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国产工业机器人研究热点

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哈尔滨工业大学机器人研究所  赵杰

编者按:2018年8月16—17日,2018世界机器人大会期间,由中国航空工业技术装备工程协会主办,航空工业北京长城航空测控技术研究所、《测控技术》杂志社承办的第二届智能技术与工业机器人应用论坛同期在北京隆重召开。哈尔滨工业大学机器人研究所所长、“十三五”国家重点研发计划“智能机器人重点专项”总体专家组组长赵杰教授作为特邀请嘉宾给我们带来了《国产工业机器人研究热点》的精彩主题演讲。本文根据演讲报告录音整理。

1   贸易战对国产工业机器人产业的影响

首先从近期的工业机器人进出口数据来看贸易战对国产工业机器人的影响,对2018年第一季度中国对美国工业机器人进出口量进行对比,并对美国进出口量占全部进出口量的比例进行分析,由此可知:中国从美国进口工业机器人数量占全部进口工业机器人数量的比例很小,出口比例也很小,但出口金额相对较高。近年来,我国进口工业机器人整体来说单价呈下降趋势,出口工业机器人单价略有提升,说明我国国产机器人品质有所提高。对2014—2017年国产机器人生产占比进行分析可知:中国工业机器人2/3依靠进口,说明中国是全球工业机器人最大的需求市场,存在严重的逆差。我国进口工业机器人主要集中在欧盟、日本及韩国,出口主要集中在“一带一路”国家。

未来几年内,无论从出口还是进口的角度看,美国都不是中国工业机器人的主要贸易市场。但从长久来看,虽然国内企业收购成熟技术主要集中在欧盟、日本、韩国,但大多数前沿技术还是集中在美国。所以贸易战对我国和美国在技术合作方面会产生非常大的影响。

  仔细分析国产机器人发展过程中存在的问题可知,掌握核心技术,自主可控,拥有核心竞争力,才是解决这些问题的“良药”,真正做到上述几点,可能很多问题就能迎刃而解了。下面就新一轮技术革命背景下我国工业机器人主要研究的热点问题进行梳理。

2   当前工业机器人的研究热点

2.1   核心零部件性能优化

工业机器人上的核心零部件包括精密减速器、伺服电机与驱动、控制器、专用传感器等。国内已经有很多企业在从事相关方面的工作,但还是存在许多问题。如减速器性能如何提升;传统的伺服电机生产没有问题,问题在于我国在驱动算法方面与国外的差距较大;控制器方面也亟需解决软件算法问题。

2.2   工业机器人整机性能测试与评估、安全及可靠保障

目前,我国的标准还是20年前制定的,现在亟需研究工业机器人多种参数的测量方法,建立工业机器人整机评估模型;建立工业机器人可靠性工作基本规范,评估建模方法、指标预测和分配、元器件和整机的可靠性测试、破坏性测试以及加速测试方法等关键技术。

2.3   工业机器人的软能力建设

工业机器人包括硬能力和软能力。硬能力,即核心零部件的能力;软能力,则可定义为通过信息技术融合能够实现的能力,包括智能控制技术、人工智能技术等。软能力是我国工业机器人领域最大的短板,目前大量依靠进口,包括:机器人操作系统、面向工业机器人设计与仿真、生产线的工艺规划、离线编程软件调度软件、机器人监控与故障诊断软件及工业机器人核心工艺软件等。

未来工业机器人的硬件成本可预测,关键在于软能力的建设,我国在“十三五”后期的规划中会逐步实现。

2.4   工业机器人智能作业技术

如何突破工件特种识别测量、自主作业轨迹规划、动态跟踪、离/在线力位混合控制规划等关键技术是目前需要解决的问题,所以应该构建智能工艺专家系统。

其中,集成应用是工业机器人非常重要的核心技术,如果没有集成,应用工业机器人将无法实现。

2.5   易用性问题

易用性问题包括工业机器人如何高效示教及人-机器人技能传递技术,现在已经有人在探索新型编程示教应用模式,如图形编程等。未来更重要的是如何利用新一代信息技术等先进技术手段,研究基于自然交换与自主学习的人-机器人高效技能传授,不断深化学习,这与人工智能密切相关。

2.6   新型工业机器人技术

新型工业机器人并非传统机器人,其体量不大,但利润相对较高,而且在中国有很好的市场和产业链,这给我国工业机器人发展带来了很好的机会。所以我国需要针对制造领域特殊需求,探索有别于传统工业机器人构型的新型工业机器人技术。

2.7   灵巧作业工具技术

  灵巧作业工具技术是指快速工具更换技术或灵巧作业工具及柔性作业工具技术。其下一步发展是教会机器人使用工具,像人类一样,通过使用工具实现能力的提高和延伸。

2.8   云端工艺服务及作业学习技术

云端工艺服务及作业学习技术包括基于云计算和大数据的知识建模、作业序列建模与理解等技术。

  通过探索工艺参数大数据收集、分析、挖掘和优化方法,机器人技能自主学习与提升技术,最终实现通过云端解决机器人的技术智能性和提升其作业能力。

2.9   双臂作业工业机器人技术

随着作业任务越来越复杂,双臂机器人得到了越来越广泛的应用。相比于单臂机器人,双臂机器人在工业生产中可以做更复杂、更精准的工作。虽然国外已经有相关产品,但双臂机器人的协调操作控制尚未有一套完善的理论体系,如何真正应用到产业上还有待解决,所以在这一方面若我国加倍努力还是有可能赶超国际水平的。

2.10   人机协作型机器人技术

就目前的技术来看,机器人完全替代人类作业还有很长的路要走。而下一步发展是需要将机器人的安全保护玻璃墙去掉,取而代之的是与人类紧密接触,密切配合,所以突破人机安全共存、智能交互、协同作业等核心技术,研制新一代互助协作型工业机器人是趋势。

此项技术与双臂机器人面临着同样的问题,即如何用到产业上、如何应用,以及应用模式等问题,这些问题目前都没有明确的答案。另外,什么样的机器人可称为人机协作机器人?这些都需要不断探索。

3   工业机器人发展趋势

  多品种、少批量、个性化是未来制造业的新型模式,带来的效应是工业机器人产业由传统的单纯追求生产效率向追求柔性与效率均衡发展。

  现阶段,工业机器人发展追求的是机器人本体的自动化。过去,人们把机器人想得过于神奇,实际上目前机器人能干的事情还很少,工业机器人能完成的任务占期望作业任务的比例不足10%,还不能完成技能型作业。未来,类人化作业将带来机器人产业的巨大变革,工业机器人的智能化、柔性化可破解低端行业机器人高端应用的困境。机器人短期内并不能真正代替人的工作。

那么,未来人机关系将会发生怎样的变革呢?首先是机器人和人可以和谐交互,紧密协调合作;其次是机器人和人的物理界限消失,紧密接触,密切配合,但前提是需要机器人和人在协作过程中确保人-机-物的本质安全。

 

作者简介

 

赵杰(1968—),男,教授,博士生导师,现任哈尔滨工业大学机器人研究所所长、“十三五”国家重点研发计划“智能机器人重点专项”总体专家组组长、“十三五”国家“智能制造与机器人重大工程”总体论证组成员、“十二五”国家“863计划”先进制造领域智能机器人主题专家组组长、“机器人技术与系统”国家重点实验室(哈尔滨工业大学)学术委员会委员、“仿生机器人与系统”教育部重点实验室(北京理工大学)学术委员会委员、“机构理论与装备设计”教育部重点实验室(天津大学)学术委员会委员、国家电网公司“电力机器人技术”实验室学术委员会委员、上海市“空间飞行器机构”重点实验室学术委员会委员、中国机电一体化技术与应用协会副会长、中国人工智能学会智能机器人专业委员会委员、中国自动化学会电气自动化专业委员会委员、中国电工技术学会电控系统与装置委员会委员,主要从事极端环境服役机器人、机器人化机电一体装备等领域的科研工作。近5年主持国家自然科学基金项目、国家“863”计划项目、国家重大专项等科研项目24项。

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