院士谈机器人创新设计的六大关键技术

  ▍ 一、研究背景与研究意义

  1.1 智能制造与工业机器人

  智能制造是高端装备制造业发展的必然趋势，也是促进我国从制造大国向制造强国转变的必然之路。谈及智能制造就绕不开工业机器人，作为我国智能制造发展的重要内容之一，工业机器人也是推动中国制造向机械化、自动化、集成化与智能化发展的关键。

  1.2 工业机器人：制造业再认识

  据2016年美国总统经济报告，在1993年到2007年之间，机器人对于劳动生产力的增长贡献了0.36%，大概占到了这段时期劳动力增长的16%，这种效应与蒸汽机出现时对于劳动生产力的影响是同一个级数。机器人成为工业主要的推动力之一，同时给制造业带来了再认识：“制造业革命”给机器人带来了巨大市场；全自动化只占制造业的很小一部分；绝大多数都是由人承担。

  面对着用工难、招工难的困境，在中国机器人热度一年比一年高。这也是世界各国，包括美国、德国、欧盟、日本都把机器人作为主要发展方向的原因。

  1.3 机器人创新设计的七个方面

  为利用好、做好机器人，使其用于各行各业，机器人的设计成为了关键。工业机器人的发展离不开设计，更离不开全生命周期的创新设计涉及机器人产品的需求、功能、结构、物理、工艺、工业、市场等七个方面。

  第一个方面，机器人的需求创新设计。过去被认为机器人不可使用的领域，如今要实现用户引导、创造需求。因此在需求创新设计上要包括创造、引导、定制机器人产品的需求。第二个方面，机器人的功能创新设计。在不同场合，机器人应该要具有不同的功能，所以要扩大、延伸、综合机器人的产品功能。第三个方面，机器人的结构创新设计。要实现功能、最好、最易实现的最简结构。第四个方面，机器人的物理创新设计。保证产品功能的物理性能，包括强度、刚度、可靠性等。第五个方面，机器人的工艺创新设计。保证机器人能够更加高效地完成成型、加工、装配等工作。第六个方面，机器人的工业创新设计。使得机器人更加美观，更加符合消费者人机工程的需要。第七个方面，机器人市场的创新设计。包括机器人产品的消费定位、客户群等。

  1.4 工业机器人设计与应用现状

  我国工业机器人产业正处于高速发展时期，但目前国内工业机器人设计与应用仍面临诸多问题：作业过程存在安全风险、运动光顺与平稳协调难、作业顺序与布局耦合强、机器人与人协作程度低、机器人作业自主性较低、机器人故障智能预测难、机器人维修维护效率低、品牌多样、操作差异大。

  对此，需要通过突破工业机器人设计的关键技术，紧密结合人工智能、数字孪生技术，来解决工业机器人设计应用全流程的突出难题。要设计好、应用好机器人，有三个方面的需求：一是机器人应用起来需要平稳高效，运动比较稳定；二是人机协作；三是虚实结合。

  首先，平稳高效要求我们在确保作业精度和平稳性的同时，实现机器人作业的顺序、路径、轨迹等的自主规划，提高作业效率，这是机器人设计的基本要求。其次，人机协同要包括人机交互、人机交流、人机一体，实现机器人能够直接与人并肩工作，消除人机之间的防护隔离，实现人机交互的拟人化。再次，虚实融合要求充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据，在虚拟空间中完成虚实映射与反馈控制，提高机器人的智能化程度。

  根据这三个实际目标，需解决如何在保证机器人作业精确性与平稳性的前提下，提高作业的效率？如何实现多机器人的协同控制、机器人与人共融的协调作业？如何提高虚实映射的仿真可信性并实现工业机器人的以虚控实？目前，经研究已实现了以下六项关键技术：机器人本体与控制系统设计、工业机器人动态平稳性设计、协作机器人的智能交互设计、机器人视觉感知与自主学习、机器人作业规划与布局设计、机器人虚拟示教与数字孪生。

  ▍ 二、机器人设计关键技术

  2.1 机器人本体与控制系统的设计

  通过突破机器人本体设计与开发的各技术环节，构建机器人本体，结合机器人运动控制技术、机器人作业规划与示教技术的研究，开发工业机器人的软硬件成套系统。在实现支持多品牌机器人示教编程的同时，降低整机的系统成本。其中包括：关节减速机构设计、内部散热系统设计、机器人本体的可装配性分析、机器人本体3D打印制造、机器人高性能通用控制系统设计。   （1）关节减速机构设计

  图1所示为机器人关节减速机构设计，主要是改善机器人传动链长、传动结构复杂、传动误差大的不足，配合高强度内置钢丝同步带进行二级减速确保传动精度，利用数控系统对位置误差及反向间隙进行补偿，保证位置重复精度。

   

图1 机器人第四轴减速机构设计

  （2）内部散热系统设计

  机器人驱动电机刹车发热严重，同时安装空间相对封闭，长时间工作后密闭空间温度较高。基于计算流体动力学CFD分析，对内部散热系统和风道进行设计仿真和优化（图2），实现空气的循环散热。

     

图2 内部散热系统设计

  （3）机器人本体的可装配性分析

  通过物理建模分析结构因素对零件可装配性的影响，量化装配过程人机因素，结合装配顺序和所有子装配体的可装配性，实现产品级可装配性评价（图3）。与传统的通过专家打分或装配经验进行模糊评判相比，评价结果更加准确可靠，保证了机器人的可装配性。

     

图3 机器人本体的可装配性分析

  （4）机器人本体3D打印制造

  为有效提高机器人3D打印结构件的制造精度以保证装配质量，通过对试验样品进行3D打印正交试验及回归分析，提出3D打印工艺参数的优化组合以及尺寸误差的修正方法，制造出与定位面贴附吻合良好的、具有较高精度的机器人本体结构件，为提升3D打印型机器人本体的精确性提供了技术保障。

  （5）机器人高性能通用控制系统设计

  机器人高性能通用控制系统，设计开发了HRM-P脉冲型及HRM-E总线型高性能、开放式、平台化、网络化以及标准化的机器人运动控制器及运动控制软件，支持无硬件虚拟仿真，包含多类型机器人运动学模型，提供点到点、直线圆弧、混合轨迹规划功能。

  2.2 工业机器人的动态平稳性设计

  针对动态平稳性设计，笔者提出基于切断点自由度解耦的机器人位置反解方法（图6），通过反解提出去切断点自由度解耦的位置反求。

     

图6 基于切断点自由度解耦的机器人位置反解方法

  这方面主要是利用机器人的几何结构特征，将机构运动链切断为两个部分，使两个子运动链在切断点处运动自由度的某个分量上的耦合度最小，从而能够将高维超越方程组转化为仅含1个未知数的非线性方程，解决了非传统的末端三轴不交于一点的6自由度工业机器人位置反解问题，为机器人运动控制打好基础。

此外，还提出含间隙运动副元素分离判断准则，过去假想机器人的关节是一个点，实际上两个构件形成运动副中间是有间隙的，充分考虑间隙对于运动副、运动轨迹的影响，实现判断正确性的提高，提出含间隙运动副的优化设计。

  2.3 协作机器人的智能交互设计

  在协作工业机器人的开发过程中，需要考虑小型轻量、操作安全、智能交互、开放架构等因素。虚拟示教系统的开发，能够以虚控实来带动人机协同、人机协作。在这个过程当中，协作工业机器人的碰撞检测也十分重要。当判断出机器人存在碰撞问题，立即采取相应的保护措施，操控机器人急停或减速。

  此外，协作工业机器人运动算法的提出，实现协作机器人运动控制算法库的创建。其中包括机器人正逆运动学和动力学、关节空间和笛卡尔空间的直线圆弧轨迹规划、带过渡段的连续轨迹规划、时间最优轨迹规划和外部轴算法等。

  2.4 机器人视觉感知与自主学习

  通过智能学习算法实现了机器人的自主操作，独立自主完成抓取、装配、搬运等作业活动。

  基于机器学习的工业机器人视觉理解，通过深度学习、强化学习、迁移学习等手段，构建工业机器人视觉理解数学模型，对视觉感知系统获取的图像内容进行理解，实现工业机器人作业过程中目标提取、类别识别等任务。

  基于视觉反馈的工业机器人测量定位，提出了基于三维结构光的机械臂抓取位置检测方法，采用深度信息替代彩色图中的蓝色通道，基于卷积神经网络的栅格化计算目标工件抓取位置，通过多尺度输出，应对不同尺寸的抓取位置检测。

  基于卷积神经网络的机器人最佳抓取位置预测（图9），提出了基于RGBD图像信息的机器人抓取位置学习预测方法，构建卷积神经网络计算不同抓取窗口的抓取概率，将计算所得最大概率的窗口选定为物体最佳抓取位置，从而准确预测不同物体的最佳抓取位置。

     

图9 基于卷积神经网络的机器人最佳抓取位置预测

  图10所示为工业机器人作业行为强化学习技术，工业机器人以“试错”的方式对其作业行为进行学习，通过与环境交互获得的奖赏来指导行为，从而使其获得最大的奖赏。强化学习中由环境提供的强化信号是对产生动作好坏做出的一种评价，而不是告诉系统如何去产生正确动作。

     
图10 机器人作业行为强化学习技术

  2.5 机器人职业规划与布局设计

  优化机器人布局应该满足两个条件：不仅能使机器人末端执行器以合理的姿态到达指定的空间位置，而且能使机器人完成任务的工作周期时间尽量短。然而，机器人工作站布局设计与作业规划存在一定的复杂性，通过研究发现，存在多种可行的作业拓扑顺序，当需要完成某项作业时，能够有多种方案。例如弧焊作业时，各条焊缝的焊接顺序可以变化（图11）。

 

图11 弧焊机器人工作站的几种布局方案

  其次，机器人基座位置和作业拓扑顺序相互耦合，共同影响机器人工作时间。针对这一难点，提出基于蚁群算法的作业顺序规划与机器人布局协同优化方法，解决机器人的作业规划问题。一是提出广义逆可达工作空间相容性检测方法，快速建立机器人基座解空间；二、是提出机器人基座可行解空间离散网络的作业顺序蚁群优化算法，实现具有相同最优作业顺序的基座解空间划分；三是采用模式搜索算法，实现作业顺序确定条件下的机器人布局设计。

  2.6 工业机器人虚拟示教与数字孪生

  通过虚实交互反馈，在同一个界面下调用、使用多类型机器人的示教界面（图12）。通过集成构建ABB、发那科（FANUC）、安川、库卡等多个品牌机器人的编程器模拟界面，用户可以通过虚拟编程器的操作，进行相应虚拟和实体机器人的控制及相关功能操作，实现工业机器人的虚拟示教。

   

图12 多类型机器人的虚拟示教界面

  在这个基础上，初步实现工业机器人数字孪生遥操作技术（图13），基于主动引导的虚拟环境中接触力觉连续生成方法，通过数字孪生实现真实机器人的力反馈遥操作，使操作人员更真实地感知远程机器人操作对象，辅助操作人员更精准、便捷地完成操作任务。

    图13 数字孪生遥操作技术

  数字孪生环境下的机器人视觉伺服运动规划技术（图14），通过构建工业机器人作业的数字孪生环境，基于深度强化学习训练混合视觉伺服控制器，得到作业任务的最优运动方案，实现机器人运动的多约束自主规划。

   
图14 机器人视觉伺服运动规划技术

  基于增强现实的工业机器人维修导航技术，通过增强现实的数字孪生可视化虚实交互技术，实现工业机器人维修维护操作智能导航，将当前维修任务的工艺文件以虚拟维修指令的形式，引导维修人员进行故障处理，有效地提高工业机器人的维修维护效率。

  ▍ 三、工业机器人应用实例

  3.1 工业机器人本体系统与高性能通用控制系统设计研发

  浙江大学等设计研发了具有自主知识产权的HRT系列四轴、六轴、七轴工业机器人本体系统及高性能通用控制系统，覆盖教育和工业应用领域。其中，笔者团队自主开发了一个机器人集成工作站，该小型工作站可以在工作站里形成有序的物流，有序的算法的验证。

  3.2 汽车车门的机器人焊接线设计

  采用基于时空连续性的多机器运动干涉实时检测（图17）、基于智能计算的装备生产线布局多约束优化、基于虚拟人操作的任务工作流建模与求解（图18）等方法，解决了焊缝不可达和焊接干湿的问题，最终提高了装备生产线的设计（图19）效率、设计质量，缩短了装备生产线的开发周期。

 
图17 基于时空连续性的多机器人运动干涉实时检测

   
图18 基于虚拟人操作的任务工作流建模与求解

   
图19 宁波信泰福特Focus车门焊接线设计

  3.3 齿盘堆焊成形生产线设计与集成

  车辆齿盘堆焊（图20）要求在一个工位上实现齿盘焊接后直接形成符合设计要求的齿面，并集成上下料、焊接、检测、码垛等多项功能。在此过程中，如何确定影响齿盘表面多层堆焊质量的主要焊接工艺参数及其取值方案，如何考虑工装设计与工艺流程设计、生产线规划的协同优化，如何实现搬运与焊接机器人的协同作业，以及与外围自动化辅助设备的控制集成，成为主要的技术难点。

 

图20 车辆齿盘堆焊

  3.4 多品牌工业机器人虚拟示教编程系统

  浙江大学设计研发了面向多品牌工业机器人的虚拟示教编程系统（图21），通过构建不同品牌示教器与单一机器人本体间的映射关系，实现多品牌工业机器人一体化示教。虚拟示教可以通过人、机器人在同样虚拟的界面下进行人机对话，学习到机器人如何编程。

     

图21 多品牌虚拟示教器及虚拟示教编程系统

  除此之外，一系列从正向设计到创新设计的关键技术与应用：超大型低能耗大型空分装备设计制造技术，高档数控机床数字化正向设计的关键技术，大吨位深拉伸液压装备设计制造关键技术，一类高端龙门加工中心创新设计关键技术，电梯大批量定制设计与数字化智能化技术，数控机床远程监控、诊断与虚拟维修技术，大型舰船分段制造的作业模拟与优化技术，机器人作业布局规划与智能制造应用技术，重大装备产品性能设计、计算与仿真技术，数字化装配关键技术在航天产品中的应用等，帮助一批企业实现了数字化转型。

  综上所述，笔者认为，工业机器人对于我国智能制造的发展有着举足轻重的作用，笔者带领的团队在相关项目研发上得到党和国家领导人的高度重视。在从“制造大国”向“制造强国”迈进的道路上，需要各方力量协同合作、久久为功。加快培养人才尤其是具有全球竞争力的高层次人才，不断激发出其巨大的创新能量，推动“中国制造”走向“中国智造”，为全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴提供强大支撑、贡献更大力量。

审核编辑：刘清