機(jī)器人市場(chǎng)爆發(fā)從行業(yè)應(yīng)用落地開始。目前，智能制造仍是機(jī)器人最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，而智能制造實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和核心是智能工廠。7月8日，2023智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇在世界人工智能大會(huì)同期舉行。論壇以“ ‘智’在新變局”為主題，西安交通大學(xué)教授姜歌東受邀出席，以“從智能工廠看移動(dòng)機(jī)器人”為主題，分享了移動(dòng)機(jī)器人如何打通智能工廠的物理與信息連接，提高工廠良品率和生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)力成本，為工廠智能化提供支撐。
西安交通大學(xué)教授姜歌東
以下為姜歌東教授演講內(nèi)容實(shí)錄：
首先感謝2023世界人工智能大會(huì)邀請(qǐng)我來對(duì)我智能工廠和機(jī)器人技術(shù)的一些理解給大家來做分享。
前面兩位主任都對(duì)機(jī)器人和人工智能技術(shù)在工作中的影響以及跨界創(chuàng)新做了一個(gè)非常精彩的報(bào)告。我的工作是局限于智能工廠，也就是制造業(yè)。
我的整個(gè)匯報(bào)分為四個(gè)部分：
一、背景和意義
大家先了解一下智能工廠應(yīng)用機(jī)器人的背景。大家知道制造業(yè)是我們國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是國家發(fā)展的一個(gè)重要支柱，制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)有三方面的因素：能源、效率、勞動(dòng)力。到2015年，我們國家的能源、效率、勞動(dòng)力成本之和接近美國，因此我們可以認(rèn)為我國制造業(yè)從人口優(yōu)勢(shì)、能源優(yōu)勢(shì)、土地優(yōu)勢(shì)2015年不再有這種優(yōu)勢(shì)，制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)尤其激烈。
激烈的競(jìng)爭(zhēng)是國家低端制造業(yè)走到盡頭，現(xiàn)在是高端化制造，一個(gè)是產(chǎn)品高端化，一個(gè)是制造過程的高端化。所謂產(chǎn)品的高端化制造業(yè)面向的產(chǎn)品包括高鐵、大飛機(jī)、3C制造業(yè)、晶圓制造;所謂制造過程的高端化機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、智能生產(chǎn)線、智能技術(shù)在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
高端制造業(yè)也就是現(xiàn)代的制造業(yè)有一些特殊需求，比如說制造過程需要高效高質(zhì)量，效率和質(zhì)量是制造過程最基礎(chǔ)的要求，還有綠色和環(huán)保，因?yàn)榇蠹疑钤诹己铆h(huán)境中，綠色環(huán)保的治保也是一個(gè)基本要求。為了適應(yīng)個(gè)性化定制需求，現(xiàn)在制造業(yè)中多品種混線制造方式廣泛出現(xiàn)，包括汽車制造業(yè)，還有3C制造業(yè)，以及電池制造業(yè)中。
除此之外，在制造過程當(dāng)中大批量的時(shí)間限定交貨期，使得訂單賣動(dòng)現(xiàn)象很明顯。有的時(shí)候工廠訂單非常緊，有的時(shí)候就沒有訂單了。除此之外，隨著勞動(dòng)力成本的提高和培訓(xùn)成本的提高，合格的勞動(dòng)者在制造業(yè)中是比較缺乏的。
除此之外，作為制造企業(yè)希望任何一個(gè)產(chǎn)品制造都能夠是有理論的，即便是單個(gè)產(chǎn)品也希望有理論。所以，希望產(chǎn)品制造的成本要盡量低。因此，這就對(duì)制造系統(tǒng)提出了一個(gè)“快速響應(yīng)、柔性定制”的要求。
在這種需求的基礎(chǔ)上，我們的制造方式從傳統(tǒng)的“人+制造裝備”變成了“人+信息系統(tǒng)+制造設(shè)備”。
對(duì)于“人+信息系統(tǒng)+制造設(shè)備”方式，由于強(qiáng)調(diào)了信息系統(tǒng)的智能控制、智能決策、智能信息交互，就構(gòu)成了一個(gè)新型的智能制造方法。所以可以看到對(duì)智能制造而言，智能信息系統(tǒng)具有智能控制、智能決策和智能信息交互的信息系統(tǒng)是智能制造最核心的一個(gè)部分。
隨著通信技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，使得制造要素隨時(shí)隨地可以獲得。在我們離散制造過程當(dāng)中所有單元可以泛在感知，移動(dòng)互聯(lián)使得制造過程中的智慧技術(shù)可以在時(shí)間和空間上非常方便的獲取，而且隨著通訊從3G到5G的發(fā)展，它的接入速率越來越快，而且接入過程是零延時(shí)的，為制造業(yè)做5G提供了基礎(chǔ)。
在萬物互聯(lián)形成的整個(gè)人工智能基礎(chǔ)上，我們要實(shí)現(xiàn)智能制造還有一個(gè)很重要的要獲得大數(shù)據(jù)。有的大數(shù)據(jù)需要人工智能的工具基于云計(jì)算，因此物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的發(fā)展為智能應(yīng)用提供了廣泛的良好基礎(chǔ)。
綜上所述，一個(gè)智能制造系統(tǒng)由工業(yè)云、智能工廠組成，這又回到了今天的主題“智能工廠”，是對(duì)智能過程的協(xié)作工作，而工業(yè)云主要負(fù)責(zé)制造系統(tǒng)中系統(tǒng)內(nèi)部資源管理、協(xié)作、供應(yīng)，得到制造的大數(shù)據(jù)，得到行業(yè)的支持，最后提供整個(gè)智能制造系統(tǒng)的一個(gè)解決方案。
因此，在智能制造系統(tǒng)中，智能工廠是最核心的一個(gè)部分和難點(diǎn)。智能工廠希望能夠?qū)φ麄€(gè)制造過程進(jìn)行全域感知、全局協(xié)同、全限智能。
因此，我們可以歸納一下對(duì)于智能工廠而言有三個(gè)特點(diǎn)：一是用工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)小車還有傳輸線，從物理象離散系統(tǒng)連接在一起，打通了物質(zhì)流;二是用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)相連，打通了整個(gè)制造過程中的數(shù)據(jù)流;三是用智能分析(人工智能)代替人的決策，實(shí)現(xiàn)智能決策。
這就是智能工廠的三個(gè)特征。我們可以看到移動(dòng)機(jī)器人是打通智能工廠物質(zhì)流的一個(gè)很重要的利器。因?yàn)樵谥悄芄S打通搬運(yùn)小車傳輸線從根本可以移動(dòng)機(jī)器人方式來解決。
二、智能工廠中的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)
這部分分享一下關(guān)鍵技術(shù)和移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)。首先回顧一下移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)橐瓿梢恍┳鳂I(yè)和操作。
移動(dòng)操作機(jī)器人整體分為兩類：導(dǎo)軌式操作機(jī)器人、輪式移動(dòng)操作機(jī)器人。導(dǎo)軌式是利用輪子、導(dǎo)軌、齒條進(jìn)行機(jī)器人的移動(dòng)，定位精度準(zhǔn)，運(yùn)行速度快，有效負(fù)載大，在焊接、鑄造、機(jī)械加工、智能倉儲(chǔ)、汽車、航天等鋼也制造中得到了廣泛的應(yīng)用;輪式移動(dòng)操作機(jī)器人，有一個(gè)輪式底盤，搭載了協(xié)作機(jī)器人，不需要輔助導(dǎo)軌，它的精準(zhǔn)稍微差一些，載重能力差一點(diǎn)，主要用于不同工位的物料運(yùn)輸、長(zhǎng)距離的抓取檢測(cè)等。
自動(dòng)移動(dòng)操作機(jī)器人是一類新型的機(jī)器人，是有底盤的移動(dòng)操作機(jī)器人，我們稱之為“手、眼、腳”三項(xiàng)功能于一體的機(jī)器人。
所謂“手”就是加持器、六字U度(音)的機(jī)械臂;所謂“腳”是移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái);所謂“眼睛”，包括激光雷達(dá)、深度視覺都是用于定位導(dǎo)航和避障，因此所謂眼就是工業(yè)相機(jī)，用于識(shí)別它的要抓取的作業(yè)物品。
自主移動(dòng)操作的機(jī)器人打通智能工廠物質(zhì)流一個(gè)很重要的工具，它可以實(shí)現(xiàn)從備料倉到生產(chǎn)線，從生產(chǎn)線到生產(chǎn)倉的物料轉(zhuǎn)運(yùn)，也可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線中不同基臺(tái)的上下料，以及不同基臺(tái)之間的物流搬運(yùn)。
目前，這種自主移動(dòng)機(jī)器人架構(gòu)形式可以有“移動(dòng)底盤+滾筒”“移動(dòng)底盤+機(jī)械臂”“移動(dòng)底盤+料倉”，所以它的結(jié)構(gòu)形式可以是非常豐富的。
對(duì)于自主移動(dòng)操作機(jī)器人來說整體技術(shù)架構(gòu)是分為三個(gè)部分：移動(dòng)底盤部分，可以是中型、輕型、大型、室外移動(dòng)機(jī)器人;信息采集與執(zhí)行部分，主要機(jī)械臂，信息采集包括了相機(jī)、傳感器、監(jiān)測(cè)視頻等;信息處理決策部分，包括頭部導(dǎo)航SLAM系統(tǒng)、視覺感知系統(tǒng)、單機(jī)控制技術(shù)。
在這三項(xiàng)技術(shù)支持下，機(jī)器人就具有單機(jī)自主的移動(dòng)能力和執(zhí)行操作的能力。
信息處理與決策單元除了單機(jī)移動(dòng)和執(zhí)行能力外，還有多機(jī)調(diào)度與管理能力。
對(duì)于自主移動(dòng)操作機(jī)器人來說，信息處理和決策系統(tǒng)是能夠和工廠中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括MES系統(tǒng)、ERP、WMS系統(tǒng)進(jìn)行互相連接，這就又為移動(dòng)操作系統(tǒng)打通整個(gè)制造過程中的信息流提供了一個(gè)很有效的工具。
下面說一下移動(dòng)操作機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)。
1.動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位與監(jiān)測(cè)技術(shù)。
2.自主定位與導(dǎo)航技術(shù)。是自主移動(dòng)的機(jī)器人，所以通常在硬件底盤配備了360度的激光雷達(dá)可以進(jìn)行見圖定位導(dǎo)航功能。除此之外還帶有深度視覺、立體視覺，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維避障。在末端配有高精度的輔助定位裝置。
3.視覺識(shí)別及操作技術(shù)。包括了點(diǎn)云獲取處理，要作業(yè)物體識(shí)別、機(jī)器人手眼標(biāo)定、物體抓取策略，以及目標(biāo)操作的內(nèi)容規(guī)劃技術(shù)。如圖可以進(jìn)行作業(yè)要求自主識(shí)別物體，進(jìn)行抓取。
4.安全協(xié)同控制技術(shù)。我們知道移動(dòng)操作機(jī)器人應(yīng)用的時(shí)候很多時(shí)候跟人打交道，所以機(jī)器人必須具有柔順化操作的能力，能夠跟人在共同工作中對(duì)人不會(huì)造成傷害。作為一個(gè)自主移動(dòng)操作機(jī)器人會(huì)有底盤，上面是機(jī)械臂，底盤和機(jī)械臂之間有分配協(xié)調(diào)控制也是移動(dòng)操作機(jī)器人的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
5.多機(jī)器人調(diào)度技術(shù)。因?yàn)樵诠S中通常情況下會(huì)用到多個(gè)自主移動(dòng)的機(jī)器人來進(jìn)行物流運(yùn)輸，因此需要機(jī)器人的控制系統(tǒng)、管控系統(tǒng)能夠根據(jù)任務(wù)分配最優(yōu)的機(jī)器人，并且制定最優(yōu)的機(jī)器人。
6.5G無線通信技術(shù)。可以自由工作的時(shí)候，它會(huì)根據(jù)不同類型設(shè)備，包括倉儲(chǔ)設(shè)備、制造設(shè)備、測(cè)量設(shè)備進(jìn)行信息交互，因此對(duì)整個(gè)無線通信技術(shù)提出了很高要求，5G技術(shù)有實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。
三、移動(dòng)機(jī)器人在智能工廠的應(yīng)用實(shí)例
1.發(fā)動(dòng)機(jī)組裝生產(chǎn)線物流。節(jié)拍要求高轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)，物料重量大。為了解決這個(gè)問題，我們的解決方案用了三臺(tái)移動(dòng)操作機(jī)器人，既能實(shí)現(xiàn)內(nèi)裝托盤轉(zhuǎn)運(yùn)，也能實(shí)現(xiàn)外裝運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)，將原有5分鐘縮短到2分鐘，而且比傳統(tǒng)方案成本減少了一半。由于24小時(shí)不間歇工作，所以產(chǎn)能減少了一半。
2.耳機(jī)的SMT生產(chǎn)線物流。可以與制造系統(tǒng)的MES系統(tǒng)、倉庫管理進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)三條SMT產(chǎn)線的物流配送。
3.半導(dǎo)體晶圓制造物流。我們知道半導(dǎo)體分為前、后工藝，作為一個(gè)晶圓生產(chǎn)完成在過程當(dāng)中反復(fù)投入，所以一個(gè)晶圓制造會(huì)有超過1000道的工序。所以物料需要在不同機(jī)臺(tái)進(jìn)行上下料，所以物流運(yùn)輸量非常大。而且要求是Claas-1的無塵車間，即便人穿著防護(hù)服也沒有辦法防止污染，因此希望用無人化移動(dòng)操作機(jī)器人來代替人進(jìn)行搬運(yùn)。
1)在全球某知名晶圓廠中采用了8寸晶圓盒的無人化轉(zhuǎn)運(yùn)和上下料，采用了優(yōu)艾智合Trans-OW8晶圓搬運(yùn)機(jī)器人，移動(dòng)靈活、位精度高、適用于全局部署。潔凈等級(jí)滿足Class-1，移動(dòng)時(shí)震動(dòng)數(shù)值低比人搬運(yùn)時(shí)低很多。采用了無人搬運(yùn)和上下料理之后，趨勢(shì)減少了操作人員，而且提高了電子料價(jià)的利用率，節(jié)省人力成本，每年能達(dá)到300萬元。
2)國內(nèi)某分離器件電子元器件行業(yè)頭部公司：黃光一體化車間自動(dòng)化物流。
我們用了7臺(tái)移動(dòng)操作機(jī)器人完成了為“印刷、曝光、顯影”三大工藝段的單日672日次的物料轉(zhuǎn)運(yùn)，節(jié)約了16名工人，提升了綜合良品率。因?yàn)辄S光一體化車間設(shè)備是4000伏的高壓，所有一般加工之后需要靜置4小時(shí)，人工不能進(jìn)去，所以用自主移動(dòng)操作機(jī)器人上下搬運(yùn)是解決了能耗問題，整個(gè)效率可以提升很多。
3)全球規(guī)模領(lǐng)先的軌道交通裝備供應(yīng)商：晶圓高壓離子注主車間的料配送。離子注入車間實(shí)現(xiàn)無人化車間改造，完成晶圓盒配送和機(jī)臺(tái)自主上下料，滿足車間7×24小時(shí)的連續(xù)生產(chǎn)需求，應(yīng)用晶圓搬運(yùn)機(jī)器人之后，產(chǎn)能提升150%。
4)國內(nèi)某半導(dǎo)體企業(yè)工廠：封裝車間的整體物流。采用頂升機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)彈夾，移動(dòng)操作機(jī)器人OM-T12完成機(jī)臺(tái)上下料。解決工廠無人化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)彈夾、整體托盤在烤箱、料架及各個(gè)機(jī)臺(tái)的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和上下料。24小時(shí)連續(xù)作業(yè)，解放勞動(dòng)力;實(shí)時(shí)反饋運(yùn)輸過程的物流數(shù)據(jù)，打通工廠信息流。
四、總結(jié)
1.以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為依托的智能制造是制造業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，智能工廠是智能制造的核心。
2.移動(dòng)機(jī)器人是打通智能工廠物質(zhì)流、信息流，實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵設(shè)備。
3.智能能工廠中的移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)包括：動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤技術(shù)、自主定位與導(dǎo)航技術(shù)、視覺識(shí)別及抓取技術(shù)、安全協(xié)同控制技術(shù)、多機(jī)器人調(diào)度技術(shù)、5G無線通信技術(shù)。
4.移動(dòng)機(jī)器人在智能工廠物流系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了良品率和生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)力成本。
謝謝大家。
