智能制造

當(dāng)前自動(dòng)化制造車間中通常采用有軌制導(dǎo)車輛、磁導(dǎo)制導(dǎo)運(yùn)輸車輛或固定皮帶線等方式進(jìn)行物料輸送，同時(shí)采用固定機(jī)械臂與RGV+機(jī)械臂的方式進(jìn)行物料的上下料操作，這些方式限制了小車的靈活性，生產(chǎn)柔性差，并且軌道、磁條等引導(dǎo)設(shè)備容易損壞，影響了移動(dòng)機(jī)器人及機(jī)械臂末端的運(yùn)行精度，增大了后期維護(hù)工作量，制約了自動(dòng)化產(chǎn)線升級(jí)改造。近年來無軌自主的車臂協(xié)調(diào)移動(dòng)機(jī)器人由于其高靈活性、部署時(shí)間短、多機(jī)同步協(xié)調(diào)工作等優(yōu)勢，在勞動(dòng)力密集的制造自動(dòng)化生產(chǎn)線改造、倉儲(chǔ)物流行業(yè)、高校智能制造綜合工程實(shí)訓(xùn)中心等領(lǐng)域有著巨大潛在市場。但是在發(fā)展的過程中，仍然存在以下問題。

1 環(huán)境適應(yīng)性問題：軌道式及磁條導(dǎo)航式移動(dòng)機(jī)器人，不能跨車間或區(qū)域運(yùn)行，靈活性及生產(chǎn)柔性差，且布置成本和維護(hù)成本高；傳統(tǒng)AGV采用非全向移動(dòng)輪（差速輪、舵輪等）無法平移，如麥克納母輪或差動(dòng)輪，對(duì)地面平整度要求高，環(huán)境適應(yīng)性差，難以滿足爬坡、過坎等需求；

2 高精度問題：高動(dòng)態(tài)半開放大尺度應(yīng)用場景下，導(dǎo)航定位精度不足（±10mm）；末端操作受制于底盤穩(wěn)定性，操作定位精度不高(±0.1mm)；頻繁啟停運(yùn)動(dòng)下，重載（1000kg）移動(dòng)機(jī)器人最大速度難以得到突破（1m/s）；

3 高效率問題：非全向移動(dòng)輪（差速輪、舵輪等）無法平移，?？课锪髡军c(diǎn)時(shí)需反復(fù)繞圈轉(zhuǎn)向，實(shí)際效率低下；非自然導(dǎo)航（二維碼、磁條、磁釘導(dǎo)航等）等方式易導(dǎo)致機(jī)器人偏離設(shè)定的軌跡，因而導(dǎo)航速度較低，工作效率難以得到突破。

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸操作機(jī)器人由于可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和制造柔性，是智能加工制造領(lǐng)域發(fā)展不可或缺的一部分。本團(tuán)隊(duì)針對(duì)這種市場空缺，開展運(yùn)載操作一體化移動(dòng)機(jī)器人研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的研究，旨在研發(fā)出一款高精度、高速度、可運(yùn)載的移動(dòng)機(jī)械臂。重點(diǎn)突破移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)具有運(yùn)動(dòng)感知、智能決策、運(yùn)動(dòng)控制、引領(lǐng)導(dǎo)向、自主移動(dòng)、智能跟隨等能力，擁有多傳感器融合感知、定位、避障等技術(shù)的大載荷、高精度、四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)全轉(zhuǎn)向的運(yùn)載操作一體化移動(dòng)機(jī)器人，產(chǎn)品可高效靈活、快速可靠的執(zhí)行上下料動(dòng)作，同時(shí)也可以作為搬運(yùn)平臺(tái)，方便快捷的運(yùn)送加工物料，提高生產(chǎn)效率和制造柔性，同時(shí)可以代替人工適應(yīng)較為惡劣的工作場景，對(duì)提高車間的智能化和柔性化水平有重要意義,具有良好的應(yīng)用前景。

運(yùn)載操作一體化移動(dòng)機(jī)器人的產(chǎn)品突破了工業(yè)場景全向移動(dòng)、高精度上下料、多機(jī)調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自然導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、頻繁啟停、快速移動(dòng)下的多場景自適應(yīng)切換導(dǎo)航控制，已申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)、軟著3項(xiàng)、發(fā)表錄用SCI/EI論文30余篇；該產(chǎn)品已經(jīng)在典型的CNC加工車間投入使用，服務(wù)10臺(tái)CNC的上下料及物料中轉(zhuǎn)功能，為企業(yè)節(jié)省開支達(dá)20萬余元。

圖1 已開發(fā)的系列化產(chǎn)品

圖2 技術(shù)路線和發(fā)展規(guī)劃

圖3 多模式柔順切換運(yùn)行

目前，整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)均是以《GB/T 20721-2006 自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）通用技術(shù)條件》為參考來進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品對(duì)運(yùn)行路面狀況從起伏程度、路面坡度、臺(tái)階高度、溝寬幅度等方面均有較高的要求，一旦路面超出此要求，則頻繁出現(xiàn)卡滯、打滑、跑偏、死機(jī)等現(xiàn)象，更嚴(yán)重的甚至發(fā)生碰撞等安全事故。為解決路面環(huán)境適應(yīng)性問題，目前行業(yè)內(nèi)暫無成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。同時(shí)，傳統(tǒng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂不具備移動(dòng)的靈活性，市場上缺少大載荷、高精度、靈活智能導(dǎo)航與機(jī)械臂相結(jié)合的高端智能運(yùn)載操作一體化移動(dòng)機(jī)器人系列產(chǎn)品。本項(xiàng)目所研發(fā)的系列產(chǎn)品具有如下新穎性、先進(jìn)性和獨(dú)特性。

1 新穎性

（1）采用四輪全轉(zhuǎn)向、獨(dú)立懸掛、剛?cè)徂D(zhuǎn)換裝置等獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了機(jī)器人路面環(huán)境適應(yīng)性問題，可在制造工廠各種路面快速安全運(yùn)行，同時(shí)可保證機(jī)器人駐車時(shí)機(jī)械手工作的穩(wěn)定性。

（2）突破了工廠運(yùn)載智能化的共性技術(shù)，包括大規(guī)模場景下的精確建圖、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的精確導(dǎo)航定位、多任務(wù)點(diǎn)機(jī)器人全局與局部路徑規(guī)劃等。

（3）針對(duì)機(jī)械臂末端難以實(shí)時(shí)識(shí)別、精準(zhǔn)跟蹤抓取快速移動(dòng)物體的問題，提出了快速移動(dòng)物體檢測跟蹤算法以及混合視覺伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多場景自適應(yīng)高精度末端操作控制。

（4）采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測任務(wù)與資源的匹配程度，實(shí)現(xiàn)面向非均衡突發(fā)任務(wù)的多機(jī)器人調(diào)度。

（5）針對(duì)高效作業(yè)需求，提出了車、手、眼一體化標(biāo)定以及自動(dòng)示教技術(shù)，并通過系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)、電、液、控、氣等多種子系統(tǒng)的一體化協(xié)調(diào)工作，解決機(jī)器人結(jié)構(gòu)單元的兼容性問題和多信息融合問題。

（6）針對(duì)大場景半開放的人機(jī)混雜環(huán)境，通過深度相機(jī)與激光等多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別與實(shí)例分割，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人高精度自然導(dǎo)航，提高人機(jī)協(xié)同作業(yè)中的人類肢體檢測的準(zhǔn)確性。

2 先進(jìn)性

（1）產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)剛?cè)崆袚Q：柔性狀態(tài)時(shí)可在各種路面狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，具體路面指標(biāo)如表3所示；剛性狀態(tài)時(shí)可保證上裝機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高精度上下料。

表1 產(chǎn)品柔性狀態(tài)時(shí)在各種路面狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行情況

（2）實(shí)現(xiàn)自然導(dǎo)航，不需要借助任何輔助標(biāo)記，可自主精確定位和導(dǎo)航，定位精度達(dá)到±5mm，同時(shí)可根據(jù)設(shè)定目標(biāo)自主規(guī)劃最優(yōu)路徑、靈活自主避障。

（3）可負(fù)載500—1000 kg、全向移動(dòng)、行駛速度達(dá)到1.5m/s，在不進(jìn)行大量改造的前提下，1臺(tái)設(shè)備可對(duì)20臺(tái)以內(nèi)的CNC實(shí)現(xiàn)高精度快速自動(dòng)上下料。

（4）通過注意力機(jī)制和反向?qū)箤W(xué)習(xí)，提高并行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征學(xué)習(xí)能力，以及人機(jī)混雜環(huán)境作業(yè)場景中人類肢體實(shí)例分割與目標(biāo)姿態(tài)檢測的準(zhǔn)確性。

3 獨(dú)特性

（1）研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)面向智能工廠及倉儲(chǔ)的“全地形”大載荷全轉(zhuǎn)向運(yùn)載平臺(tái)，滿足現(xiàn)有制造企業(yè)低成本物流自動(dòng)化升級(jí)改造的需要；

（2）研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)面向智能工廠的車間運(yùn)載操作一體化移動(dòng)，可對(duì)20臺(tái)以內(nèi)的CNC實(shí)現(xiàn)高精度快速自動(dòng)上下料，能夠無縫融入到現(xiàn)有工廠的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境中，使現(xiàn)有/新建制造工廠物流自動(dòng)化方案能夠低成本、高柔性快速部署；

（3）研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)面向智能工廠及倉儲(chǔ)環(huán)境，基于深度相機(jī)與激光等多傳感器融合的倉儲(chǔ)揀運(yùn)人機(jī)協(xié)同機(jī)器人，能夠?qū)θ梭w動(dòng)作運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測，在線進(jìn)行軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無碰撞的人機(jī)協(xié)同操作，滿足人機(jī)混雜環(huán)境下倉儲(chǔ)揀運(yùn)人機(jī)協(xié)同機(jī)器人安全性和靈活性的需求。

（1）突破工業(yè)場景自然導(dǎo)航、全向移動(dòng)、高精度上下料、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵技術(shù)，重復(fù)定位精度達(dá)到±3mm，停靠精度±5mm & ±0.5°(方位角)，末端操作精度±0.05mm，最大速度1.5m/s；

（2）與靈巧末端執(zhí)行器的結(jié)合，可快速調(diào)整加工位姿, 對(duì)曲率變化較大的復(fù)雜構(gòu)件適應(yīng)性更強(qiáng)。

（3）運(yùn)行靈活性高，適用于狹小車間, 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向方式，在靈活性、承載能力等方面具有明顯優(yōu)勢，不需要鋪設(shè)軌道等繁瑣工程；

（4）多移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作業(yè), 多模式協(xié)調(diào)運(yùn)行：可運(yùn)行在原點(diǎn)回轉(zhuǎn)、斜行、阿克曼、雙阿克曼等差異化模式，對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性高，有效提升了加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

表2 產(chǎn)品性能指標(biāo)

表3 相關(guān)成果獲獎(jiǎng)情況

可量產(chǎn)。

目前已突破新移動(dòng)構(gòu)型、高精定位與導(dǎo)航、四輪全向控制等方面的核心技術(shù)，已授權(quán)多項(xiàng)發(fā)明專利。

圖4 大尺度復(fù)雜環(huán)境建圖

圖5 多目標(biāo)識(shí)別

圖6 運(yùn)載平臺(tái)控制軟件

圖7 爬坡和過坎

研發(fā)了高速重載穩(wěn)定平臺(tái)核心零部件，開發(fā)了系列化的手眼一體化裝置，成功應(yīng)用于富士康、新華特聯(lián)(華為供應(yīng)商)、五株科技（TCL供應(yīng)商）、烽火科技等行業(yè)龍頭企業(yè)。

圖8 控制器和驅(qū)動(dòng)器

圖9 電機(jī)和電池

圖10 導(dǎo)航模塊和調(diào)度系統(tǒng)解決方案

考慮到制造業(yè)的環(huán)境特征為：高精度作業(yè)、加工單重復(fù)作業(yè)、作業(yè)環(huán)境對(duì)人體有傷害，因此使用自主移動(dòng)機(jī)械臂可以在不改變車間環(huán)境的基礎(chǔ)上，進(jìn)行升級(jí)改造，并且改造成本低。以下就是本產(chǎn)品在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用案例。

圖11 第一代樣機(jī)在鄭州富士康工廠的初步應(yīng)用

圖12第二代樣機(jī)在玻璃加工領(lǐng)域的初步應(yīng)用

圖13 第二代樣機(jī)治具上下料的初步應(yīng)用

圖14 第二代樣機(jī)華為供應(yīng)商上下料的初步應(yīng)用

本項(xiàng)目還可以應(yīng)用于高校教學(xué)，工程實(shí)訓(xùn)中心由2臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人(FB1小車)、調(diào)度系統(tǒng)、設(shè)備信號(hào)采集系統(tǒng)以及自動(dòng)充電系統(tǒng)共同組成，采用“1+X”原則，“1”是基礎(chǔ)，“X”是補(bǔ)充、強(qiáng)化、拓展，以移動(dòng)機(jī)器人、全環(huán)境運(yùn)載平臺(tái)為“運(yùn)載-操作一體化機(jī)器人”為基礎(chǔ)單元，貫穿連接可拓展的工程實(shí)訓(xùn)單元，實(shí)現(xiàn)智能無人化產(chǎn)線。

圖15 第二代樣機(jī)在高校工程實(shí)訓(xùn)中心的應(yīng)用

該系列化產(chǎn)品的底盤為四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，能在各種復(fù)雜地面環(huán)境穩(wěn)定高精度定位，可高效靈活的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜上下料工作。應(yīng)用領(lǐng)域包括：

（1）智能制造：機(jī)械加工、汽車、3C、家電等；

（2）倉儲(chǔ)業(yè)：無人倉儲(chǔ)，電商物流；

（3）高職培訓(xùn)：Mini 產(chǎn)線、自動(dòng)化生產(chǎn)教學(xué)等；

（4）特種行業(yè)：軍工等；

（5）其他領(lǐng)域：醫(yī)藥、化工、食品、煙草。

該成果包括多項(xiàng)已授權(quán)中國發(fā)明專利。

專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股、技術(shù)開發(fā)、面談等。