很少有人把两者区分开来机器机器人服务机器人,工业机器人.对于许多人来说,人工智能人工智能)是一项神秘的技术,它最终将导致人类赖以生存的几乎所有事情的自动化,包括制造业。

有时候,我太犹豫了,需要更新一下这些自动化相关术语的解释,以便在ÉTS上学习我的本科工业机器人课程。而大多数是由国际标准化组织(ISO),由于不断的技术革新,它们在工业上的使用可能有所不同。此外,主流媒体对此类术语的使用往往是随意的,尤其是在涉及制造业时。

事实是,随着越来越多的工业机器人、快速增长的服务机器人(本质上是移动机器人)和大量定制机器的出现,今天的制造业正日益自动化。人工智能和传感器技术的进步,以及其他简化机器人部署的手段,将进一步加快制造自动化的速度,但机器人末日不会到来。

在这篇文章中,我将首先澄清一些关于在制造业中使用机器人的误解,然后重点讨论工业机器人。我将解释为什么为工业机器人编程只是使其有用的一小部分,更不用说以最佳方式。然后我会说,工业机器人是自动化组件,尽管人工智能取得了进步,但要成功部署工业机器人,仍然需要一些系统集成技能和对机器人概念的基本理解。

“机器人”来了!

十年前,我兴奋地在我的新游泳池合同中读到我将得到一个免费的“机器人泳池清洁器”,但后来才意识到,这个“机器人”只是一个塑料泳池爬行器,没有发动机,没有电子设备,没有大脑。我的一些学术同事可能会说,这个泳池清洁工是机械的情报在那里,泳池泵的吸力产生的漩涡效应使所谓的“机器人”四处爬行(尽管是随机的),而这个机器人更干净一个机器人。事实上,《大英百科全书》将机器人简单地定义为“任何能够取代人类劳动的自动操作机器”。但我的泳池清洁并非易事:我不得不多次潜入水中,把我的“机器人”重新安装到泳池底部。

《大英百科全书》将机器人定义为“任何能够取代人类劳动的自动操作机器”。

我也想到了其他一些更微妙的混淆机器人术语的例子。“小辣椒”(Pepper),那个命运多舛的服务机器人,如今已不复存在,它经常为一些实际与工业机器人有关的文章做插图。就连波士顿动力公司(Boston Dynamics)偶尔也会把他们的四倍服务机器人Spot称为工业机器人。在大多数关于“机器人偷走工作”这一有争议的话题的文章中,人们从来都不清楚所讨论的机器人是否包括自动通讯系统、语音助手、自动驾驶出租车,或者任何代替人类劳动的自动机器,比如自动取款机。

与此同时,中国继续部署数量惊人的机器人工业一是应对日益严重的劳动力短缺。一些人想知道“谁来为成千上万的机器人编程?”但这不是一个正确的问题。自动化手机组装或鞋缝需要的远不止这些编程一个机器人。其他人推测,工业机器人很快就会自主学习,就像Roomba最终学会了如何扫地一样,尽管你的猫会摆弄它。

确实有越来越多的初创企业提供软件解决方案,其中许多是基于人工智能的,可以让你在动态环境中自动化某些流程,而无需编码。最近的一个例子是谷歌的母公司Alphabet,它推出了Intrinsic。Intrinsic将提供“使用机器人环境中的传感器数据的软件和人工智能工具,这样机器人就可以感知、学习并快速适应现实世界。”这些解决方案对于特定的任务非常有用,如码垛、拣箱、焊接,甚至组装。但产品及其制造过程在不断演变,有些任务甚至需要一段时间才能掌握。每次清理打印机的时候,我都很挣扎,我想我不是一个人。所以机器人并没有接管。如果你不相信我,可以问问你最喜欢的人工智能语音助手。

工业机器人作为自动化部件

工业机器人定义为ISO 8373作为一种“自动控制,可编程,多用途机械手,可在三个或多个轴上编程,可以固定在地方或固定在一个移动平台上,用于工业自动化应用。”

尽管用于仓库应用的自感知服务机器人的数量正在迅速增加,如波士顿动力公司(Boston Dynamics)或6 River Systems公司的自感知服务机器人,但用于工业自动化的绝大多数都是工业机器人,尤其是制造业。大多数都是机械臂,比如dota2雷竞技 虽然通常要大得多。去年,全球安装了约38万个工业机器人,其中近一半在中国国际机器人联合会(IFR)。

然而,当我们谈论自动化制造过程时,我们必须主要考虑专用机械设备,如小瓶灌装、封盖和贴标站。这些部件包括计算设备、执行器、连杆、传送带、传感器和其他各种自动化部件,偶尔还会有工业机器人(见下图)例子).

工业机器人通常是高度复杂自动化系统的小型但功能强大的组件,通常由系统集成商制造。

工业机器人通常是高度复杂自动化系统的小型部件,但功能强大系统集成商.工业机器人配备了各种工具,可以完成焊接、装配、检验等复杂任务,也可以完成机器照管等简单的取放任务,但它们始终应被视为组件。我通常避免使用这个词机器人的电池,因为这意味着一切都是围绕着机器人进行的。这不应该被认为是一种规则。

在这个例子中,Mecademic的机器人手臂正在组装注射器的柱塞,作为一个复杂的自动化系统的一部分(图片由GTE提供)
在这个例子中,Mecademic的机器人手臂正在组装注射器的柱塞,作为一个复杂的自动化系统的一部分(图片由GTE提供)

工业机器人的解剖

工业机器人由由关节连接的连杆组成。在大多数设计中,这些关节都是驱动的,即,典型地与电机耦合。根据IFR的数据,近三分之二的工业机器人是铰接式机器人手臂大多数是六轴机械臂,这意味着它们由一系列通过六个驱动关节连接的连杆组成。大约六分之一的工业机器人被称为机器人SCARA机器人,它可以被看作是由四个电机连接的一系列连杆。也有其他类型的工业机器人,如龙门拾取和放置机器人,七轴机械臂和并联机器人,但在所有情况下,一个工业机器人由一个组合的连杆,关节和驱动器,称为汇率操纵国,和控制器.后者通常是一个单独的、笨重的橱柜。

所有的操作手在一端都有一个基座,可以连接到某物上,在另一端有一个机械接口(带螺纹孔的板),第三方工具可以连接在上面。这种第三方工具被称为末端执行器end-of-arm-toolingEOAT),通常包括夹具、电动螺丝刀、焊枪或胶枪。

来自Mecademic的六轴机器人手臂(左)和SCARA机器人(右),没有工具
来自Mecademic的六轴机器人手臂(左)和SCARA机器人(右),没有工具

工业机器人控制器的主要目的是管理机器人执行器的运动,使机器人末端执行器以极高的精度(重复性)和高精度沿着指定的路径运动,而不发生摇动或振动。举个例子,Mecademic的机器人手臂可以一次又一次地重新定位工具,其偏差不超过5微米——这是人类头发直径的十分之一。这个测量方法叫做可重复性.它们也可以沿着一个路径移动它们的末端执行器,比如一个圆,通常偏离这个完美的圆形路径不超过200微米——这是一个度量精度

一个工业机器人控制器也可以对外部事件做出非常快的反应,通常在几毫秒内。

工业机器人通常不会预先安装外部传感器来感知环境。

然而,工业机器人通常不会预装能够感知环境的外部传感器,控制器内几乎没有人工智能。然而,它仍然是一个高度精密的设备,包含数十万行定制代码。这些代码包括执行运动规划、电机控制和实时通信的复杂算法。

工业机器人是多功能的部分完成的机器机械指令2006/42/EC定义的术语“设计”,意思是“一个几乎是机械的组件,但它本身不能执行特定的应用。”要使一个工业机器人变得有用,就必须由一个外部计算设备(如计算机)实时编程或引导可编程序逻辑控制器PLC)).但首先它必须配备末端执行器和传感器。更重要的是,它必须根据设定的安全标准,与许多其他自动化组件一起易于安装。

此外,一个工业机器人控制器的处理能力明显低于一个典型的现代智能手机。因此,如果你需要“增强智能”(augmented intelligence),比如用于实时避障或处理随机堆积在垃圾桶里的部件的高级算法,你就需要一台功能强大的外部计算机,以及复杂的第三方软件。在没有外部计算机的情况下,你能编程进入典型工业机器人或控制它的典型PLC的唯一算法,是基于老式的if-then-else命令的算法。

为工业机器人编程和操作

大多数工业机器人至少需要几天的培训,学习如何编程和操作它们。而且,每个品牌都以完全不同的方式进行规划和运作。令人惊讶的是,指导机器人做出动作的基本原则是相同的,但是机器人专有的编程语言、详细的功能和不同层次的界面在不同品牌之间是完全不同的,而且通常都很复杂。

这种复杂性是由于自20世纪70年代以来,许多机器人制造商没有重新设计他们的专利方法,主要是因为他们现有的庞大客户基础。当他们在几十年前为他们的编程方法奠定基础时,他们无法预见到未来的产品和功能,而这些产品和功能现在往往以一种笨拙的方式处理。此外,工业机器人一直被设计成几乎是独立的机器。直到最近,互操作性和易用性的需求还不是变革的驱动力。

Mecademic的设计理念则有所不同:我们的机器人不依赖于编程语言,并被设计成复杂自动化系统的一个组成部分。类似的,大多数所谓的协作机器人在过去的十年中引入的机器人都是用简化的图形编程界面设计的,比传统的工业机器人更容易上手。

学习机器人专用编程语言与学习通用编程语言完全不同。

也就是说,学习专有的机器人编程语言与学习通用编程语言(如c++或Python)是完全不同的。这个过程主要是关于理解各种与机器人相关的动作命令以及它们的多种选择和限制。这些命令、选项和限制在不同的机器人品牌之间是完全不同的,因为它们是在机器人固件演进的不同阶段以独特的方式想象和实施的。因此,虽然不需要学习新的编程语言语法或使用图形界面而不是编码是一大优势,但您仍然需要了解每个特定机器人动作的细节。

在制造业中,机器人的编程可能只涉及几个动作指令和一点逻辑。然而,运动可能需要精确到几微米,并与其他事件在几微秒内完美同步。有时,客户可能需要在机器人末端执行器开始移动后0.1秒激活一个信号。另一种方法是,当一个信号被触发时,机器人能够精确地沿着最初的运动路径完全停止。不同的客户可能需要完全同步地移动多个机器人,一个安装在直线导轨上,手持工具,另一个手持零件。您将如何为所有这些场景实现解决方案?答案是,没有单一的配方,没有单一的最佳解决方案,但有多种方法来满足这些需求。

尽管如此,给一个工业机器人编程来执行一系列的动作是有趣的部分!但你还需要学习如何操作机器人,如何服务它,如何在崩溃后掌握它(更新它的转速计数器),以及如何让它与第三方设备通信。

SDC是一个系统集成商,使用了来自mecacademic的三个微型六轴机器人和来自另一个工业机器人制造商的一个大型SCARA机器人(图片由SDC提供)
SDC是一个系统集成商,使用了来自mecacademic的三个微型六轴机器人和来自另一个工业机器人制造商的一个大型SCARA机器人(图片由SDC提供)

此外,仅仅在一个品牌的工业机器人上获得专业知识往往是不够的。这是因为每个机器人制造商都提供了至少几个具有独特特征(如尺寸、速度、精度、对敏感环境的适用性)的机器人模型,而这些特征是其他厂商所没有的。否则,我和我的同事就不会在ÉTS的研究实验室里从不同品牌购买几十个工业机器人,包括六足机器人、Delta机器人、七轴机器人手臂和各种合作机器人。例如,Mecademic提供了迄今为止最小的六轴工业机械臂,类似地,只有一家机器人制造商提供了能够承受2000公斤以上负载的巨型机械臂,以及六足机器人(一种平行机器人)。

幸运的是,对于常见的任务(有些很简单,有些很复杂),像ArtiMinds、Drag&Bot和Ready Robotics这样的初创企业已经创建了运行在不同计算机上的基于模型的图形界面,允许您以相同的方式对各种工业机器人品牌进行编程。类似地,许多公司,如RoboDK和Visual Components,现在提供离线编程和模拟软件,可与各种品牌的工业机器人合作。得益于后处理器,无需编码就可以生成机器人程序。

这一趋势符合Mecademic的哲学,即工业机器人,无论多么复杂,都应该保留下来多功能自动化组件,而不是独立的机器。因此,我们有意地设计我们的机器人,使它们能够轻松地与其他计算设备和软件包进行交互,这些设备和软件包将处理所有潜在的使用场景。

但你仍然需要学习如何打开机器人,将它连接到其他设备,在碰撞后重置它,或更新它的固件——这些任务只能通过原始机器人的界面来完成。此外,使用品牌无关的编程接口会让你无法使用每个品牌机器人提供的一些高级功能和选项。因此,一些机器人制造商自己也提供了额外的简化界面,用于对机器人进行基本任务的直观编程。

工业机器人是如何使制造过程自动化的?

高产量,专用机械在效率方面是无可匹敌的。这种机器是为单一产品量身定制的,如果有变化,也很少(见例子).它们可能非常昂贵,需要花费很长时间来设计和开发,而且只适用于大批量、低混合、产品生命周期长的产品。

通常,使用工业机器人来自动化部分制造过程更快,更经济可行,即使机器人看起来像是一个过度设计的解决方案。

通常,使用工业机器人来自动化部分制造过程更快,更经济可行,即使机器人看起来像是一个过度设计的解决方案。例如,你可能最终会使用一个配备了真空吸盘的六轴机械臂,其唯一目的就是从一个地方挑选相同的部件并将它们放在另一个地方。尽管如此,许多工作,如焊接、涂胶或检查复杂形状的零件,只能由六轴机器人自动化。此外,工业机器人可以配备多种工具,完成不同的任务例子),否则就需要几台定制的机器。

在制表应用程序中使用的一个简单的振动碗喂食器(左图由Horosys提供)和一个3D垃圾桶拾取示例(右图由CapSen Robotics提供)
在制表应用程序中使用的一个简单的振动碗喂食器(左图由Horosys提供)和一个3D垃圾桶拾取示例(右图由CapSen Robotics提供)

一个很好的例子说明了固定的自动化机器人技术是振动碗式给料机而不是3 d本挑选.考虑一个典型的自动化场景,在这个场景中,相同的部件批量出现,必须一个一个地放在一个精确的位置,这个过程称为基板.传统的方法是使用一个振动碗给料机(见视频).后者通常是一个振动的碗(一个料斗),带有螺旋形的轨道,并配备了各种各样的障碍,这些障碍会随机翻转方向的部件,直到它们以预定的方向离开轨道。零件的形状越复杂,振动碗式给料机就越复杂。设计馈线几乎是一门艺术,是一个复杂而昂贵的过程。然而,这样的馈线可以提供多达每秒四份。即使是最快的拾取和放置机器人也不能处理每秒这么多的传输,所以这种高吞吐量的振动碗给料机经常与一些定制的部件传输系统一起使用。

如果可以容忍较低的速度,或者如果要处理不同的部件,您可以使用三维视觉系统(通常是一对摄像机和一个已知光模式的投影仪,如网格),以将数据输入六轴工业机器人,以执行拣箱操作。这些零件被随机堆放在一个箱子里,3D视觉系统识别出每个零件的位置和方向,这些零件(至少是部分)是通畅的,然后可以被六轴机器人轻松地挑选出来。

对于振动碗给料系统,交付时间可能是几个月,但然后你将有一个非常快的过程。然而,当您对产品进行更改时,您就必须对系统进行重大修改。基于3D视觉的系统几乎是现成的。除了视觉系统的调优、夹持器的安装、夹持器手指的设计与加工、机器人与视觉系统的安装等。

事实上,工业机器人提供了灵活性,而且经常是现成的,但它们不是万能的解决方案。通常情况下,即使是在机器人上安装最简单的抓手也需要机械、电气和编程方面的专业知识,可能需要数小时。但在此之前,你必须从市场上数百种型号中选择你的手柄。幸运的是,所谓的合作机器人的出现开启了一种提供即插即用机器人工具的趋势,但到目前为止,这些工具主要是为选定的合作机器人品牌保留的。mecacademic很可能是唯一一个(非合作)机器人制造商,也提供了抓手-自然- plug-and-work。

当然,您还需要设计和构建您的物理安装。幸运的是,也有一些初创公司可以简化你的工作。例如,Vention提供基于云的3D设计软件,用于构建机器和机器人单元,Tessella Automation提供机械模块,用于构建精密自动化设置。但在很多情况下,由于资源有限(空间、预算等),安装机器人不仅仅是将组件拧在一raybet雷竞技能提款吗起,还需要我在机器人课程中传授的知识,以及我们在网站上提供的知识。

空间通常是一种稀缺资源,因此自动化组件的最佳布局很重要(图片来自GRITEC)
空间通常是一种稀缺资源,因此自动化组件的最佳布局很重要(图片来自GRITEC)

假设你设计并建造了一个场景,在这个场景中,机器人必须从视觉系统识别的各种不可预知的位置以独特的方式抓取部件。不管你今天使用的是什么模拟或人工智能工具,它都可能不会自动检测到你的机器人无法从特定位置抓取零件的可能性,因为物理上的限制被称为奇点(是数学上的,不是科幻小说里的)。或者,你必须在摄像机前以多个方向展示一个部件。没有任何商业上可用的工具可以优化这些重新定位的顺序,以最小化您的周期时间。没有软件可以帮你找到最佳的夹持器安装角度,或者建议你在机器人上安装三种不同的工具。这些优化都是可行的,我们在学术界经常做它们,但有如此多不同的使用场景,如果软件存在于所有这些场景,使用起来可能会非常复杂。

那么,人工智能如何改进工业机器人的部署呢?

人工智能(AI)是一个模糊的术语,没有被广泛接受的定义,但当与机器人相关时,它通常意味着使用机器学习(AI的一个分支),没有明确的编程,而是从经验(即从大量数据)中学习。例如,Vicarious是一个独特的系统集成商,它使用机器学习来执行各种类型的3D bin拣选、码垛和包装。

然而,在大多数制造应用中,一个过程需要用机器人实现自动化,你不需要机器学习。这些部件总是在相同的位置以相同的方式显示,并且环境永远不会改变,因此您可以为您的系统找到一个最佳设计—例如最小化周期时间。对于这类问题,其他不太流行的人工智能子集非常有用,比如产品表面优化算法

现在有越来越多的流行应用提供交钥匙人工智能解决方案。我们已经讨论过3D拣箱技术,它已经成为一项成熟的技术,但能够直接向机器人控制器传递零件位置的2D智能摄像机已经存在了几十年。今天,我们也有其他复杂任务的人工智能解决方案。焊接是一个很受欢迎的应用,而Path Robotics,例如,提供了一个完整的系统,包括一个配备焊枪的机器人,可能是一个转盘,一些传感器,最重要的是,一个软件,使用人工智能自动编程的最优运动机器人焊接一个复杂的部分。码垛是另一个非常常见的应用程序,你可以使用软件自动编程你的机器人,即使是在混合大小的箱子的情况下。绘画是我们有类似解决方案的另一个应用(例如,Omnirobotic)。对于需要实时运动规划的应用程序,Realtime Robotics提供了传感器和带有直观编程软件的高端控制器。

人工智能无疑为工业机器人和自动化打开了新视野,但它仍是一种促成因素,而不是完整的解决方案。

人工智能无疑为工业机器人和自动化打开了新的视野,但它仍是一种促成因素,而不是完整的解决方案。您仍然需要研究和选择正确的自动化组件-在成千上万的可能性-并找到他们的最佳位置,然后设计和建造适配器板,支架,框架,电线所有组件,最后根据机器安全标准集成一切。

幸运的是,目前的简化和标准化趋势也将极大地促进工业机器人的采用,并提高人工智能工具的重要性。(目前,这些人工智能工具只适用于选定的机器人品牌。)例如,ROS工业联盟为工业机器人、抓手和传感器提供接口,并为常见任务提供软件包。但是,对通用机器人和自动化教育的需求不仅将继续存在;它还将急剧增加。

所以不要等待开始探索机器人。在短期内,工业机器人不会成为全能的机器人,但部署它们并非难事,而且正变得越来越容易。当然,您将需要一些技术技能,但您不会从头开始创建应用程序。大约有300万个工业机器人已经投入使用,在案例研究和论坛中介绍了其中的许多装置。制造商提供各种编码示例和驱动程序;自动化设备之间的互操作性正在改善。工业机器人的新时代已经开始。