huán)境。而局部路徑規(guī)劃則把障礙視為一種控制問題，它充分利用傳感器信息，對障礙物運(yùn)動軌跡進(jìn)行動態(tài)選取。

3 未來工業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展方向展望及建議

3.1 提高高校專業(yè)人才培養(yǎng)力度

工業(yè)智能機(jī)器人研制與運(yùn)用，對國內(nèi)人才有很大需求。因此，應(yīng)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中培育專業(yè)人才，保證工業(yè)智能機(jī)器人技術(shù)水準(zhǔn)，促進(jìn)我國智能化工業(yè)化。比如，大學(xué)可以在工業(yè)智能機(jī)器人開發(fā)、工業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用、系統(tǒng)集成、人工智能等方面加入“自動化專業(yè)”專業(yè)訓(xùn)練。本課程旨在為工業(yè)智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)、控制與規(guī)劃提供相關(guān)知識，進(jìn)而提升工業(yè)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與性能。

3.2 完善國產(chǎn)工業(yè)智能機(jī)器人功能、性能及系統(tǒng)集成

盡管目前工業(yè)智能機(jī)器人具有較強(qiáng)執(zhí)行能力，但是在動力學(xué)、功能、性能等方面，與國外工業(yè)智能機(jī)器人相比仍存在著一定差距。在此基礎(chǔ)上提出在工業(yè)智能機(jī)器人整體性能和智能程度方面，應(yīng)進(jìn)一步加大對工業(yè)智能機(jī)器人關(guān)鍵零部件研發(fā)力度，提高其集成度。同時，還可以大力推廣工業(yè)智能機(jī)器人在各個領(lǐng)域應(yīng)用，為最終用戶提供功能穩(wěn)定、性能優(yōu)良的工業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用。

3.3 提高工業(yè)智能機(jī)器人人工智能水平

要加大對工業(yè)智能機(jī)器人研發(fā)力度，不斷提升其人工智能水平，促進(jìn)其實(shí)現(xiàn)智能化工業(yè)化。以手機(jī)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)檢驗(yàn)為例：國產(chǎn)工業(yè)智能機(jī)器人可以生產(chǎn)出產(chǎn)品，但是現(xiàn)在還不能精確地檢測手機(jī)。工業(yè)智能機(jī)器人“智能識別”功能可以被集成到設(shè)計(jì)中。利用頻譜技術(shù)，對手機(jī)表面刮傷進(jìn)行識別。

4 結(jié)語

總之，利用工業(yè)智能機(jī)器人進(jìn)行智能化工業(yè)化分析，可以更好地理解國內(nèi)工業(yè)智能機(jī)器人性能，并解決國內(nèi)工業(yè)智能機(jī)器人與國外技術(shù)的差距。未來，我國智能制造企業(yè)必須強(qiáng)化人力資源開發(fā)，強(qiáng)化工業(yè)智能機(jī)器人功能、性能及系統(tǒng)集成，并將外界信息完全整合，提升工業(yè)智能機(jī)器人人工智能技術(shù)，提升其應(yīng)用價值，提升我國智能制造產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。