摘要：隨著工業(yè)4.0時代的到來，如何將傳統(tǒng)工廠改造成為個性化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性生產(chǎn)的智能制造系統(tǒng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文從智能制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人系統(tǒng)的相似性出發(fā)，構(gòu)建了基于機(jī)器人組件技術(shù)的智能制造系統(tǒng)，對智能制造系統(tǒng)中各個生產(chǎn)單元進(jìn)行組件化技術(shù)封裝，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)組件之間的信息互聯(lián)和即插即用，通過個性化訂單要求對各生產(chǎn)組件在線任務(wù)規(guī)劃，達(dá)到柔性生產(chǎn)的目標(biāo)。此外用多異構(gòu)機(jī)器人模擬各工位生產(chǎn)單位搭建了一個可以根據(jù)用戶訂單生產(chǎn)的小型智能制造實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本研究構(gòu)建系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人組件技術(shù)；智能制造；工業(yè)4.0；物理信息系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及，市場環(huán)境也同時發(fā)生了變化，特別是對產(chǎn)品個性化、定制化、小批量、多品種的新需求給傳統(tǒng)工業(yè)帶來很多挑戰(zhàn)，在很多國家和地區(qū)出現(xiàn)了問題，如歐洲正在發(fā)生的“工業(yè)退化”現(xiàn)象[1]、我國代工廠出現(xiàn)的倒閉潮[2]等。這些問題引起了各國的廣泛關(guān)注，并紛紛提出適合自身工業(yè)發(fā)展特點(diǎn)的對策，如德國的“工業(yè)4.0計(jì)劃”、中國的“中國制造2025”、美國“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略”、日本“機(jī)器人新戰(zhàn)略”等[3]。雖然對策內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)各有不同，但是有一個共識就是第四次工業(yè)革命正在到來。

國外一些大型自動化設(shè)備企業(yè)走在了工業(yè)4.0化的前列，如德國的西門子旗下的安貝格電子制造工廠，是歐洲乃至全球最先進(jìn)的數(shù)字化工廠，被認(rèn)為最接近工業(yè)4.0概念雛形的工廠[4]，利用工業(yè)4.0技術(shù)使得產(chǎn)品合格率達(dá)到了99.998 8%。美國GE公司[5] 作為美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”主導(dǎo)企業(yè)，通過一個名為Predix的軟件操作平臺對GE的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析。該平臺負(fù)責(zé)將各種工業(yè)資產(chǎn)設(shè)備和供應(yīng)商相互連接并接入云端，從而為其提供資產(chǎn)性能管理和運(yùn)營優(yōu)化服務(wù)。

在國內(nèi)，“中國制造2025”引起了強(qiáng)烈的共鳴，相關(guān)領(lǐng)域的大量學(xué)者對其開展深入的理論和實(shí)踐研究。一方面從各個行業(yè)角度進(jìn)行分析，提出工業(yè)4.0在不同行業(yè)中的現(xiàn)狀、發(fā)展需求、機(jī)遇與挑戰(zhàn)，以及研究開發(fā)方案。如家具產(chǎn)業(yè)[6]、航空制造業(yè)[7]、制藥業(yè)[8]等。另一方面，一些研究者從國家層面出發(fā)進(jìn)行研究，認(rèn)為中國目前的制造業(yè)尚處于2.0到3.0之間[9-10]，不宜冒進(jìn)否則會流于形式；并提出，我國的工業(yè)4.0發(fā)展必須站在國家高度充分認(rèn)識工業(yè)4.0的全局性和戰(zhàn)略性，充分發(fā)揮互聯(lián)技術(shù)在制造業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈上的作用，同時重點(diǎn)關(guān)注和全面建設(shè)制造過程的系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，重點(diǎn)提升高端制造業(yè)及能源產(chǎn)業(yè)。除了理論系統(tǒng)的分析、方案的研究及方針的制定，近年來，國內(nèi)也建立了幾個工業(yè)4.0示范生產(chǎn)線，如同濟(jì)大學(xué)的“工業(yè)4.0——智能工廠實(shí)驗(yàn)室”[11]、沈陽自動化所的“工業(yè)4.0示范生產(chǎn)線”[12]等。

從工業(yè)4.0的理論研究及實(shí)踐現(xiàn)狀可以看到，工業(yè)4.0還有很多的核心問題需要研究，其中如何實(shí)現(xiàn)工廠中信息物理系統(tǒng)的建立是一個關(guān)鍵核心問題。工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)單元之間的互聯(lián)、信息互通及相互協(xié)作，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)狀況對各生產(chǎn)單元進(jìn)行在線任務(wù)規(guī)劃，這個觀點(diǎn)與目前智能機(jī)器人系統(tǒng)的研究發(fā)展觀點(diǎn)一致。從這個角度來看，工業(yè)4.0中智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以在一定程度上，借鑒智能機(jī)器人領(lǐng)域的研究成果。

本文采用機(jī)器人組件技術(shù)來設(shè)計(jì)智能制造系統(tǒng)，給出一個面向智能制造系統(tǒng)的組件化系統(tǒng)框架。應(yīng)用機(jī)器人組件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)設(shè)備之間的互聯(lián)，即插即用。通過異構(gòu)智能機(jī)器人、機(jī)器視覺、自主運(yùn)動規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃的組件化封裝，實(shí)現(xiàn)智能制造系統(tǒng)的柔性定制化生產(chǎn)。

1 智能制造系統(tǒng)的組件化設(shè)計(jì)方法

組件化設(shè)計(jì)方法是以一種分而治之的思想，將一個大的系統(tǒng)劃分為若干很小的組件，這些組件可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，然后通過使用嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)化接口相互連接組成一個完整功能的系統(tǒng)[13]。組件化設(shè)計(jì)方法對軟硬件系統(tǒng)都適用，硬件組件化系統(tǒng)有汽車、太陽能板和風(fēng)能發(fā)電機(jī)、電梯等；軟件組件化系統(tǒng)更為廣泛，如計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、手機(jī)操作系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)（如機(jī)器人組件系統(tǒng)（RTM）[14]、機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）[15]）等。

組件化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有很多優(yōu)勢，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、組件重用性好、系統(tǒng)管理方便、系統(tǒng)組建及擴(kuò)展容易等。當(dāng)然也有其不足之處，組件化系統(tǒng)在效率性能等方面并不一定是最優(yōu)的，因?yàn)榻M件的接口、系統(tǒng)管理等都會引入額外的系統(tǒng)開銷。比如在組件化技術(shù)應(yīng)用成功的汽車行業(yè)就有一些研究者觀察到，組件化設(shè)計(jì)的車輛總體重量，隨設(shè)計(jì)版本更新不斷增加的現(xiàn)象。

隨著工業(yè)4.0化的不斷發(fā)展，新加工制造工藝的不斷創(chuàng)新（如增材制造技術(shù)等），有可能將來在一些關(guān)鍵產(chǎn)品上會取代組件化的設(shè)計(jì)方法。但是在工廠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理方面，組件化的方法依然會保持明顯優(yōu)勢。

1.1 智能制造系統(tǒng)的組件構(gòu)成

如前所述，組件化系統(tǒng)可以有硬件和軟件兩類，本文主要涉及智能制造系統(tǒng)軟件控制系統(tǒng)的組件化設(shè)計(jì)。首先，一個智能制造系統(tǒng)中的功能組件由兩部分組成，即基本組件和功能部分（如圖1所示）。其中基本組件包括接口和基本功能。接口是組件間實(shí)現(xiàn)通訊的基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)各種通訊模式，組件支持多種接口，如單向發(fā)布信息的數(shù)據(jù)接口、提供雙向通信的服務(wù)接口等?；竟δ馨ㄒ恍M件的運(yùn)行狀態(tài)控制所需要的通用功能，如組件初始化、終止、注銷、注冊等?？梢钥吹?#xff0c;利用基本組件即可以組建一個能夠正常運(yùn)行的組件化系統(tǒng)，而對基本組件進(jìn)行功能性擴(kuò)展后即可以組建特定的功能系統(tǒng)。

基本組件一般由組件化系統(tǒng)平臺提供，在搭建組件化系統(tǒng)時需要開發(fā)者實(shí)現(xiàn)的是組件的功能部分。對于智能制造系統(tǒng)的功能組件，其功能部分由屬性和服務(wù)構(gòu)成。屬性又包括靜態(tài)和動態(tài)屬性，靜態(tài)屬性是該組件的一系列不隨時間改變的信息，如組件ID號、設(shè)備組件的設(shè)備型號、倉儲組件的容量信息等；動態(tài)屬性是該組件相關(guān)的一些隨時間變化的信息，如設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及維護(hù)狀態(tài)、倉庫的存儲狀態(tài)等。服務(wù)是指組件可以提供的一些功能動作服務(wù)，如組件屬性的查詢、修改等。另外一些設(shè)備組件可以提供加工服務(wù)，倉庫組件則可以提供物品出入庫服務(wù)等。

在對功能部分的屬性和服務(wù)進(jìn)行定義時，同樣需要使用組件化的思路，盡量抽取一類組件中共性的內(nèi)容，如設(shè)備ID、設(shè)備分類等，這些信息能夠方便系統(tǒng)對組件的管理。以一類設(shè)備組件為例，其屬性和服務(wù)可以定義如下。

利用各種功能組件即可以構(gòu)成一個智能制造系統(tǒng)。當(dāng)然根據(jù)不同類型的智能制造系統(tǒng)可有不同功能組件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這里只是給出一個示例，如圖2所示。

1.2 智能制造系統(tǒng)組件化實(shí)施方法

對上述的組件化智能制造系統(tǒng)的實(shí)施是一項(xiàng)復(fù)雜的軟件工程，因此在實(shí)際實(shí)施階段采用較為成熟的機(jī)器人組件技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能制造系統(tǒng)的組件化平臺搭建。目前，機(jī)器人組件技術(shù)系統(tǒng)有很多[16]，總體的特點(diǎn)大同小異，在具體系統(tǒng)應(yīng)用方面略有差異。經(jīng)對比，我們選擇利用RTM和ROS兩種組件化系統(tǒng)組合來搭建我們的智能制造系統(tǒng)。其中，RTM由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究提出，是基于CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)）軟總線技術(shù)的機(jī)器人中間件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；而ROS，是由美國Willow Garage公司專為機(jī)器人軟件開發(fā)所設(shè)計(jì)出來的一套系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)前ROS的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。選擇這兩種組件化技術(shù)是因?yàn)镽TM的基本組件功能上更加完善，其在跨平臺、分布式構(gòu)架上有優(yōu)勢；而ROS具有開源資源豐富的特點(diǎn)，在組件功能部分開發(fā)上占優(yōu)勢。因此，智能制造系統(tǒng)的開發(fā)將采用兩種系統(tǒng)結(jié)合的方法。

2 基于機(jī)器人組件技術(shù)的智能制造系統(tǒng)演示

下面介紹利用上述的智能制造系統(tǒng)組件化方法搭建的一個小型智能制造系統(tǒng)的實(shí)例，并通過定制化產(chǎn)品的加工來對該設(shè)計(jì)方法做一個定性的驗(yàn)證。

首先如圖3（a）所示設(shè)定該智能制造系統(tǒng)的產(chǎn)品，它是一個雙臂機(jī)器人的模型，共有6個關(guān)節(jié)組成，各個關(guān)節(jié)之間有活動的卡扣連接，裝配后具有一定的活動度。為了體現(xiàn)定制化，各個關(guān)節(jié)的顏色可以由用戶設(shè)定。因?yàn)轫?xiàng)目采用增材制造技術(shù)，因此，整個系統(tǒng)的輸入為用戶的訂單和3D打印材料，經(jīng)過加工裝配后，即可輸出得到產(chǎn)品。

該智能制造系統(tǒng)正常工作流程為：下單→3D打印→打磨→裝配，其中零件在工位間的流轉(zhuǎn)由自由移動物流機(jī)器人和傳送帶物流組成；同時由于3D打印速度慢，測試時會將零件預(yù)先打印好放在一個倉庫中，這樣會有一個出入庫的動作。整個系統(tǒng)的工廠布局圖如圖4所示。

2.1 智能制造系統(tǒng)的構(gòu)架

智能制造系統(tǒng)的組件系統(tǒng)架構(gòu)，如圖5所示。在底層是一些設(shè)備組件，它們可以在工廠系統(tǒng)中“即插即用”，并且能夠根據(jù)不同的制造工藝被重復(fù)使用和重新調(diào)整。在中間層中，我們搭建了一個內(nèi)部的云服務(wù)器，并開發(fā)部署了一系列的功能組件，如人機(jī)交互接口、產(chǎn)品貨物倉儲管理系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃、虛擬制造，以及大數(shù)據(jù)采集等。在最上層，是一些更為系統(tǒng)化的組件，如制造執(zhí)行系統(tǒng)、銷售管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)組件都是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵元素，但是在本文中不對這些大系統(tǒng)進(jìn)行介紹，而主要對中層的任務(wù)規(guī)劃組件和底層的智能機(jī)器人組件進(jìn)行介紹。

在對各個功能組件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時，其中底層組件使用RTC實(shí)現(xiàn)，用于和中層功能組件如任務(wù)規(guī)劃組件間的相互通信協(xié)作；而底層組件本身也是由多個子組件組成，如視覺組件、定位導(dǎo)航組件、機(jī)械臂路徑規(guī)劃組件等，這些具體的算法組件使用ROS編制而成。

2.2 智能制造系統(tǒng)的核心組件

本智能制造系統(tǒng)包含很多組件，其中核心組件包括任務(wù)規(guī)劃組件、3D打印組件、無示教打磨組件、自動裝配組件、流水線組件、移動抓取組件等。我們利用通用智能機(jī)器人技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些組件。各組件的實(shí)物圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)演示

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要是測試由組件化技術(shù)搭建的智能制造系統(tǒng)的運(yùn)行是否穩(wěn)定，以及能否達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)品定制的目標(biāo)。系統(tǒng)的運(yùn)行場景截圖如圖7所示。經(jīng)過多次下訂單測試結(jié)果顯示如下所述。

(1) 將機(jī)器人組件技術(shù)運(yùn)用在智能制造系統(tǒng)中的方法是可行的。各組件之間相互調(diào)用穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸正常。同時，智能機(jī)器人技術(shù)的在各個加工制造工位的運(yùn)用大大提高了工廠的柔性程度。

(2) 以太網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性對系統(tǒng)影響很大。在最初試驗(yàn)中，我們的系統(tǒng)采用普通家用無線網(wǎng)絡(luò)搭建，導(dǎo)致組件連接由于高延時而不穩(wěn)定，后改為采用有線網(wǎng)絡(luò)連接則消除了延時的問題。在將來在實(shí)際工業(yè)環(huán)境下，應(yīng)該采用如沈陽自動化研究所搭建的智能制造系統(tǒng)示范平臺中，使用的工業(yè)級別的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

(3) 因?yàn)槟壳安捎玫膬煞N組件化技術(shù)均為非實(shí)時性的組件化技術(shù)，無法用于實(shí)時性要求高的場合。

4 結(jié)束語

本文從工業(yè)4.0的核心問題之一的信息互聯(lián)問題入手，分析了智能機(jī)器人組件技術(shù)如何運(yùn)用到智能制造系統(tǒng)的搭建中，通過定義的基本組件和功能部分，給出了智能制造系統(tǒng)的組件化框架。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，本文設(shè)定了該小型智能制造系統(tǒng)的目標(biāo)產(chǎn)品、功能，組合利用RTM和ROS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個智能機(jī)器人工位組件和智能制造系統(tǒng)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，智能機(jī)器人技術(shù)在智能制造系統(tǒng)搭建過程中同樣適用。

本文在實(shí)踐過程中也有很多不足之處：①提出的智能制造系統(tǒng)組件化框架，還需要進(jìn)一步完善。后續(xù)需深入研究各類組件的特性，定義出一般組件的屬性及服務(wù)特性。②基于智能機(jī)器人技術(shù)搭建的智能制造系統(tǒng)，雖然最后的試驗(yàn)結(jié)果顯示達(dá)到了預(yù)期的功能效果，但是也僅為定性的分析，未來需要進(jìn)一步對實(shí)時性、魯棒性等做定量的實(shí)驗(yàn)測試。③目前智能制造系統(tǒng)僅處理特定的產(chǎn)品模型，實(shí)際上由于采用了3D打印技術(shù)，以及智能機(jī)器人技術(shù)，在將來可以將工廠定制化功能從顏色擴(kuò)展到不同形狀的產(chǎn)品模型。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的中国人工智能学会通讯——机器人组件技术在智能制造系统中的应用的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。