集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题

目前的中国,多个行业的自动化进程都出现极端两极分化,要么就是全自动化,要么就是无自动化,自动化程度差距非常明显。对于大多数场景而言,生产环境非标准化极为普遍,企业在综合升级要求下,又不断需要寻找着从0到1的微妙均衡。许多人将目光对准了复合机器人

从办一件事到能办多件事,复合机器人这个词,更符合人们想象中“脑、眼、手、脚”融合的机器人终极形态。相比于AGV/AMR和机械臂的单一功能,原先机器人可能需要只完成A-B点位的工艺,可以像人一样进行X-Y-Z多空间融合作业的复合机器人无疑更为灵活。

这也进一步打开了人们的想象空间,例如在工业制造领域中,单一的固定工位的机器人很难实现全方位智能工厂的打造,复合机器人可以灵活“移动”起来,实现端对端设备的连接。又例如在生活服务领域,复合机器人咖啡机可以自主移动卖咖啡,采摘水果,喷洒农药,清洁卫生,甚至充当移动超市售货员,或者代替人在各种场合进行消杀作业等等。这种复合作业需求被写入一些政策文件中,在许多国家和地方的产学研合作性项目中都有着明确指标以及要求。

但机器人大讲堂发现:国内外许多参与研制使用了复合机器人的机构和厂商都提到,目前市面上的大多数复合机器人,仍然存在较大的问题,许多企业在项目中采取复合机器人方案后,又回到了传统自动化升级路径。复合机器人看似具备完美的多场景通用特性,却实际落地缓慢的核心原因到底是什么?真正能适合多场景拓展的复合机器人在技术上又有哪些难点?机器人大讲堂参考了一些国家项目的技术性文件并与相关研发商进行了沟通,试图探寻一些复合机器人领域的秘密。

▍“脑、眼、手、脚”协同成难题

许多企业的工程师对大讲堂提到,复合移动机器人的独特应用价值拓展了移动机器人的边界,使其可以深入到更多场景及环节应用,但复合机器人面对的需求从技术上而言也愈发复杂。例如电子模块场景中执行装配任务时,企业为了满足高度贴合的作业要求,复合机器人首先需要在去往指定位置载物,之后再切换人机协同方式,与人共同完成装配工作。又例如在执行拆卸任务时,企业往往要求复合机器人可以对已经出现问题的模块自动执行拆卸螺钉、抓取、拔出、搬运等多个工作。

这些场景或许对人来说简单,但对于机器人而言,这类作业场景复杂度就变得非常高。从技术上意味着机器人导航、仿生、视觉检测等关键技术,还涉及到协作机器人关键共性技术。

我们简单来说,就是因为复合机器人是一个整体,托上物品后,运动学模型会细微产生变化,在这些变负载环境过程中,涉及到手足多个产品的柔顺阻抗技术乃至全身动力学控制技术,因为这些问题进一步影响着复合机器人整机作业精度,学术上称为振动失准问题。

使用灵活多变,行业应用范围广一度成为许多复合机器人宣传中最为人称道的优势,或者与其说复合机器人是因为具备优势从而快速获得了多场景下的商业机会,不如说非标准化场景需要复合机器人这样一种更具适应性的新形式。例如子阵模块维修这些场景要求复合机器人输出力矩大且动作更为稳定,移动作业精度、路径灵活性、操作便捷性的要求也随之提升。那么在这些应用底层,复合机器人无疑更需要进一步在“脑、眼、手、脚”技术上走向协同。

集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题

因为从一些国家研发项目的场景中我们可以发现,例如农业采摘、军用搬运等复合机器人的应用往往都是非标准化场景,根据环境的不同需要采取不同的配置部署策略,而不再是单一具备某种特性的工具。例如企业提出通过复合机器人进行智慧物流的打通,同时促使从生产到物流整个工厂上下游实现一整套产业链软硬件组合,但企业实现数字化车间需要的不仅仅是复合机器人这样一个闭环终端,而是能和多个子系统集融合的移动工具。

目前复合机器人的生产销售商大多都是集成商,这决定了业内常见的复合机器人,大多由集成商根据需求采购不同的机械臂和 AGV等产品进行拼凑组装和二次开发。复合机器人“脑、眼、手、脚”多是外购最终“攒”出来的这一特性导致了一个重要问题:大多机器人部件的系统大多无法融合,从而需要工程师花费大量时间调试。

从深层次技术上来说,一方面由于产品底层不够开放,另一方面企业的开发能力难免受到技术和人才局限,使得许多集成商的复合机器人解决方案并没有想象中那么美好。例如由于导航系统、定位系统等各个子单位的控制器不同,其内部通信协议等也就完全不同,最终导致内部“打架”。购买者难以使用并且频频出错是常态,更别谈能在此基础上二次开发,实现与整厂系统的更大范围融合。

多场景、多工艺类型,这些对于许多采购“攒机”的集成商而言,无疑意味着更大的开发难度。但在复合机器人深入行业的过程中,这种场景愈发常见。对于企业而言,之所以进一步选择复合机器人,是因为相对于需要安装的传统机器人,不止一家希望能够形成可移动可替换的高度灵活柔性生产线,产线上不仅需要机器人按照工序顺序进行作业,也必然要求多台协同、灵活作业,一机多用从而有效提高自动化程度,打造柔性生产流程。

众多案例可以表明,复合机器人想要打开更大范围应用,必须要真正做到“脑、眼、手、脚”协同的融合,才能对于复杂乃至非标准化需求需要能够更快更好的响应。但从最底层自主开发“脑、眼、手、脚”,对于市面上大多数企业而言,毫无疑问难度巨大,这对于移动底盘、协作机器人、导航技术等多项基础共性技术以及核心的底层控制能力提出了非常高的要求。

▍复合机器人的“手”至关重要

复合机器人想要实现更强的技术特性,完成更多工艺场景的开发,首当其冲的必然是协作机器人这个手的部分,以螺丝锁附这个解决方案为例,机器人大讲堂曾向专家了解到,从协助机器人单机到复合机器人移动打螺丝虽然只是加入了简单步骤,这个工艺的难点却因为复合移动大幅提升,因为在类似作业流程中,对复合机器人二次定位后的整体作业精度和稳定性的要求非常高。

据了解,在协作机器人部分技术上,集萃智造的协作机器人产品采用的是电机模块化设计,在此前集萃智造就开发了高功率密度比的驱控一体化关节、永磁无刷力矩电机等关键核心零部件,有效解决了国内同类产品依靠进口的问题。电机作为协作机器人领域的关键部件,其中又涉及到电机设计与驱动控制、电流碰撞检测与安全防范机制等技术,影响着机器人在复杂动力学建模与拖动示教轨迹复现问题。在这种即装即用的关节上,集萃智造同时在电机控制上更进一步,自主研发了高级控制方法ADRC,能够抑制抖动和自适应末端负载变化,这与当前某欧洲品牌的大负载方案有着异曲同工之处。从多个项目可以发现,集萃智造在多个卡脖子关键共性技术上已经有了突破。

得益于领先的机器人运动控制技术,集萃智造的协作机器人重复定位精度达±0.03mm,装配拆卸场景螺钉锁附节拍平均不小于5s/个,这才能有效满足了工艺应用精度要求。与人非常类似,优秀的协作机器人使得集萃智造的复合机器人能够执行传统机器人无法完成的高难度任务,在更多新场景中将充分释放机器人的应用潜力。集萃智造在协作机器人领域的积累发挥出至关重要的作用,这使得在复合机器人的方案中,集萃智造能够更加如鱼得水。

当然,许多企业都做好了手的部分,却在面对复合机器人移动时出现定位偏移等问题,为了进一步实现复合机器人手脚协同,在导航定位方面,集萃智造一方面采用激光导航融合视觉传感器的手段,实现了AGV底盘位姿的精准修正。另一方面,集萃还在视觉检测方面采用深度学习算法结合大量数据样本路线实现螺丝孔的精准检测,结合视觉手眼伺服进行螺丝孔精确识别。据介绍,该识别率达99.6%,准确率达99.4%,达到非标环境下动态检测±1mm的误差。

在一些技术说明中可以发现,集萃智造复合机器人虽然看似同样只是由协作机器人与移动机器人组成,却在采用并融合了激光导航技术,配备内置传感器、视觉和成熟的软件后,作业过程中依然呈现出与人状态十分接近的“眼”、“手”、“脚”并用特性。在例如地图构建上,集萃智造基于激光雷达的SLAM导航技术融入了多传感器数据,实现了机器人的高精度自主导航移动。又例如集萃的视觉定位技术还融入了人工智能等技术,不仅能实现机器人的视觉伺服与精准定位抓取,还能对多种材质的产品实现识别分类和处理。

整体而言,集萃智造的复合机器人采用了视觉定位取代人工判断,精准引导复合机器人执行维修任务,通过协作机器人携带拧紧枪,完成需维修部位螺丝的拧紧拆卸与状态确认。集萃智造复合机器人占地面积小,能够实现快速部署,协作机器人编程简单,则有效节约大量人力和时间成本,加快换产速度。同时,在性价比方面,基于自主研发的协作机器人,集萃智造的复合机器人产品较国外产品有明显显著的优势,后期维护费用也有大幅降低,有望有效节约用户智能制造成本。

集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题

▍底层创新,突破多底层协同难题

在许多复杂场景下复合机器人的优势显而易见:基于协作机器人的柔性安全以及移动机器人的灵活,能通过简单操作即可配置到各类场景中,从而实现高效率、连续性、精确性、灵活性和安全性的融合,这也让真正意义上的复合机器人领域本质上有着更多的市场机会和更强的商业壁垒。

机器人大讲堂在国家科技部项目、2020年工业互联网创新工程项目以及多个江苏省重点研发项目中,都看到了集萃智造相关技术。可以说集萃智造或许是国内为数不多抓住了复合机器人“脑、眼、手、脚”协同技术要素的一家企业。综合来看这些国家项目的技术最终大多体现在一些实际落地机器人产品上,例如采摘搬运机器人,圣女果采摘机器人,金银花、茶叶采摘机器人,酒店送餐机器人,牙科手术机器人,康养移动按摩机器人等。

集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题
集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题
集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题

在这些场景中,我们所见到的复合机器人形态却有着很大的差异。从外表上来看,有些复合机器人的底盘是厚重的小坦克,一些则小巧玲珑、另外一些则类似电脑主机,更有一些则是传统AMR底盘,这意味着在机械结构与控制系统上手臂和移动底盘很好融为一体,并且具有统一的控制系统,这无疑让人非常震惊。

因为对于一些集成商而言,很难快速打入多个场景的问题恰恰在于底盘和机械臂多个系统之间的匹配性问题。集萃智能复合机器人之所以在多个底盘中依然能够自主检测、规划、导航、避障及充电,完成抓取、运输、装配等高难度工作,正是因为其移动机器人加协作机器人的整套应用实现了控制系统上的有机融合,让两类设备以一套完整系统的状态相互协同、稳定地工作。

根据不同的场景,集萃智造能搭配不同的环境感知方案,从而适应各种复杂的环境,在如高铁、地铁、自动化生产装配产线等特定场景下,集萃智造按照多个复杂作业场景需求设计出了不同系列的复合移动机器人系统,从而完成复杂环境切换中的移动搬运取料的任务,又能够无缝接入生产制程,扩大移动范围,承担多种作业任务。

机器人大讲堂发现,这和集萃智造在技术上和多产品基础上不断取得优势性突破的表现。从专利和软件著作权数量上来看,集萃申报各类专利和软件著作权382项,其中集萃智造重点攻克了机器人电流检测系统和感知系统技术、自适应控制算法、动力学建模等多个关键技术。

▍结语与未来

我们很难想象,针对机场、车站、酒店、医院等场景的消杀需求,集萃智造自主研发设计的复合机器人,已经在列车、卫生间等复杂场景中完成清扫、消毒、除尘等工作。这个末端安装了除尘板、杀毒紫外灯、喷雾等设备,充分利用了协作机器人的轻量化大负载协作功能与AGV的移动作业功能,能在狭小的空间里实现了跨场景作业。

不仅在这些人们身边的场景,在某企业生产车间,集萃智造的复合机器人上岗了维修组装工作,根据客户场景要求“身兼多职”,执行着拆卸与装配两类场景任务。而在某智能音箱的生产示范线中,集萃智造的复合机器人则替代了传统输送线和轨道输送系统,承担了加工、个性定制、装配包装和交付多个生产单元之间的转运工作。

同时,一些简单的搬运工作,集萃智造的复合机器人也做得有模有样,从实际数据上来看,集萃智造的复合机器人替代人工后,显著减少了搬运次数并提高作业准确率,有项目评审中写到,集萃智造的复合机器人应用项目效果表明,在产线中的“灵活流转”能使得作业流程不断优化,生产产能、空间利用率因此也有了显著提升。

复杂环境工作,机器人“替代”人工已经成为后疫情时代的主旋律之一,复合移动机器人这个增量市场,呈现出巨大的潜力。自由穿梭的复合机器可以在任意位置开启维修工作,将工人从单一重复的工作中解放出来,不仅帮助企业该生产环节的生产效率,还显著提升了产品质量,多方位提高了客户场景的自动化程度。

集萃智造 | 复合移动机器人发展正加速,“脑、眼、手、脚”协同难题

不仅是工业产线,如今在高速服务区、机场、列车等公共空间内的清洁杀菌除尘工作,因疫情下具有一定风险性、劳动强度大等因素,都愈发面临老生常态的“招工难、管理难”问题。凭借其柔性化、灵活部署、安全可靠、快速回报的优势,复合机器人走进各行各业,独特的“手、脚、眼、脑”并用状态,为装配、螺丝拧紧、巡检、搬运、上下料、自动充电等众多场景应用增加价值。

由于产品融合度差,行业距离成熟还有非常大的距离,目前的复合移动机器人领域呈现出的需求也仅仅是冰山一角。我们相信随着科技的发展与进步,复合移动机器人有望应用在围绕生活的所有领域,包括军事应用、工业制造、医疗康复、生活服务、农业采摘、智能巡检等。更大的市场,需要更多类似集萃智造的“技术多面手”投入来参与。

来源:机器人大讲堂

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