工業(yè)4.0，在中國這個世界級工廠的大地上正如火如荼的進行著。與此同時，國家和地方政府也不遺余力，大力扶持地方企業(yè)進行“機器換人”的無人化改造。我們都相信，這是一種不可阻擋的科技趨勢，也是一場不可逆的有關更大更完全解放生產(chǎn)力的革命潮流。
說到工業(yè)機器人，其實分類很多。但就我個人而言，接觸最多的還是串聯(lián)六軸機械臂，即俗稱的六軸機器人。因為它自由度多，靈活性好，且通用性比較高，所以廣受工業(yè)制造的青睞。現(xiàn)在的工業(yè)應用領域中，越來越多的6軸機器臂出現(xiàn)在不同的工作崗位上，用以代替人類從事各種各樣繁重，危險，高負荷的工作。這些工作曾經(jīng)因為會給工作人員帶來難以預估的身體和精神傷害，而廣受詬病，并且隨著中國老齡化的浪潮的到來，也使企業(yè)主難以招到滿意的員工。而現(xiàn)在，靈活穩(wěn)定的機械臂的出現(xiàn)，剛好解決了這個問題。
在某些行業(yè)領域，6軸機械臂有廣泛的應用，如家電行業(yè)，鑄造行業(yè)；在某些行業(yè)領域，6軸機械臂有更廣泛的應用，如汽車行業(yè)，電子行業(yè)。在這些擁有高附加值和標準化生產(chǎn)線的行業(yè)中，價格不菲的機器人的優(yōu)勢才能更好的發(fā)揮出來。
1959年美國英格伯格和德沃爾(Devol)制造出世界上第一臺工業(yè)機器人,機器人的歷史真正開始。現(xiàn)如今，半個世紀過去了，工業(yè)機器人可謂走過了一段漫長的發(fā)展之路。從當初的實驗室，到現(xiàn)在工業(yè)應用的各個行業(yè)，我們可以看到，機器人的應用已經(jīng)越來越成熟。但是這種成熟，似乎也非常集中在某些行業(yè)，如電子生產(chǎn)，汽車制造等。
為什么這么說呢？我們來看看智能手機的發(fā)展過程，從04年出現(xiàn)，到現(xiàn)在的非常普及乃至普通，其中有一個非常重要的事件，就是生產(chǎn)工藝的標準化。比如充電器接口，所有安卓智能手機的充電器接口都一樣。這種設備的標準化，有一個很明顯的好處，就是給用戶帶來了很多方便。出差，忘記帶手機充電線了，不怕，我們可以很容易在周邊借到一根充電線。標準化的優(yōu)勢，更多的體現(xiàn)在產(chǎn)品的普及過程，和無限的可能性發(fā)展。它能讓更多的人參與進來，使用，設計，優(yōu)化。這對一種產(chǎn)品的成熟至關重要。
工業(yè)機器人的發(fā)展如何呢？發(fā)展了半個多世紀，我們看到，它的成熟度和發(fā)展了幾年的手機相比，實際上差距還是很大。工業(yè)機器人有自己的小圈子，本體廠家之間都是明顯的競爭關系，他們的保護壁壘也更加厚實。他們對自己的機器人都十分自信，覺得它們能完成更多，更精細的工作。所以與他人合作的意愿就沒有那么強烈，甚至是不愿意和他人交流。
但是，我們看到工業(yè)機器人的行業(yè)應用還是有限的。機器人在使用的時候，也沒有本體廠家們想象的那么好用。實際上，它還需要更多的設計來完善功能，增加使用的便利性和靈活性。
進過60年的發(fā)展，到目前為止機器人的擁有量不到300萬臺，而中國一年的汽車產(chǎn)量2500萬臺。機器人作為一種產(chǎn)業(yè)或者產(chǎn)品，它幾乎可以忽略不計。而原因在于，由于眾多技術的限制使機器人只是局限在制造業(yè)很窄的一部分里。盡管如此，機器人在全球范圍的熱度卻仍在持續(xù)升溫。
實際上，當前就制造業(yè)向“智造業(yè)”的轉(zhuǎn)型發(fā)展已成為共識，廣東近幾年出現(xiàn)的“機器換人”的大潮更是一個典型代表。在產(chǎn)品生命周期縮短、消費者個性化需求提高的當代，傳統(tǒng)的大規(guī)模流水線工業(yè)已經(jīng)跟不上節(jié)奏——智能手機的更新?lián)Q代的周期更是已經(jīng)縮短到11個月，連汽車等高檔消費品的更新周期也減少到了4年，靈活、快速及可以隨時變化升級的生產(chǎn)線為工業(yè)機器人提出了新的要求，也提供了新的機遇。
個人感覺，工業(yè)機器人的發(fā)展和應用，如果想更上一層樓，需要在以下方面做出改變：
1.本體廠商對設備精度和性能的提升，對傳感設備的深層研發(fā)，并構架出閉環(huán)控制系統(tǒng)。
工業(yè)機器人普遍能達到低于0.1毫米的運動精度(指重復運動到點精度)，抓取重達一噸的物體，伸展也可達三四米。這樣的性能雖不一定能輕易完成蘋果手機上一些“瘋狂”的加工要求，但對絕大部分的工業(yè)應用來說，是足以圓滿完成任務。
隨著機器人的性能逐漸提升，以前一些不可能的任務也變得可行起來(如激光焊接或切割，曾需要專門的高精度設備來指導激光的走向，但隨著機器人精度的提升，現(xiàn)在也變得可依賴機器人本身的準確運動來代替了)。
但相比傳統(tǒng)高端設備，如高精度數(shù)控機床，激光校準設備，或特殊環(huán)境(高溫或特低溫)設備等，工業(yè)機器人尚力不能及。
工業(yè)機器人是工業(yè)智能化的一個標志，它不僅體現(xiàn)在機械控制系統(tǒng)的智能編程上，還需要外部傳感設備支持。為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關系，在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復雜的工作。由于外部傳感器為集多種學科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進一步完善，機器人的功能越來越強大，將在許多領域為人類做出更大貢獻。
2.本體廠商對數(shù)據(jù)底層接口的開放，本體廠商之間標準化接口和編程語言。
傳統(tǒng)機器人的工作本質(zhì)就是不斷地走一個個的路徑點，同時接收或設置外圍的I/O信號(老和其他設置如夾具，輸送線等合作)。而指導機器人這么做得過程，就是機器人編程。幾乎每一家領先公司都有自家的編程語言和環(huán)境，從而需要機器人操作者參加學習培訓。當機器人適用范圍增廣后，這個成本開始顯現(xiàn)了。
這些廠商是有理由維護自家的編程環(huán)境的，一來工業(yè)機器人四十年前就開始規(guī)模化做了，那時還沒有什么面向?qū)ο蟮痊F(xiàn)在廣為熟知普遍認同的主流先進編程理念，二來萌芽階段自家技術難免會和競爭對手不同，維護一個編程方式也無可厚非，三來因為他們的大客戶往往也是傳統(tǒng)的工業(yè)大客戶，如大汽車廠商，這些客戶求穩(wěn)，自然不希望你機器人過幾年就趕個熱潮變換編程方式，搞得他們還得扔掉幾十年的經(jīng)驗，重新花大錢培訓學習。
標準化底層數(shù)據(jù)接口還有另外一個好處，就是直接給上層的應用級開發(fā)帶來很多方便的地方。現(xiàn)在，大多數(shù)離線編程公司因為沒辦法拿到機器人底層數(shù)據(jù)接口，無法直接和機器人通信，所以程序調(diào)試起來很麻煩。同時，因為沒有底層數(shù)據(jù)接口，離線編程應用等開發(fā)出來的功能也十分有限。這給編程人員和整個機器人應用的廣泛普及都帶來了很大的苦惱。
3.軟件服務公司對機器人通用功能的完善，對工藝數(shù)據(jù)的處理。
機器人離線編程系統(tǒng)的研制和開發(fā)涉及的問題很多．包括多個領域的多個學科。目前工業(yè)領域的機器人離線編程軟件種類也很繁多，軟件的性能和功能也參差不齊，各有千秋。舉例來說，國外離線編程軟件發(fā)展較早，工業(yè)應用也比較成熟。像Robotmaster，RobotStudio，RobotWork等都是首屈一指的離線軟件大佬，他們在國內(nèi)外的行業(yè)應用中，都經(jīng)過大量的實踐檢驗。國內(nèi)的工業(yè)機器人離線編程軟件雖然起步較晚，但是因研發(fā)投入較大，重視程度較高，所以進步很大，典型的案例就是北京華航唯實機器人公司的RobotArt離線編程軟件。其公司技術背景一是北航機器人研究所與CAD中心數(shù)十年的航空航天項目經(jīng)驗，二是數(shù)幾十人的優(yōu)秀研發(fā)團隊，再加上背后財團的大力支持，商業(yè)化后短短兩年就發(fā)展成國內(nèi)離線編程軟件的領導者，一騎絕塵，可謂成績不俗。。
離線編程技術是未來工業(yè)機器人發(fā)展的重點之一，但是，就目前的工業(yè)應用來說，軟件需要改進的地方還有很多。為推動這項技術的進一步發(fā)展，也需要多個方面的研究工作，下面就以大家比較熟悉的國產(chǎn)離線編程軟件RobotArt為例，來具體談談軟件需要改進的地方：
a)多媒體技術在機器人離線編程中的研究和應用。友好的人機界面、直觀的圖形顯示及生動的語言信息都是離線編程系統(tǒng)所需要的。在這些地方，RobotArt相比較外國軟件，做的已經(jīng)很好了。當然，這個和它是國產(chǎn)軟件，有一群了解中國人軟件使用習慣的程序猿有很大關系。良好的人機交互體驗能減少軟件使用者的上手和學習難度，同時也能增加用戶的使用欲望，幫助設計人員更好的工作。
b)多傳感器的融合技術的建模與仿真。隨著機器人智能化的提高，傳感器技術在機器人系統(tǒng)中的應用越來越重要。因而需要在離線編程系統(tǒng)中對多傳感器進行建模，實現(xiàn)多傳感器的通訊，執(zhí)行基于多傳感器的操作。對于傳感器的支持，據(jù)我所知，RobotArt這方面的研究還比較少，國外同行做的也不盡如人意。機器人要想更智能化，傳感器是一個非常關鍵的設備，其相關技術還需要大家共同努力，盡早突破。
c)各種規(guī)劃算法的進一步研究。其包括路徑規(guī)劃、抓取規(guī)劃和細微運動規(guī)劃等。規(guī)劃一方面要考慮到環(huán)境的復雜性、運動性和不確定性，另一方面又要充分注意計算的復雜性。我們知道，離線編程仿真軟件，一個非常重要的功能就是，產(chǎn)線軌跡，軌跡規(guī)劃和軌跡生成。為了減少不必要的成本，提高工作效率，我們使用軟件更多的是出于設計方面的考慮。RobotArt軟件可以支持多機器人的產(chǎn)線規(guī)劃，支持單機器人的軌跡規(guī)劃和生成，這大大滿足了我們工程師在設計方面的要求。
d)錯誤檢測和修復技術。系統(tǒng)執(zhí)行過程中發(fā)生錯誤是難免的．應對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行檢測以監(jiān)視錯誤的發(fā)生，并采用相應的修復技術。此外，最好能達到錯誤預報，以避免不可恢復動作錯誤的發(fā)生。RobotArt在程序仿真的時候，打開干涉檢查功能，會對軌跡中的錯誤做初步檢測。生成后置程序的時候，會對后置的機器人數(shù)據(jù)做最后的檢測過濾，如果發(fā)現(xiàn)有不符合程序正常運行的數(shù)據(jù)，會拒絕生成后置代碼。這樣做的目的是最大程度減少，來自程序設計本身的失誤。這一點需要給RobotArt的設計人員點個贊，做的真的很好。
在解決上述軟件通用功能以后，對工藝數(shù)據(jù)的整理組織也是一項十分重要的工作。專家?guī)斓慕ⅲ軌虬衍浖幊毯蜋C器人操作的門檻降低，讓更多的非專業(yè)工作人員進入到智能化產(chǎn)線當中。機器人換人的目的不是讓人失業(yè)，而是解放勞動力，讓設計人員把精力和時間投入到更有價值，更有意義的工作中去。隨著全球老齡化的到來，隨著員工的更新?lián)Q代，操作經(jīng)驗和技術工藝也面臨傳承不濟和逐漸流失的風險。如果離線編程軟件能做好工藝數(shù)據(jù)的沉淀和應用，也算是功德一件。對于企業(yè)的自身發(fā)展，也很有幫助。目前，各個離線編程廠家或多或少都有自己的工藝數(shù)據(jù)包，像RobotStudio等這樣有本體機器人做依托的離線廠家，工藝數(shù)據(jù)自然豐富強大一些，沒有本體依托的軟件廠家，也在做相關方面的研究。RobotArt在東莞也建立起了自己的科學試驗站，和多家國內(nèi)本體廠商合作，專門從事打磨，焊接，去毛刺等工藝研究，現(xiàn)已積累大量可用于工業(yè)生產(chǎn)的工藝數(shù)據(jù)。
總結(jié)：只有當上述三個問題得以突破，工業(yè)機器人才能擺脫目前只是作為一種機械設備在行業(yè)領域應用的現(xiàn)狀，從而進入廣泛的市場。不止是作為人類的替代或人類能力的延伸，而是成為一個真正能夠獨當一面的機器人。我們相信這一天的到來，將會是人類科技發(fā)展史上非常重要，輝煌的一個篇章。
