机器人应用中若干问题及解决方案

谭建荣，中国工程院院士，在峰会上发表了主旨报告《机器人应用中的若干问题及其解决方案》。报告内容详实生动，以下是对演讲内容的精彩转述：

尊敬的领导、专家，下午好。我很荣幸有机会来到余姚与大家分享交流。今天，我将根据自己在工业4.0、智能制造及机器人应用领域的经验，与大家探讨一些遇到的问题及相应的解决方案。我演讲的主题是《机器人应用中若干问题及解决方案》。

工业4.0和工业2025的核心是推广智能制造，而智能制造离不开三大技术的支撑：大数据、机器人技术和协同移动网络。机器人技术作为智能制造的重要组成部分，涉及机电控制、人工智能等多个学科。为了实现人机交互、人机协同和人机一体化的目标，我们需要深入研究机器人的应用。

随着智能制造技术的推广，制造业正朝着数字化、智能化、拟人化、绿色化的方向发展。目前，机器人应用领域可大致分为四个前沿领域：工业机器人、服务机器人、机器人以及以Alpha Go为代表的人工智能应用。这些领域的发展对机器人技术本身的进步起到了巨大的推动作用。

企业在应用工业机器人时，虽然有很多成功的案例，但也遇到了一些困难和问题。我归纳了六个主要问题：

第一个问题是如何实现工业机器人的配置选型。企业需要根据机器人的应用分类，分析其负载、自由度、应用范围、重复精度、速度和本体重量等参数，以确定机器人的型号和数量。由于机器人种类的繁多和客户需求的不确定性，这一问题是企业面临的两大的技术难题之一。

第二个问题是工业机器人的布局设计。企业需要解决操作的可达性、空间的紧凑性和人机的安全性三个问题。其中的技术难题包括求解机器人基座的最优位置姿态，以及实现机器人工装与工件三维作业空间的实时检测和干涉避免。

第三个问题是工业机器人的作业规划。企业需要设计机器人的作业流程，规划机器人的路径，以使机器人的工作周期时间最短。这方面的技术难题包括求解机器人最优作业的拓扑顺序，以及考虑作业规划与布局设计的协同合作。

第四个问题是工业机器人运动学动力学分析。为了实现机器人的精确位置和精确轨迹，需要进行运动学分析；为了保障机器人运动的平稳性，需要进行动力学分析。企业需要解决的技术难题包括实现复杂组合作业、软性物体及生物活体作业的对象特点的机器人灵巧运动控制等。

最后一个问题是如何实现机器人的虚拟现实与仿真。这一问题的目标是实现过程的拟实性和运动的可视化。

针对以上问题，我们还需要进一步深入研究，寻找更有效的解决方案，推动机器人应用技术的不断发展。经过深入研究与细致分析，我们面临一系列技术难题，需要在机器人领域加以解决。我们需要对机器人的示教点位姿进行优化，并检测与校正虚拟识教运动中的偏差。还需要探索虚拟识教路径及与时间最优运动规则的协调。在虚拟现实环境中实现机器人作业过程中的车文与人流协调也是一个重要课题。

机器人系统的集成问题也亟待解决。当我们将机器人与辅助工艺装备、控制系统进行集成与协同控制时，必须面对不同工艺流程下，机器人与辅助设备、工装夹具的协调作业过程集成问题。为了实现机器人应用的灵活性、平稳性和协同性，我们提出了四项关键技术。

第一项技术是机器人生产线的总体布局与卓越规划。我们致力于实现机器人末端执行以合理姿态到达指定位置，并缩短完成任务的工作周期。针对汽车门框焊接等实际问题，我们提出了基于广义可达工作区域检测的方式，快速建立机器人记录空间，并采用模式搜索算法进行设计。在这一领域，我们已获得了多项国家发明专利。

第二个方面是机器人运动学与动力学性能的提升。我们采用机器人运动学建模和动力学建模来解决存在间隙的问题。通过建模分析，我们考虑了间隙对机器人运动学和动力学性能的影响。这一方法同样获得了国家发明专利。我们还提出了运动反复的动态响应谱来刻画机器人的动力学行为，为卓越姿态的实现提供了有力支持。

第三项技术是机器人任务虚拟世界和模拟方针技术。由于机器人编程的困难，我们致力于实现示教的两个层面：人的操作如何编程机器人的运动轨迹。为此，我们提出了在线示教、离线示教和虚拟示教三种方式。其中，虚拟示教借助虚拟现实实现人机交互，具有直观、简便的优点。我们通过虚拟界面将安全机器人和abb机器人界面集成到虚拟环境中，通过仿真进行示教分析。这个问题涉及机器人运动学的正问题和逆问题，是整个虚拟示教中的数学基础。

我们还研究了六自由度手腕偏置型机器人的技术反解问题。这种机器人具有通用性，末端三轴交于一点，存在运动学封闭解。手腕偏置的设计能更好地避免与环境的干涉。

我们的研究涵盖了机器人生产线的布局、运动学与动力学性能的提升、任务虚拟世界和模拟方针技术等方面。我们致力于解决这些技术难题，为机器人的应用提供更加强大、灵活和协同的技术支持。探索机器人自动化集成技术的未来

今天，我们将聚焦于机器人自动化集成技术，这是生产线设计和生产集成中的关键一环。当我们着手设计自动化生产线时，首要任务是深入了解企业的产品工艺流程。在此基础上，我们将对现有的工艺流程进行自动化的升级，并基于机器人的独特优势重新设计和优化工艺流程。在这个过程中，我们将结合机械和自动化技术，集成机器人技术与其他智能化技术。目前，机器人主要应用于焊接、冲压、机械加工和装配等领域。这不仅包括生产线的集成设计，还涉及一系列机器人应用技术的升级和优化。在这个过程中，PLC、工控机等主控机的集成应用也发挥着重要作用。

让我们通过两个具体案例来进一步了解这项技术如何在实际生产中发挥作用。首先是汽车车模焊接生产线。在这个项目中，我们运用虚拟示教和仿真技术，成功帮助一家企业完成了年产百万套车模的生产线改造。我们的目标是在短时间内完成高效的焊接过程。为此，我们采用了三台焊接机器人并行作业的方式，并解决了多项技术难题。我们注重智能制造的有序性，通过仿真技术解决了多机器人运动干涉的实时检测问题。这不仅提高了生产效率，还大大缩短了整个生产线的开发周期。同时我们也通过创新的技术应用，解决了企业面临的大量工作量问题。例如，针对齿盘对焊成型自动化生产的问题，我们研发了齿盘堆焊自动化生产线。该生产线集成了机器人、焊料、检测、堆垛等多项功能，确保了齿盘焊接后的几何形状完全符合尺寸要求。这背后是对工艺产品的深入研究和对工艺流程的重新设计。整个生产线的系统集成解决了多项技术难题，大大提高了生产效率和质量。我们诚挚邀请各位领导、专家到浙江大学机电学院参观指导，进行技术合作和项目合作。感谢大家的聆听和支持！