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WAIC嘉宾看点|姜歌东:移动机器人打通智能工厂的物理与信息连接

2025China.cn   2023年07月17日

机器人市场爆发从行业应用落地开始。目前,智能制造仍是机器人最主要的应用领域之一,而智能制造实现的难点和核心是智能工厂。7月8日,2023智能机器人产业发展论坛在世界人工智能大会同期举行。论坛以“ ‘智’在新变局”为主题,西安交通大学教授姜歌东受邀出席,以“从智能工厂看移动机器人”为主题,分享了移动机器人如何打通智能工厂的物理与信息连接,提高工厂良品率和生产效率,降低了劳动力成本,为工厂智能化提供支撑。

西安交通大学教授姜歌东

 

以下为姜歌东演讲内容实录:

首先感谢2023世界人工智能大会邀请我来对我智能工厂和机器人技术的一些理解给大家来做分享。

前面两位主任都对机器人和人工智能技术在工作中的影响以及跨界创新做了一个非常精彩的报告。我的工作是局限于智能工厂,也就是制造业。

我的整个汇报分为四个部分:

一、背景和意义

大家先了解一下智能工厂应用机器人的背景。大家知道制造业是我们国家的基础产业,也是国家发展的一个重要支柱,制造业竞争有三方面的因素:能源、效率、劳动力。到2015年,我们国家的能源、效率、劳动力成本之和接近美国,因此我们可以认为我国制造业从人口优势、能源优势、土地优势2015年不再有这种优势,制造业竞争尤其激烈。

激烈的竞争是国家低端制造业走到尽头,现在是高端化制造,一个是产品高端化,一个是制造过程的高端化。所谓产品的高端化制造业面向的产品包括高铁、大飞机、3C制造业、晶圆制造;所谓制造过程的高端化机器人技术、自动化技术、智能生产线、智能技术在制造业中得到了广泛的应用。

高端制造业也就是现代的制造业有一些特殊需求,比如说制造过程需要高效高质量,效率和质量是制造过程最基础的要求,还有绿色和环保,因为大家生活在良好环境中,绿色环保的治保也是一个基本要求。为了适应个性化定制需求,现在制造业中多品种混线制造方式广泛出现,包括汽车制造业,还有3C制造业,以及电池制造业中。

除此之外,在制造过程当中大批量的时间限定交货期,使得订单卖动现象很明显。有的时候工厂订单非常紧,有的时候就没有订单了。除此之外,随着劳动力成本的提高和培训成本的提高,合格的劳动者在制造业中是比较缺乏的。

除此之外,作为制造企业希望任何一个产品制造都能够是有理论的,即便是单个产品也希望有理论。所以,希望产品制造的成本要尽量低。因此,这就对制造系统提出了一个“快速响应、柔性定制”的要求。

在这种需求的基础上,我们的制造方式从传统的“人+制造装备”变成了“人+信息系统+制造设备”。

对于“人+信息系统+制造设备”方式,由于强调了信息系统的智能控制、智能决策、智能信息交互,就构成了一个新型的智能制造方法。所以可以看到对智能制造而言,智能信息系统具有智能控制、智能决策和智能信息交互的信息系统是智能制造最核心的一个部分。

随着通信技术和移动互联技术的发展,使得制造要素随时随地可以获得。在我们离散制造过程当中所有单元可以泛在感知,移动互联使得制造过程中的智慧技术可以在时间和空间上非常方便的获取,而且随着通讯从3G到5G的发展,它的接入速率越来越快,而且接入过程是零延时的,为制造业做5G提供了基础。

在万物互联形成的整个人工智能基础上,我们要实现智能制造还有一个很重要的要获得大数据。有的大数据需要人工智能的工具基于云计算,因此物联网、大数据、云计算的发展为智能应用提供了广泛的良好基础。

综上所述,一个智能制造系统由工业云、智能工厂组成,这又回到了今天的主题“智能工厂”,是对智能过程的协作工作,而工业云主要负责制造系统中系统内部资源管理、协作、供应,得到制造的大数据,得到行业的支持,最后提供整个智能制造系统的一个解决方案。

因此,在智能制造系统中,智能工厂是最核心的一个部分和难点。智能工厂希望能够对整个制造过程进行全域感知、全局协同、全限智能。

因此,我们可以归纳一下对于智能工厂而言有三个特点:一是用工业机器人搬运小车还有传输线,从物理象离散系统连接在一起,打通了物质流;二是用工业互联网将自动化设备的数据相连,打通了整个制造过程中的数据流;三是用智能分析(人工智能)代替人的决策,实现智能决策。

这就是智能工厂的三个特征。我们可以看到移动机器人是打通智能工厂物质流的一个很重要的利器。因为在智能工厂打通搬运小车传输线从根本可以移动机器人方式来解决。

二、智能工厂中的移动机器人技术

这部分分享一下关键技术和移动机器人技术。首先回顾一下移动机器人,因为要完成一些作业和操作。

移动操作机器人整体分为两类:导轨式操作机器人、轮式移动操作机器人。导轨式是利用轮子、导轨、齿条进行机器人的移动,定位精度准,运行速度快,有效负载大,在焊接、铸造、机械加工、智能仓储、汽车、航天等钢也制造中得到了广泛的应用;轮式移动操作机器人,有一个轮式底盘,搭载了协作机器人,不需要辅助导轨,它的精准稍微差一些,载重能力差一点,主要用于不同工位的物料运输、长距离的抓取检测等。

自动移动操作机器人是一类新型的机器人,是有底盘的移动操作机器人,我们称之为“手、眼、脚”三项功能于一体的机器人。

所谓“手”就是加持器、六字U度(音)的机械臂;所谓“脚”是移动机器人平台;所谓“眼睛”,包括激光雷达、深度视觉都是用于定位导航和避障,因此所谓眼就是工业相机,用于识别它的要抓取的作业物品。

自主移动操作的机器人打通智能工厂物质流一个很重要的工具,它可以实现从备料仓到生产线,从生产线到生产仓的物料转运,也可以实现生产线中不同基台的上下料,以及不同基台之间的物流搬运。

目前,这种自主移动机器人架构形式可以有“移动底盘+滚筒”“移动底盘+机械臂”“移动底盘+料仓”,所以它的结构形式可以是非常丰富的。

对于自主移动操作机器人来说整体技术架构是分为三个部分:移动底盘部分,可以是中型、轻型、大型、室外移动机器人;信息采集与执行部分,主要机械臂,信息采集包括了相机、传感器、监测视频等;信息处理决策部分,包括头部导航SLAM系统、视觉感知系统、单机控制技术。

在这三项技术支持下,机器人就具有单机自主的移动能力和执行操作的能力。

信息处理与决策单元除了单机移动和执行能力外,还有多机调度与管理能力。

对于自主移动操作机器人来说,信息处理和决策系统是能够和工厂中的业务系统,包括MES系统、ERP、WMS系统进行互相连接,这就又为移动操作系统打通整个制造过程中的信息流提供了一个很有效的工具。

下面说一下移动操作机器人关键技术。

1.动态目标定位与监测技术。

2.自主定位与导航技术。是自主移动的机器人,所以通常在硬件底盘配备了360度的激光雷达可以进行见图定位导航功能。除此之外还带有深度视觉、立体视觉,可以实现整个三维避障。在末端配有高精度的辅助定位装置。

3.视觉识别及操作技术。包括了点云获取处理,要作业物体识别、机器人手眼标定、物体抓取策略,以及目标操作的内容规划技术。如图可以进行作业要求自主识别物体,进行抓取。

4.安全协同控制技术。我们知道移动操作机器人应用的时候很多时候跟人打交道,所以机器人必须具有柔顺化操作的能力,能够跟人在共同工作中对人不会造成伤害。作为一个自主移动操作机器人会有底盘,上面是机械臂,底盘和机械臂之间有分配协调控制也是移动操作机器人的一个关键技术。

5.多机器人调度技术。因为在工厂中通常情况下会用到多个自主移动的机器人来进行物流运输,因此需要机器人的控制系统、管控系统能够根据任务分配最优的机器人,并且制定最优的机器人。

6.5G无线通信技术。可以自由工作的时候,它会根据不同类型设备,包括仓储设备、制造设备、测量设备进行信息交互,因此对整个无线通信技术提出了很高要求,5G技术有实时性好等优点。

三、移动机器人在智能工厂的应用实例

1.发动机组装生产线物流。节拍要求高转运距离长,物料重量大。为了解决这个问题,我们的解决方案用了三台移动操作机器人,既能实现内装托盘转运,也能实现外装运发动机的转运,将原有5分钟缩短到2分钟,而且比传统方案成本减少了一半。由于24小时不间歇工作,所以产能减少了一半。

2.耳机的SMT生产线物流。可以与制造系统的MES系统、仓库管理进行通讯,实现三条SMT产线的物流配送。

3.半导体晶圆制造物流。我们知道半导体分为前、后工艺,作为一个晶圆生产完成在过程当中反复投入,所以一个晶圆制造会有超过1000道的工序。所以物料需要在不同机台进行上下料,所以物流运输量非常大。而且要求是Claas-1的无尘车间,即便人穿着防护服也没有办法防止污染,因此希望用无人化移动操作机器人来代替人进行搬运。

1)在全球某知名晶圆厂中采用了8寸晶圆盒的无人化转运和上下料,采用了优艾智合Trans-OW8晶圆搬运机器人,移动灵活、位精度高、适用于全局部署。洁净等级满足Class-1,移动时震动数值低比人搬运时低很多。采用了无人搬运和上下料理之后,趋势减少了操作人员,而且提高了电子料价的利用率,节省人力成本,每年能达到300万元。

2)国内某分离器件电子元器件行业头部公司:黄光一体化车间自动化物流。

我们用了7台移动操作机器人完成了为“印刷、曝光、显影”三大工艺段的单日672日次的物料转运,节约了16名工人,提升了综合良品率。因为黄光一体化车间设备是4000伏的高压,所有一般加工之后需要静置4小时,人工不能进去,所以用自主移动操作机器人上下搬运是解决了能耗问题,整个效率可以提升很多。

3)全球规模领先的轨道交通装备供应商:晶圆高压离子注主车间的料配送。离子注入车间实现无人化车间改造,完成晶圆盒配送和机台自主上下料,满足车间7×24小时的连续生产需求,应用晶圆搬运机器人之后,产能提升150%。

4)国内某半导体企业工厂:封装车间的整体物流。采用顶升机器人转运弹夹,移动操作机器人OM-T12完成机台上下料。解决工厂无人化生产,实现弹夹、整体托盘在烤箱、料架及各个机台的自动转运和上下料。24小时连续作业,解放劳动力;实时反馈运输过程的物流数据,打通工厂信息流。

四、总结

1.以物联网、大数据、云计算为依托的智能制造是制造业发展的大趋势,智能工厂是智能制造的核心。

2.移动机器人是打通智能工厂物质流、信息流,实现智能制造的关键设备。

3.智能能工厂中的移动机器人关键技术包括:动态目标检测及跟踪技术、自主定位与导航技术、视觉识别及抓取技术、安全协同控制技术、多机器人调度技术、5G无线通信技术。

4.移动机器人在智能工厂物流系统中的应用,提高了良品率和生产效率,降低了劳动力成本。

谢谢大家。

(智能网,根据现场实录整理)

标签:WAIC 2023智能机器人产业发展论坛 我要反馈 
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