譚建榮，中國工程院院士，峰會主旨報告《機器人應(yīng)用中的若干問題及其解決方案》。

　　各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家下午好。我很高興有機會到余姚跟大家做交流，根據(jù)我自己經(jīng)驗對工業(yè)4.0、智能制造，以及機器人在企業(yè)應(yīng)用當(dāng)中遇到的問題跟大家做交流，我的主旨題目是《機器人應(yīng)用中若干問題及解決方案》。

　　工業(yè)4.0和工業(yè)2025是要推廣智能制造，而這個智能制造我理解還是要三大技術(shù)，第一是大數(shù)據(jù)，智能制造就是數(shù)據(jù)、傳感，這個是一個重要的前提。第二個技術(shù)就是機器人的技術(shù)，我們搞智能制造是跟其緊密關(guān)聯(lián)的，第三還跟支撐協(xié)同，移動網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的。我們機器人是多學(xué)科交叉的，具體來說，是3項技術(shù)，第一項是機電控制，因為你這個機器人也是機器的高級別。第二你要叫機器人，為什么叫機器人？就是利用人工智能的技術(shù)。我們現(xiàn)在講的智能制造，智能兩個字隱含了人工智能。因為人的智能，老早有了。無論我們搞設(shè)計，搞經(jīng)濟，動腦筋，都要用到智能。智能經(jīng)濟，人類一開始從事經(jīng)濟活動就是智能。但是智能制造里面智能是人工智能。這個人工智能要實現(xiàn)我們的目標(biāo)是人機交互，人機協(xié)同，人機一體化。由于機器人的應(yīng)用，由于智能制造技術(shù)推廣，所以制造業(yè)朝著數(shù)字化、智能化、擬人化、綠色化方向發(fā)展。那么在這樣的背景下，機器人，現(xiàn)在我理解有四大領(lǐng)域，前沿領(lǐng)域，第二個是我們的波司登大狗為核心的，就是軍用機器人，軍用機器人這個是比較典型的行業(yè)，第二個就是Alphago，這個也是很最近很熱門的話題。它是另一類智能型，以人工智能為主的機器人。這個是工業(yè)機器人，這個就是服務(wù)機器人。這四個領(lǐng)域研究對機器人技術(shù)本身的發(fā)展，起了很大推動作用。特別是波司登大狗和Alphago是人工智能運用的典范，也是機器人應(yīng)用的一個比較重要的里程碑。

　　企業(yè)運用工業(yè)機器人現(xiàn)在很多，特別是在浙江很多企業(yè)推廣機器換人和機器人自動化流水線。在這個過程當(dāng)中有些企業(yè)，用得比較好，效果顯著。但是，也有一些企業(yè)，應(yīng)用還不是太成功。遇到了一些困難和問題。那么，我歸納一下主要有6個問題。

　　第一個問題對于企業(yè)來說，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)第一個問題就是如何實現(xiàn)工業(yè)機器人的配制顯型。首先要解決我用什么樣機器人來我的生產(chǎn)流程。那么，這個根據(jù)機器人應(yīng)用的分類我們要分析機器人的負載自由度，最大應(yīng)用范圍，重復(fù)精度，速度、本體重量，慣性力矩等等要進行確定型號和數(shù)量。由于機器人數(shù)量多樣性，以及客戶需求這個模糊性，面臨了兩大技術(shù)難題，具體來說。模糊需求如何轉(zhuǎn)化為精確的參數(shù)。第二如何實現(xiàn)多參數(shù)匹配協(xié)調(diào)。。

　　第二個問題如如何實現(xiàn)工業(yè)機器人的布局設(shè)計。我們先講第一個問題，如何布局。我們要考慮三個問題，第一個問題就是操作的可達性，第二個問題就是空間的緊湊性，第三是人機的安全性。那么，具體來說，也有兩個技術(shù)上的難題。第一個就是如何求解機器人基座最優(yōu)位置姿態(tài)，第二是如何實現(xiàn)機器人工裝，工件三維作業(yè)空間的干涉和互干涉涉實時檢測，根據(jù)機器人，場地因素設(shè)定機器人的位置，以及高度機器人周邊設(shè)備布置參數(shù)，使得機器人不斷的執(zhí)行，以合理的姿態(tài)到達指定的位置。

　　第三個問題就是如何實現(xiàn)工業(yè)機器人的作業(yè)規(guī)劃。具體來說，我們就要設(shè)計工業(yè)機器人實行作業(yè)突破，機器人路徑規(guī)劃，使得機器人工作周期的時間盡量短。這個也有兩個技術(shù)上的難題。第一個是如何求解機器人最優(yōu)作業(yè)的拓撲順序，第二如何考慮作業(yè)撲補與布局設(shè)計的合作，使得時間最短。

　　第三個就是如何實現(xiàn)工業(yè)機器人運動學(xué)動力學(xué)分析。我們要實現(xiàn)機器人精確的位置，精確的軌跡要進行運動學(xué)分析，我們要使機器人運動具有平穩(wěn)型就要進行動力學(xué)的分析。在這個方面，主要考慮卓越的靈巧性，定位的精確性和運動的平穩(wěn)型。那么這個時候，我們主要解決的是技術(shù)難題是如何實現(xiàn)復(fù)雜組合題，軟性物體、甚至生物活體這一類作業(yè)的對象特點機器人靈巧運動控制，如何減少機器人關(guān)節(jié)間隙帶來的沖擊與振動，確保機器人運動的精確性和操作的平穩(wěn)型。

　　第五個機器人應(yīng)用中如何實現(xiàn)機器人的虛擬現(xiàn)實與仿真，這個問題是過程的擬實性，運動的可視化。通過我們的研究，需要解決的技術(shù)難題是實現(xiàn)機器人示教點位姿優(yōu)化，虛擬識教運動偏差的檢測和校正，虛擬識教的路徑和值與時間最優(yōu)運動規(guī)則，如何在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)機器人作業(yè)過程當(dāng)中車文、人流的協(xié)調(diào)性。

　　第六個問題是機器人運用中如何實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的集成，我們應(yīng)用了機器人，要實現(xiàn)機器人與輔助工藝裝備，控制系統(tǒng)的集成與協(xié)同控制，這個時候要解決的問題是不同工藝流程下，機器人與輔助設(shè)備，工裝夾具協(xié)調(diào)作業(yè)過程集成。并且考慮功能分布與任務(wù)并行多功能機器人協(xié)同控制。針對，這6個問題，我們提出了一些解決方案。解決機器人多種用途，多種自由度，多個單元如何協(xié)調(diào)，具體概括起來三大類型。第一個布局設(shè)計，第二運動性，第三是多機高效協(xié)調(diào)完成工業(yè)的任務(wù)。在這里我們把這三個特點，轉(zhuǎn)化為幾項技術(shù)。從而能夠?qū)崿F(xiàn)機器人應(yīng)用當(dāng)中靈活性，平穩(wěn)型和協(xié)同性，我們提出了四項關(guān)鍵技術(shù)。

　　我們第一項就是機器人生產(chǎn)線總體布局，卓越規(guī)劃基礎(chǔ)。這個主要是使機器人生產(chǎn)線布局實際滿足兩個，不僅能夠使機器人末端執(zhí)行以合理的姿態(tài)到達指定的位置。第二使機器人完成任務(wù)工作周期盡可能短。那么我們這里，有一個機器人，這個有三種方案，這三種方案都有缺陷，第一種方案是這個焊縫很大。還有正面焊縫，兩面難以堅固。第三個焊縫可以到達，但是布局不是最優(yōu)。因此我們提出了基于機器人的位置，和作業(yè)和拓撲順序一個方案。比如這個汽車門框為例，解決汽車門框焊接以焊縫目標(biāo)坐標(biāo)系在最優(yōu)記錄布置下的表達方式。我們具體來說，我們提出了基于廣義可達工作區(qū)域檢測方式?？焖俳C器人的記錄空間，提出機器人記錄可行空間，最后采用模式搜索算法實現(xiàn)了的機器人設(shè)計。

　　在這個方面我們也取得幾項國家的發(fā)明專利。采用了蟻群算法實現(xiàn)了基座最優(yōu)順序。

　　第二個方面是機器人運動學(xué)與動力學(xué)性能。

　　這個方面我們采用機器人，運動學(xué)建模和運動學(xué)建模。因為機器人設(shè)計的時候，它的理想軌跡，那是沒有的。但是，事實上，機器人的關(guān)鍵存在間隙，這個會影響它的運動學(xué)性能跟動力學(xué)性能。我們通過運動學(xué)，動力學(xué)建模，考慮了沒有間隙的機器人和有間隙機器人操作區(qū)別。這個方法也獲得了國家發(fā)明專利。那么，提出了運動反復(fù)的動態(tài)相應(yīng)譜來刻劃動力學(xué)行為，以動態(tài)響應(yīng)譜，為函數(shù)，有運動市場，卓越姿態(tài)，多個變量，實現(xiàn)了居于動態(tài)譜的關(guān)鍵和間接機器人軌跡方式方法。這個方法同時也獲得了國家發(fā)明專利。

　　第三項技術(shù)我們提出了機器人任務(wù)虛擬世界和模擬方針技術(shù)。因為這個機器人要編程這個是比較困難。而示教兩個層面，一個人如何操作，如何來編程這個機器人的運動軌跡。第二個作為機器人，如何反求出它的運動軌跡，根據(jù)，虛擬空間的軌跡。來反求運動學(xué)方程和動力學(xué)方程。在這個方面有三種方式，第一種方式就是在線示教，直接編程定義，這適合批量化的生產(chǎn)由于操作技能，工作量大，還是比較大。所以我們提出后面兩種，一種離線示教，利用可視化編程，這樣對使用者也有一定的要求，第三個方法是比較理想的方法。是通過虛擬示教的方式，借助虛擬現(xiàn)實，實現(xiàn)人機交互。在虛擬環(huán)境中人機定義，具有直觀、簡便的優(yōu)點。比如說我們這里都有利用這個示教變成器技術(shù)機器人抓取，然后進行示教，然后進行反求出它的軌跡和它的運動學(xué)方程。那么在這個時候我們?yōu)榱吮阌谄髽I(yè)，使用、維護、保養(yǎng)機器人的需要，我們通過虛擬的界面把安全機器人和ABB機器人這個界面能夠集成到虛擬環(huán)境當(dāng)中。通過虛擬環(huán)境下進行示教分析。這個示教，人的操作示教還是相對容易，關(guān)鍵要根據(jù)虛擬空間當(dāng)中這個軌跡來反求出它的運動學(xué)和動力學(xué)方程，這涉及到動力學(xué)方程反解，這個和數(shù)學(xué)技術(shù)比較，我們虛擬數(shù)現(xiàn)實3維模型，通過仿真，在線整個動作過程核心反求機器人運動模型，把機器人空間的位移解析作為時間的函數(shù)，特別是關(guān)鍵變量和機器人執(zhí)行期的位置和姿態(tài)之間的關(guān)系，所以我們這個問題實際上就是我們講的機器人運動學(xué)的正問題和逆問題。它是整個虛擬示教中最關(guān)鍵的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

　　那么我們這里也通過這個6個自由度手腕偏置型機器人技術(shù)了反解。我們用了兩個詞，一個是通用機器人，末端三軸交于一點的，存在運動學(xué)封閉解。然后手腕偏置型機器人，更好的避免了與環(huán)境的干涉。

　　那么，這個是是通過6個自由度手腕偏置型機器人運動學(xué)求解，這是位置反解，是機器人作業(yè)控制基礎(chǔ)，手腕偏置型6R機器人位置的反接的末端準(zhǔn)確性和精確性。

　　這是坐標(biāo)系，關(guān)鍵點。這個研發(fā)了任務(wù)虛擬示教，與模擬仿真技術(shù)。第一個是虛擬示教，第二是機器人工作站布局設(shè)計是機器人作業(yè)過程運動控制。

　　第四是機器人自動化集成技術(shù)。通過上面我們要面向企業(yè)進行生產(chǎn)線的設(shè)計和生產(chǎn)集成。生產(chǎn)線設(shè)計我理解兩個層面，我們要設(shè)計自動化生產(chǎn)線，首先要對企業(yè)，加工產(chǎn)品的工藝流程，要非常的熟悉。這是第一個層面。就把已有的工藝流程，進行自動化的升級，但是光有這個還不夠。我們要根據(jù)機器人卓越的特點，對它的工藝流程進行重組和再造。我覺得后面這個意義更大。根據(jù)機器人的特點重新考慮它的工藝流程。這樣就是涉及到工藝流程的設(shè)計。包括生產(chǎn)線的設(shè)計，生產(chǎn)線集成。這個時候我們對它關(guān)鍵工藝，機器人技術(shù)加智能化技術(shù)進行系統(tǒng)集成。關(guān)鍵的工藝現(xiàn)在機器人運用，結(jié)合機械制造，主要在焊接運用比較多。沖壓方面也有，機械加工，裝配工藝這些都用得比較多。這個我們涉及到一系列機器人運用的技術(shù)，把工藝流程進行升級，能夠再造出更優(yōu)化的工藝。我們這里也采用了PLC、工控機等主控機一起來做集成應(yīng)用

　　再舉兩個具體例子，一個是汽車車模焊接生產(chǎn)線。這個我們也虛擬示教、仿真，一些實際的生產(chǎn)線改造，幫助一個企業(yè)，它的產(chǎn)品是一年生產(chǎn)12萬套，每套4件。這個56秒完成一個焊接。通過我們實際分析計算覺得要用三臺焊接機器人并行作業(yè)，它也要解決三個技術(shù)難點，一個是卓越突破機器人作業(yè)規(guī)劃與仿真，第二是三維空間的自干涉與互干涉，第三是任務(wù)工作流時序的協(xié)同。我們?nèi)肆?，搞智能制造不是無序生產(chǎn)，是人和機器合理分工，有人就有人流，第二是物流，我這個對象，加工的對象是焊接的車門，就是物流。第三個就是機器人的流，這三股流如何在時間的維度上合理的配合。那么這個通過持續(xù)的仿真，我們解決了多機器人運動干涉的實時檢測。取得了比較好的經(jīng)濟效益和社會效益。由于技術(shù)的提升，使得實際效力大大提高，調(diào)試效力大大提高，整個生產(chǎn)線開發(fā)周期大大縮短。我們最近還幫助一個企業(yè)做了一個齒盤對于對焊成形狀自動化生產(chǎn)，原先工作量比較大。針對這些，我們研發(fā)了齒盤堆焊自動化生產(chǎn)線，此用機器人和外圍輔助設(shè)備，集成了焊料，檢測、堆垛多項功能，實現(xiàn)了齒盤焊接以后，對焊以后的幾何形狀完全符合尺寸的要求齒面。這里要有對堆焊的研究，首先要把工藝產(chǎn)品研究透徹。第二對齒盤堆焊成型進行了設(shè)計，包括工藝流程的設(shè)計再造，生產(chǎn)線規(guī)劃，工裝設(shè)計等等。然后對整個生產(chǎn)線進行系統(tǒng)進集成。那么，這個是它一黏液要做將近3000千，每個小時做一片，我們設(shè)計了兩臺機器人焊接一個齒盤。解決了它的技術(shù)難點，就是齒盤表面堆焊工藝參數(shù)的研究，所以對焊接工藝，對這個項目的跟蹤檢測，焊好以后馬上進行實時的檢測，第三焊接過程多機器人協(xié)同控制，由于這個項目的實施，大大提高了整個生產(chǎn)的效率，而且提高了它的質(zhì)量，使它人工打磨這個過程，基本上可以省略，實現(xiàn)了自動化漸進成型，時間關(guān)系，我就介紹這些情況。最后，歡迎我們我們各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家到我們浙江大學(xué)，到我們機電學(xué)院進行參觀指導(dǎo)技術(shù)合作、項目合作，我就講這么多，最后謝謝大家。