機器人自動化集成系統(tǒng)設(shè)計(NX MCD) 課件 第5、6章 基于人工智能的自動化集成技術(shù)、基于NX MCD 的機器人自動上下料系統(tǒng)

第5章

基于人工智能的自動化集成技術(shù)

5.1人工智能推動智能制造發(fā)展5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)5.1.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用5.1.3人工智能全方位促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展5.2人工智能賦予機器人新活力5.2.1人工智能引發(fā)機器人行業(yè)變革5.2.2智能工業(yè)機器視覺5.2.3機器人智能協(xié)作5.3人工智能助力自動化集成5.3.1人工智能與工業(yè)自動化融合5.3.2

ChatGPT引領(lǐng)工業(yè)自動化邁向智能化5.3.3機器人自動化全集成化繁為簡全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓬勃興起，對制造業(yè)的生產(chǎn)方式帶來深刻影響，以智能制造為核心的制造革命尤為突出。一方面帶動眾多新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備快速發(fā)展，催生出一大批新應(yīng)用新模式，驅(qū)動新興產(chǎn)業(yè)快速成長，另一方面，智能制造幫助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)制造與市場多樣化需求之間的動態(tài)匹配，減少消耗、提高品質(zhì)，大幅提高勞動生產(chǎn)率。依托智能制造推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，已成全球普遍共識。以人工智能（AI）為代表的新一代使能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用正進(jìn)入空前密集活躍期，通過工業(yè)知識和數(shù)據(jù)科學(xué)的緊密結(jié)合，大幅提升對問題的洞察與預(yù)判能力，為設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等環(huán)節(jié)的優(yōu)化提供智能化決策支撐，不斷拓展智能制造發(fā)展空間。人工智能推動智能制造發(fā)展在工業(yè)4.0的浪潮下，人工智能已經(jīng)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型的“利器”，在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用使傳統(tǒng)制造業(yè)煥發(fā)出勃勃生機。5.1人工智能推動智能制造發(fā)展015.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)/151025.1.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用/156035.1.3人工智能全方位促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展/1585.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)人工智能自誕生以來，經(jīng)歷了從早期的專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)，到當(dāng)前持續(xù)火熱的深度學(xué)習(xí)等多次技術(shù)變革與規(guī)?；瘧?yīng)用的浪潮。人工智能是要讓機器的行為看起來就像是人所表現(xiàn)出的智能行為一樣。隨著硬件計算能力、軟件算法、解決方案的快速進(jìn)步與不斷成熟，工業(yè)生產(chǎn)逐漸成為了人工智能的重點探索方向，工業(yè)智能應(yīng)運而生。5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)5.1.1.1從人工智能到工業(yè)智能人工智能概述：人工智能技術(shù)，指利用計算機程序使人造機器具備類人類智能、模擬人類學(xué)習(xí)、認(rèn)知、感知能力的信息技術(shù)?；谒鶎崿F(xiàn)的功能，人工智能技術(shù)可分為訓(xùn)練層、感知層及認(rèn)知層。1、訓(xùn)練層指模擬人類學(xué)習(xí)能力的AI技術(shù)；2、感知層指模擬人類接收并理解外界信息能力的AI技術(shù)；3、認(rèn)知層指模擬人類通過學(xué)習(xí)、判斷、分析等心理活動獲取信息內(nèi)含邏輯的AI技術(shù)。5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)工業(yè)智能定義：工業(yè)智能，亦稱工業(yè)人工智能（IndustrialAI），是人工智能技術(shù)與工業(yè)融合發(fā)展形成的，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等工業(yè)領(lǐng)域各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)模仿或超越人類感知、分析、決策等能力的技術(shù)、方法、產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)。工業(yè)智能的本質(zhì)是通用人工智能技術(shù)與工業(yè)場景、機理、知識結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)計模式創(chuàng)新、生產(chǎn)智能決策、資源優(yōu)化配置等創(chuàng)新應(yīng)用。需要具備自感知、自學(xué)習(xí)、自執(zhí)行、自決策、自適應(yīng)的能力，以適應(yīng)變幻不定的工業(yè)環(huán)境，并完成多樣化的工業(yè)任務(wù)，最終達(dá)到提升企業(yè)洞察力，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備產(chǎn)品性能等目的。5.1.1.1從人工智能到工業(yè)智能5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)工業(yè)智能推動制造業(yè)智能化：工業(yè)智能已經(jīng)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效手段，也是打通智能制造最后一公里的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)智能推動制造業(yè)智能化主要通過以下三種方式：①固化熟練工人和專家的經(jīng)驗，模擬判斷決策過程，解決過去工業(yè)領(lǐng)域中需要人工處理的問題。②基于知識匯聚實現(xiàn)大規(guī)模推理，實現(xiàn)更廣流程、更可靠的管理與決策。③通過構(gòu)建算法模型，強化制造企業(yè)的數(shù)據(jù)洞察能力，解決工業(yè)中機理或經(jīng)驗復(fù)雜不明的問題。為不斷提升生產(chǎn)力，工業(yè)智能打造了制造業(yè)智能化引擎，主要包括四個方面：①基礎(chǔ)軟硬件是指各類芯片/計算模塊、AI框架、工業(yè)相機等相對通用的軟硬件產(chǎn)品；②智能工業(yè)裝備是指融合智能算法的機器人、AGV、機床等工業(yè)生產(chǎn)制造設(shè)備；③自動化與邊緣系統(tǒng)是指融合了智能算法的工業(yè)控制系統(tǒng)；④平臺/工業(yè)軟件與方案是指各類具有AI能力的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺及其衍生解決方案和應(yīng)用服務(wù)。5.1.1.1從人工智能到工業(yè)智能5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)（1）實時性問題（2）可靠性問題（3）可解釋性問題（4）適應(yīng)性問題5.1.1.2工業(yè)智能應(yīng)用面臨問題5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)5.1.1.3工業(yè)智能關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)智能技術(shù)整體遵循數(shù)據(jù)、算力和算法三要素邏輯，由底層至上包括芯片、編譯器、框架、算法四方面。通用技術(shù)往往無法滿足工業(yè)場景復(fù)雜性與特殊性要求，即應(yīng)用面臨的四類問題，需要通過技術(shù)創(chuàng)新與工業(yè)化適配解決，二者的對應(yīng)關(guān)系如圖5-1所示。圖5-1技術(shù)與解決四類問題的對應(yīng)關(guān)系5.1.1工業(yè)智能構(gòu)建制造業(yè)智能化基礎(chǔ)5.1.1.3工業(yè)智能關(guān)鍵技術(shù)（1）芯片：基于FPGA的半定制化芯片有望成為工業(yè)智能核心底座（2）編譯器：高兼容性編譯器滿足工業(yè)適應(yīng)性需求（3）框架：實時性需求推動端側(cè)推理框架成為未來發(fā)展重點（4）算法：通用技術(shù)領(lǐng)域突破與定制化算法研究是關(guān)鍵工業(yè)智能應(yīng)用面臨的四個關(guān)鍵問題中，實時性問題、軟硬件與模型適應(yīng)性問題可通過芯片、架構(gòu)與編譯器的發(fā)展來解決，而可靠性、可解釋性、數(shù)據(jù)與場景適應(yīng)性則需依靠算法層面的研究解決。工業(yè)智能技術(shù)是一項以應(yīng)用為導(dǎo)向、持續(xù)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，需要立足當(dāng)前人工智能與工業(yè)制造融合發(fā)展變革的關(guān)鍵時點與歷史性機遇，以融合創(chuàng)新為主線，推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新、部署與應(yīng)用，以應(yīng)用引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)鏈整體性突破，實現(xiàn)向價值鏈高端水平躍升。5.1.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用隨著人工智能（AI）科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，AI在許多領(lǐng)域都取得了顯著的進(jìn)步，其中之一就是智能制造。智能制造是指通過集成信息技術(shù)和制造技術(shù)，以提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)的一種新型制造方式。AI在智能制造中的應(yīng)用，正在不斷推動著智能制造的發(fā)展，為制造業(yè)帶來巨大的創(chuàng)新和變革。5.1.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用5.1.2.1人工智能在智能制造中的角色AI作為一項前沿技術(shù)，正逐漸成為智能制造領(lǐng)域的核心引擎，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了前所未有的智能化和效率提升。AI在智能制造中的角色不僅僅體現(xiàn)在高級計算能力上，更在于能夠?qū)崿F(xiàn)自動化決策和智能優(yōu)化，從而推動制造業(yè)向更高水平邁進(jìn)。（1）自動化決策（2）智能優(yōu)化（3）故障預(yù)測與維護（4）智能適應(yīng)性5.1.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用5.1.2.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用場景（1）自動化生產(chǎn)控制（2）優(yōu)化生產(chǎn)計劃（3）設(shè)備故障處理（4）質(zhì)量控制提升5.1.2人工智能在智能制造中的應(yīng)用5.1.2.3人工智能在智能制造中的優(yōu)勢（1）提高生產(chǎn)效率（2）降低成本（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量（4）促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型AI在智能制造中的應(yīng)用正在不斷推動著制造業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。未來，隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的不斷擴展，智能制造將會迎來更加廣闊的發(fā)展空間。5.1.3人工智能全方位促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展5.1.3.1AI+制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將AI技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)，使制造業(yè)在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)機器的自主反饋和自主優(yōu)化。如圖5-2所示，AI+制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)包括三層：（1）基礎(chǔ)層（2）技術(shù)平臺層（3）應(yīng)用層圖5-2AI+制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)5.1.3人工智能全方位促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展5.1.3.2制造業(yè)生產(chǎn)過程智能化AI應(yīng)用于制造業(yè)多個環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用如圖5-3所示，主要包括預(yù)測性設(shè)備維護、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、提升自動化程度、智能化產(chǎn)品檢測、智能化搬運等。生產(chǎn)過程智能化所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括以下幾個方面：（1）機器人（2）智能物流（3）數(shù)控系統(tǒng)（4）機器視覺（5）工控與工業(yè)軟件（6）智能儀表（7）X射線檢測設(shè)備（8）傳感器（9）AR&VR圖5-3生產(chǎn)過程智能化5.1.3人工智能全方位促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展5.1.3.3人工智能發(fā)展與制造業(yè)發(fā)展融合在全球化的今天，制造業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機遇。AI技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人類進(jìn)入了一個新的技術(shù)時代。在工業(yè)領(lǐng)域，AI的應(yīng)用正變得越來越廣泛。AI是引領(lǐng)未來的新興戰(zhàn)略性技術(shù)，是驅(qū)動新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要力量。

隨著科技不斷創(chuàng)新和發(fā)展，智能制造正以驚人的速度改變著全球產(chǎn)業(yè)格局。

5.2

人工智能賦予機器人新活力5.2.3機器人智能協(xié)作

035.2.2智能工業(yè)機器視覺025.2.1人工智能引發(fā)機器人行業(yè)變革015.2人工智能賦予機器人新活力隨著智能制造的發(fā)展，工業(yè)機器人已成為工業(yè)場景中不可或缺的一部分，在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)揮著巨大的作用。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人僅是代替部分繁瑣的人工勞動，成為人類體力的延伸，但機器人的智能程度還不夠，無法完成一些比較精細(xì)的工作。AI技術(shù)的發(fā)展為工業(yè)機器人的發(fā)展提供了強有力的支撐，可使工業(yè)機器人能夠更加靈活地處理復(fù)雜的工業(yè)場景，進(jìn)一步提升檢測精度與效率，助力企業(yè)的數(shù)字化、智能化建設(shè)，推動制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。AI技術(shù)的加入，使得工業(yè)機器人能以與人類智能相似的方式做出反應(yīng)，賦予了機器人新的活力，讓它不僅能代替人類大部分的體力勞動，也可以在程序設(shè)定的基礎(chǔ)上代替部分的腦力勞動，提高生產(chǎn)效率，降低工廠生產(chǎn)成本。AI在機器人行業(yè)中的作用越來越顯著，通過提高自主學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用于多個場景等方式，為機器人賦能。5.2.1人工智能引發(fā)機器人行業(yè)變革AI在機器人行業(yè)中的應(yīng)用極大地增強了機器人的功能和智能水平，使得機器人能夠執(zhí)行更為復(fù)雜、靈活且自主的任務(wù)。5.2.1人工智能引發(fā)機器人行業(yè)變革5.2.1.1人工智能在機器人行業(yè)中的應(yīng)用AI在機器人行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，為機器人賦予了各種先進(jìn)功能和更強大能力。在工業(yè)機器人領(lǐng)域，AI不僅提高了生產(chǎn)效率，還確保了功能安全和信息安全，催生了如協(xié)作機器人（Cobot）、自動駕駛汽車和無人機作業(yè)等新興應(yīng)用。以下是一些關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）運動控制與自主導(dǎo)航（2）感知與理解環(huán)境（3）決策與問題解決（4）人機交互（5）自適應(yīng)與學(xué)習(xí)（6）預(yù)測性維護與健康管理（7）智能制造與協(xié)同工作5.2.1人工智能引發(fā)機器人行業(yè)變革5.2.1.2AI提高機器人的自主學(xué)習(xí)能力AI可以通過以下幾種方式提高機器人的自主學(xué)習(xí)能力：（1）機器學(xué)習(xí)（2）深度學(xué)習(xí)（3）強化學(xué)習(xí)（4）軟件框架和工具（5）大數(shù)據(jù)和云計算（6）開源項目和社區(qū)AI技術(shù)為機器人的自主學(xué)習(xí)提供了強大的支持。通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，AI將幫助機器人實現(xiàn)更高的自主學(xué)習(xí)能力和智能。5.2.1人工智能引發(fā)機器人行業(yè)變革5.2.1.3人工智能和機器人技術(shù)發(fā)展方向未來，AI和機器人技術(shù)的發(fā)展方向可能包括以下幾個方面：（1）更加智能化（2）更加自主化（3）人機協(xié)作（4）多模態(tài)融合（5）應(yīng)用場景拓展（6）倫理和法律問題AI在機器人產(chǎn)業(yè)中扮演著關(guān)鍵角色，通過強化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)顯著提升機器人的自主學(xué)習(xí)與適應(yīng)環(huán)境能力。未來機器人技術(shù)與AI將深度融合，實現(xiàn)更高程度的自主性、情境感知和人機交互。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

工業(yè)機器視覺通過“機器眼”代替人眼，對物體進(jìn)行識別、測量并做出判斷。工業(yè)機器視覺具備高感知效率、高精準(zhǔn)度和基本無人化的優(yōu)勢，是實現(xiàn)工業(yè)自動化的核心。隨著機器視覺在工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用越來越深入，機器視覺的功能也開始呈現(xiàn)智能化趨勢。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.1工業(yè)機器視覺從2D向3D發(fā)展隨著智能制造的不斷深入，面對復(fù)雜的物件辨識和尺寸量度任務(wù)，以及人機互動所需要的復(fù)雜互動，2D機器視覺在精度和距離測量方面均出現(xiàn)部分技術(shù)局限，對3D機器視覺的需求開始與日俱增。（1）2D機器視覺特點2D視覺系統(tǒng)的一般原理是利用攝像頭拍攝平面照片，然后通過圖像分析或?qū)Ρ葋碜R別物體，主要依據(jù)是物體一個平面上的特征。由于2D視覺無法獲得物體的空間坐標(biāo)信息，因此無法完成物體平面度、表面角度、體積等測量，同時也難以區(qū)分顏色相近的表面。由于成像的對比度對結(jié)果的分析至關(guān)重要，因此特別依賴于光照和顏色/灰度變化，易受照明條件的影響。5.2.2.1工業(yè)機器視覺從2D向3D發(fā)展（2）2D與3D機器視覺互補2D機器視覺技術(shù)具有局限性，3D可以作為有效補充。2D視覺和3D視覺的特點如表5-1所示。使用2D機器視覺技術(shù)可以獲取二維圖像，在XY平面上定位被攝目標(biāo)，并基于灰度、對比度的特征進(jìn)行分析。但2D技術(shù)存在無法提供物體高度、平面度、表面角度、體積等三維信息、易受光照變化影響、對物體運動敏感等局限性。3D技術(shù)增加了旋轉(zhuǎn)、俯仰、橫擺三個維度，更能還原真實立體世界，通過3D視覺傳感器采集3D輪廓信息，形成3D點云，實現(xiàn)平面度、翹曲度、段差、曲面輪廓度等3D尺寸測量。3D視覺可以滿足以往2D視覺難以滿足的工業(yè)場景應(yīng)用，對2D視覺起到補充作用。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

（3）3D機器視覺技術(shù)3D視覺在工業(yè)的應(yīng)用往往會和機器人聯(lián)合形成解決方案，目前應(yīng)用較多的場景主要為視覺檢測與視覺引導(dǎo)。視覺檢測是將攝像頭、激光掃描器等安裝在機器人末端，對工件進(jìn)行輪廓檢測、表面缺陷檢測、三維重建等。視覺引導(dǎo)是指通過3D視覺對工件進(jìn)行定位和識別，引導(dǎo)機器人進(jìn)行抓取，用于無序分揀與堆碼，上下料，焊接等。3D視覺技術(shù)主要包括雙目技術(shù)、飛行時間法、結(jié)構(gòu)光和激光三角測量。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.1工業(yè)機器視覺從2D向3D發(fā)展不同3D成像技術(shù)路徑對比如表5-2所示。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.1工業(yè)機器視覺從2D向3D發(fā)展毫無疑問，3D視覺技術(shù)的發(fā)展，將很大程度上填補2D視覺的應(yīng)用空白，并且可以更好地滿足對于高精度定位、抓取、檢測等場景的需求。2D視覺向3D視覺的轉(zhuǎn)變已成為繼黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、靜態(tài)圖像到動態(tài)影像后的第四次視覺技術(shù)突破。3D視覺滿足了更高精確度、更高自動化的要求，給生產(chǎn)模式和效率帶來質(zhì)變，將引領(lǐng)下一代機器視覺革命。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.1工業(yè)機器視覺從2D向3D發(fā)展5.2.2.2人工智能加持工業(yè)機器視覺AI算法的發(fā)展為機器視覺裝上了新的加速“引擎”，人工智能技術(shù)開始越來越多的在機器視覺領(lǐng)域發(fā)揮作用。（1）工業(yè)機器視覺主要功能①識別②測量③定位④檢測檢測對機器視覺識別精度、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性要求最高，難度最大。在AI與機器視覺結(jié)合后，有望實現(xiàn)更好的檢測功能。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

（2）機器視覺核心驅(qū)動力機器視覺的四大核心驅(qū)動力：①成像②算法③算力④應(yīng)用機器視覺算法與軟件的結(jié)合是機器視覺產(chǎn)業(yè)的根基，伴隨著工業(yè)應(yīng)用持續(xù)拓寬，對算力亦提出了更高要求。AI技術(shù)的發(fā)展，為機器視覺實現(xiàn)進(jìn)一步智能化提供了必要技術(shù)支持。機器視覺+AI，不斷推進(jìn)無人工廠、智慧工廠建設(shè)。和簡單的傳感器不同，視覺傳感器生成大量圖像數(shù)據(jù)，在AI和深度學(xué)習(xí)算法的幫助下可不斷學(xué)習(xí)并優(yōu)化，強化在智慧工廠環(huán)境中的使用。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.2人工智能加持工業(yè)機器視覺（3）機器視覺有望替代人眼視覺機器視覺在AI加持下，迎來了底層技術(shù)的突破。分割技術(shù)是圖像處理的底層技術(shù)，Meta以NLP的通用模型，極大地降低了圖像處理的門檻，是機器視覺領(lǐng)域的底層突破性技術(shù)。深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)大大提升了機器識別算法的識別精度和物體覆蓋廣度。從算法、技術(shù)到應(yīng)用，AI技術(shù)極大程度賦能機器視覺在圖像模型上的智能化應(yīng)用，優(yōu)化了圖像識別的復(fù)雜度及精度，實現(xiàn)萬物識別。與人眼相比，機器視覺在效率、精度、環(huán)境要求、安全性等各因素上都有明顯的優(yōu)勢。在可以預(yù)見的將來，機器視覺與AI的結(jié)合度將越來越高。在AI助力下，機器視覺有望更好實現(xiàn)對“人眼視覺”的替代。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.2人工智能加持工業(yè)機器視覺5.2.2.3由數(shù)字視覺到AI視覺隨著工業(yè)數(shù)據(jù)規(guī)模提升、AI算法突破，工業(yè)視覺技術(shù)不斷向更復(fù)雜的工業(yè)場景實現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新。同時，以深度學(xué)習(xí)為核心的前沿算法技術(shù)加速與機器視覺融合，推動工業(yè)視覺由數(shù)字視覺向AI視覺不斷演進(jìn)。（1）基于傳統(tǒng)模式識別的數(shù)字視覺技術(shù)目前主流的機器視覺技術(shù)仍采用傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法，即在結(jié)構(gòu)化場景下將數(shù)據(jù)表示為一組特征，或輸入到預(yù)測模型，從而得出預(yù)測結(jié)果。傳統(tǒng)模式的視覺識別主要依賴數(shù)學(xué)理論與人工經(jīng)驗，通常包含圖像特征提取和模板匹配等環(huán)節(jié)?；谀Ｊ阶R別的機器視覺技術(shù)可以完成95%以上的產(chǎn)品表面缺陷檢測和測量任務(wù)，算法簡單可快速應(yīng)用。但該方法具有一定的局限性，并不適用于背景復(fù)雜的產(chǎn)品。該技術(shù)適用于工業(yè)大批量生產(chǎn)的場景，這些場景中背景相對固定且簡單，需要快速完成檢測任務(wù)。傳統(tǒng)方式顯示出通用性低、難以復(fù)制、對使用人員要求高等缺點，較難適應(yīng)未來柔性化的生產(chǎn)需求，尤其是在缺陷類型復(fù)雜化、細(xì)微化、背景噪聲復(fù)雜等場景越來越難以適用。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

（2）基于深度學(xué)習(xí)的AI視覺技術(shù)深度學(xué)習(xí)是機器學(xué)習(xí)的重要技術(shù)分支，可以形成更抽象的高級屬性類別或特征，通過采集大量圖片后進(jìn)行標(biāo)注，再把圖片放入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練并調(diào)節(jié)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再次訓(xùn)練后得到最好的分析結(jié)果。搭載AI深度學(xué)習(xí)功能后，機器視覺將原始的數(shù)據(jù)特征通過多步的特征轉(zhuǎn)換得到一種更高層次、更抽象的特征表示，并進(jìn)一步輸入到預(yù)測函數(shù)得到最終結(jié)果?；谏疃葘W(xué)習(xí)的檢測方法因具有檢測效率高、學(xué)習(xí)能力強、自動化程度高等特點，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程中人員安全、多種產(chǎn)品缺陷檢測等場景。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.3由數(shù)字視覺到AI視覺典型的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)有：①卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)②深度置信網(wǎng)絡(luò)③全卷積網(wǎng)絡(luò)④Transformer結(jié)構(gòu)深度學(xué)習(xí)方法適用于復(fù)雜缺陷檢測、更智能的圖像識別場景，但除了需要結(jié)合專家知識選擇更適合的算法模型與調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)外，還需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)才能更好地發(fā)揮優(yōu)勢。基于深度學(xué)習(xí)的機器視覺在理想狀態(tài)下可以結(jié)合機器視覺的高效率與人類視覺的靈活性，從而完成日趨復(fù)雜環(huán)境下的檢測，尤其是涉及偏差或極端環(huán)境，滿足更多對瑕疵精度、通用性的嚴(yán)苛要求。通過深度學(xué)習(xí)對模型魯棒性的提升，極大地拓展了機器視覺的應(yīng)用場景，使機器視覺系統(tǒng)更加具備柔性，加速其在工業(yè)領(lǐng)域的滲透。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.3由數(shù)字視覺到AI視覺（3）AI視覺檢測場景模式AI視覺監(jiān)測常用于多檢測對象的復(fù)雜判斷場景，該場景的復(fù)雜性較高，可參考的數(shù)據(jù)量較大，檢測對象的特征高度抽象且較為隱性，對象質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)界限較模糊，通常以人工判斷為主，此種復(fù)雜場景更適合發(fā)揮該技術(shù)適應(yīng)性高、識別力強的優(yōu)勢。AI視覺檢測模式主要包含以下幾種情況：①復(fù)雜缺陷檢測主要用于組成零件多、缺陷復(fù)雜的場景。②3D缺陷檢測主要借助3D成像系統(tǒng)，利用三維信息更加穩(wěn)定地完成檢測。③零件姿態(tài)識別主要用于組裝、加工、抓取前的零件姿態(tài)確定，以計算出更好的路徑或抓取點。④物品智能分揀主要用于傳送帶上的多種物品快速分揀，在重量、電磁屬性類似但顏色或外觀有差異的物品上尤為適用。⑤生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤主要用于復(fù)雜工藝中的加工進(jìn)度檢測，或較長工藝生產(chǎn)線上的總進(jìn)度確認(rèn)。⑥AGV視覺導(dǎo)航主要用于配合激光、導(dǎo)軌類AGV的終點操作輔助，或是純視覺導(dǎo)航的高機動性AGV場景。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.3由數(shù)字視覺到AI視覺AI視覺檢測能夠自動從原始圖像中提取出高層次的語義信息并學(xué)習(xí)，從獲取的圖像中提取出多個特征點，從而更準(zhǔn)確地描述物體或場景；還能識別和解析包括復(fù)雜背景、光照變化、姿態(tài)變化等復(fù)雜場景；可以將多個傳感器信息融合，從而得到更全面、更準(zhǔn)確的信息；能夠高效處理圖像數(shù)據(jù)，從而可以從數(shù)據(jù)中提取有用的信息和模式。AI是機器視覺的母身，深度學(xué)習(xí)是機器視覺的技術(shù)堡壘。智能工業(yè)機器視覺作為智能工廠的“眼睛”，不僅能夠模仿人類視覺能力，還能對所“見”物體展開精準(zhǔn)測量與定位等高級操作，實現(xiàn)對質(zhì)檢、安防等工業(yè)核心環(huán)節(jié)的檢測能力的綜合提升，最大限度降低人工成本，為智能工廠打開“新視域”。5.2.2智能工業(yè)機器視覺

5.2.2.3由數(shù)字視覺到AI視覺5.2.3機器人智能協(xié)作協(xié)作機器人具有安全性高、柔性靈活、與人協(xié)作等特性，吸引了制造企業(yè)將協(xié)作機器人引入到生產(chǎn)線中，來實現(xiàn)更智能、柔性的制造流程。協(xié)作機器人的出現(xiàn)，掃除了人機協(xié)作的障礙，它既能與人類并肩協(xié)同工作，又可確保周邊區(qū)域安全無虞。無論是汽車輪胎組裝、機床工件搬運，還是電子產(chǎn)品裝配，協(xié)作機器人都能輕松拿下。5.2.3機器人智能協(xié)作現(xiàn)如今，人類與機器人的關(guān)系，已從過去的競爭變成了現(xiàn)在的協(xié)作，也就是從競爭、共存、協(xié)作到未來的共事。（1）協(xié)作機器人技術(shù)特點協(xié)作機器人，指能與人在同一共享空間中協(xié)同作業(yè)、與人進(jìn)行直接交互的機器人，是一種新的工業(yè)機器人品類，一般稱為Cobot，其他稱呼還有“Corobot”或“Cobotic”。不同于傳統(tǒng)工業(yè)機器人，協(xié)作機器人可以在沒有防護欄的情況下與人員在同一個工作空間內(nèi)工作。協(xié)作機器人裝有傳感器，以確保機器人不會傷害人類。這些協(xié)作機器人負(fù)責(zé)執(zhí)行對人類而言吃力、單調(diào)或危險的工作步驟，例如費力的頂裝工作和細(xì)致的瑣碎雜活。因此，這些機器人可以優(yōu)化制造流程并提高生產(chǎn)效率。5.2.3.1從工業(yè)機器人到協(xié)作機器人5.2.3機器人智能協(xié)作協(xié)作機器人的技術(shù)特點主要包括以下幾個方面：①安全性②易用性③靈活性④共融性安全問題是人機協(xié)作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，協(xié)同工作必須以保證操作人員的安全為前提；易用性和靈活性是人機協(xié)作系統(tǒng)的重點，能夠快速適應(yīng)柔性、復(fù)雜的生產(chǎn)方式是協(xié)作機器人的優(yōu)勢；共融性則是協(xié)作機器人全面深入市場、多方位超越工人的核心。5.2.3.1從工業(yè)機器人到協(xié)作機器人5.2.3機器人智能協(xié)作（2）協(xié)作機器人設(shè)計特征協(xié)作機器人設(shè)計的初衷就是為了提高機器人的安全性，降低機器人在生產(chǎn)過程中對人帶來傷害的風(fēng)險，使機器人可以在特定區(qū)域內(nèi)安全地與人進(jìn)行直接的交互和接觸。工業(yè)機器人通常是鉸接式機器人，可提供最大程度的靈活性。協(xié)作機器人與傳統(tǒng)工業(yè)機器人雖有一些相似之處，但也存在一些明顯差異。人類肉眼所見的最明顯差異是協(xié)作機器人的機械手被軟殼包圍。協(xié)作機器人不只是通過外部傳感器了解周圍環(huán)境，而且將內(nèi)部機器人感知和環(huán)境感知功能結(jié)合在一起并集成到協(xié)作機器人的手臂中。協(xié)作機器人的另一個獨特設(shè)計特征是機器人手臂和操縱裝置接頭內(nèi)的電機驅(qū)動器和電機沒有分離。5.2.3.1從工業(yè)機器人到協(xié)作機器人5.2.3機器人智能協(xié)作另外，協(xié)作機器人使用的是簡化的通信基礎(chǔ)設(shè)施，在控制箱和機械手內(nèi)部的功能元件之間只有一條內(nèi)部主干總線用于通信。在有效載荷范圍方面，協(xié)作機器人的范圍通常從3到10kg不等。如果超過有效負(fù)載上限值，機器人的手臂可能由于慣性過大而無法快速停止，所以作為安全措施，操作速度會急劇減速，這會導(dǎo)致生產(chǎn)力下降。除安全性以外，協(xié)作機器人還具備易用性、靈活性、低成本等特點。在易用性方面，協(xié)作機器人能夠通過拖動示教路徑點的記錄并配合相對易用的引導(dǎo)編程，降低操作者的專業(yè)要求。同時，輕量化、高集成度的設(shè)計使協(xié)作機器人能夠以更靈活的部署方式安裝在產(chǎn)線或集成化設(shè)備中，易于編程的特點也使其能夠快速適應(yīng)新產(chǎn)線的工作需求，適用于各種非結(jié)構(gòu)化、柔性、高靈活度的場景。5.2.3.1從工業(yè)機器人到協(xié)作機器人5.2.3機器人智能協(xié)作（3）協(xié)作機器人面臨的挑戰(zhàn)與工業(yè)機器人類似，也有越來越大的壓力迫使協(xié)作機器人迅速進(jìn)入市場。協(xié)作機器人的性能在不斷向工業(yè)方向靠攏，穩(wěn)定性不斷提高，負(fù)載不斷增大，速度不斷變快，精度不斷提升。從性能上而言，協(xié)作機器人不斷沖擊原來由于技術(shù)限制所形成的協(xié)作機器人與工業(yè)機器人之間涇渭分明的界限；從應(yīng)用上來看，協(xié)作機器人在工業(yè)領(lǐng)域有了越來越多的應(yīng)用，甚至在部分領(lǐng)域已經(jīng)替代了傳統(tǒng)意義的工業(yè)機器人。體積小、重量輕的機器人在制造業(yè)中的需求量也很大，因為它們能在較高的運行速度下降低機械慣性。具有高度集成度和高功率密度的組件可以幫助協(xié)作機器人獲得這些合乎需求的特性。安全性在每個協(xié)作機器人設(shè)計中都是必不可少的。合適的安全性能是防止危害與建立對技術(shù)的信任和接受的唯一途徑。5.2.3.1從工業(yè)機器人到協(xié)作機器人5.2.3機器人智能協(xié)作5.2.3.2機器人協(xié)作智能化（1）機器人協(xié)作技術(shù)難點真正工業(yè)場景中需要處理的任務(wù)更復(fù)雜，需要將AI、深度學(xué)習(xí)和工業(yè)現(xiàn)場結(jié)合在一起。一個真正協(xié)作的機器人，就是不用加上視覺和傳感裝置，就可以被動地和人進(jìn)行合作，而且能夠很靠近人，和人產(chǎn)生互動。通過傳感視覺讓大型機器人和人產(chǎn)生間歇性的合作，這是目前工業(yè)領(lǐng)域人機協(xié)作最好的狀態(tài)。在工廠中人機協(xié)作需要滿足相應(yīng)的工作狀態(tài)，這對機器人協(xié)作提出了更高的要求。

原來的目標(biāo)是機器換人，現(xiàn)在變成人機共存。未來的人機協(xié)作不僅是共享空間，還要共享時間，人在緊密的工作區(qū)域內(nèi)和機器完全互動，機器人可以直接和人傳遞零件，二者攜手完成整個工業(yè)流程。

但是機器人協(xié)作時現(xiàn)場工況很難標(biāo)注，因為無法預(yù)測所有的場景，這可能會造成意外發(fā)生。此時需要利用AI從大數(shù)據(jù)中抓取數(shù)據(jù)，然后通過學(xué)習(xí)分析內(nèi)在規(guī)律并定義相應(yīng)規(guī)則。在復(fù)雜、嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)機器人協(xié)作，需要機器人具備更為智能化的環(huán)境感知和適應(yīng)能力、人機交互和協(xié)同作業(yè)能力以及異常預(yù)測和處理能力。

5.2.3機器人智能協(xié)作（2）機器人協(xié)作發(fā)展演進(jìn)在工業(yè)4.0的尖端工廠中，工人已開始與協(xié)作機器人共同工作。協(xié)作機器人能夠與人類一起工作并與人進(jìn)行互動，提高效率和生產(chǎn)力，這為制造業(yè)和其他領(lǐng)域開辟了新天地。協(xié)作機器人并非用于完成大規(guī)模的工業(yè)流程，而是用于協(xié)助工廠工人。開發(fā)一個協(xié)作機器人要求的技術(shù)知識水平非常高，但是市場環(huán)境競爭激烈，降低成本的緊迫性越來越大。許多人將它們視為危險、高功率的制造系統(tǒng)，由于它們固有的安全風(fēng)險而不準(zhǔn)人類參與。最新一代的協(xié)作機器人證明，其好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)險?？梢酝ㄟ^半導(dǎo)體解決方案和高級算法的正確組合將風(fēng)險最小化，甚至消除這些風(fēng)險。協(xié)作機器人必須具備先進(jìn)的安全功能以及能夠精確掃描周圍環(huán)境的能力，傳感器使它們能夠了解周圍的環(huán)境。只有這樣，工人才能確定它們沒有發(fā)生碰撞及發(fā)生其他工作場所危險的風(fēng)險。5.2.3.2機器人協(xié)作智能化5.2.3機器人智能協(xié)作（3）人工智能提升機器人協(xié)作能力機器人一直以來作為機電執(zhí)行機構(gòu)，只能替代簡單體力勞動。對于復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化的場景，則無法發(fā)揮太大作用。隨著AI技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新式應(yīng)用涌現(xiàn)出來。隨著工業(yè)數(shù)據(jù)的積累和計算機算力的提升，機器人可以通過學(xué)習(xí)的方式處理復(fù)雜問題，優(yōu)化動作流程。AI應(yīng)用是未來協(xié)作機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，機器人正變得更加智能，引入AI最新進(jìn)展讓機器人變得更聰明，并具備新的理解和解決問題的能力。未來只有具備AI、自主學(xué)習(xí)判斷的協(xié)作機器人才可以成為真正的協(xié)作機器人。機器人除了安全和人機交互外，必然需要深度學(xué)習(xí)，可以通過自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練使得機器人更加具備智能化，也是人機交互的重點。未來機器人控制器或?qū)l(fā)展為零編程使用，通過使用多傳感器融合后的智能學(xué)習(xí)判斷，與人智能交互后即可實現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)的執(zhí)行。協(xié)作機器人將不僅是機器人，更是智能工具和智能伙伴。5.2.3.2機器人協(xié)作智能化5.2.3機器人智能協(xié)作5.2.3.3人機協(xié)同新時代AI技術(shù)的發(fā)展，讓機器人“感知”、“思考”、“適應(yīng)”、“交互”和“判斷”成為可能，當(dāng)協(xié)作機器人被成功賦予高級AI，機器人將獲得與類人般的“常識”，從而實現(xiàn)人機智能協(xié)同作業(yè)，同時減少用戶參與決斷的機率，使得機器人變得更“聰明”。（1）人機協(xié)作實現(xiàn)靈活生產(chǎn)機器人協(xié)作已經(jīng)從機機協(xié)作逐漸發(fā)展到人機協(xié)作，目前人和機器人已經(jīng)在生產(chǎn)中合作。機器人為員工提供支持并減輕他們的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)大量自動化過程，提高了生產(chǎn)效率。人機協(xié)作是將人的能力與機器的高效性和精確性相結(jié)合的附加要素。以高效靈活地生產(chǎn)各種批量的產(chǎn)品被視為未來生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，完成這一挑戰(zhàn)需要人與機器人之間的完美配合。在今天的現(xiàn)代化工廠中，已經(jīng)有大量的自動化生產(chǎn)過程由機器人完成。人類則通過知識、智慧、靈活性、創(chuàng)造性和“指尖觸覺”確保生產(chǎn)流程的質(zhì)量和順暢進(jìn)行。5.2.3機器人智能協(xié)作和傳統(tǒng)的工業(yè)機器人不同，協(xié)作機器人能直接與生產(chǎn)部門的員工精準(zhǔn)合作，并減輕他們的負(fù)擔(dān)。由于配備內(nèi)置的傳感系統(tǒng)，協(xié)作機器人使得靈敏裝配任務(wù)的自動化成為可能，如圖5-4所示。針對發(fā)生意外接觸的情況，為每一個應(yīng)用都確定了適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案：觸發(fā)停機，或者協(xié)作機器人降低速度至不可能造成傷害的程度。在人與機器人安全合作的地方，許多傳統(tǒng)的安全防護措施不再需要，人與機器人可以毫無顧慮地分享同一個工作空間。5.2.3.3人機協(xié)同新時代圖5-4人機協(xié)作使安全高效的精細(xì)工作成為可能5.2.3機器人智能協(xié)作（2）人機協(xié)作多種表達(dá)HRC的不同表達(dá)：人和機器人的共同存在、合作、協(xié)作。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，人與協(xié)作機器人合作的緊密程度也有所不同。即便“人機協(xié)作”這個概念到處都在用，HRC中的C可是有不同的表達(dá)。①人機共存（Human-RobotCoexistence）②人機合作(Human-RobotCooperation)③人機協(xié)作(Human-RobotCollaboration)5.2.3.3人機協(xié)同新時代5.2.3機器人智能協(xié)作（3）人機協(xié)作優(yōu)勢協(xié)作機器人不僅非常精確和靈活，而且可以安全應(yīng)用于大量的工作環(huán)境。協(xié)作機器人能夠與人緊密合作解決高度敏感的任務(wù)，使用領(lǐng)域涵蓋從工業(yè)生產(chǎn)中的安裝或粘合流程到醫(yī)藥或服務(wù)行業(yè)的不同應(yīng)用。①提高自動化程度。②減輕員工的負(fù)擔(dān)。③恒定的高質(zhì)量。④最大的靈活性。5.2.3.3人機協(xié)同新時代5.2.3機器人智能協(xié)作人機協(xié)作實現(xiàn)了現(xiàn)代化的機器人技術(shù)與經(jīng)典團隊合作的共生，將工廠變身為智能工廠，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了根本性的變革，成為帶動自動化發(fā)展的引擎之一。協(xié)作機器人作為一項顛覆性的創(chuàng)新正在機器人領(lǐng)域快速生根發(fā)芽。不過，協(xié)作機器人并不能取代傳統(tǒng)工業(yè)機器人，協(xié)作機器人作為工業(yè)機器人的一個重要的分支，在未來很長的時間內(nèi)將與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人共存，并共同發(fā)展。在未來智能制造業(yè)的藍(lán)圖中，機器人與人類的深度協(xié)作將成為一個重要發(fā)展趨勢。5.2.3.3人機協(xié)同新時代5.3

人工智能助力自動化集成

5.3.3機器人自動化全集成化繁為簡035.3.2

ChatGPT引領(lǐng)工業(yè)自動化邁向智能化

025.3.1人工智能與工業(yè)自動化融合015.3人工智能助力自動化集成AI是工業(yè)4.0實現(xiàn)從“自動化”到“智能化”轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。AI可以整合生產(chǎn)流程中的多個步驟，直接越過人類決策輸出結(jié)果，從而大幅提高自動化程度。從工業(yè)自動化到智能自動化的轉(zhuǎn)變正在發(fā)生，自動化將進(jìn)入一個新時代。5.3.1人工智能與工業(yè)自動化融合從“機器換人”到“機器助人”，AI正在以“智”的形象革命性地改變著制造業(yè)。AI猶如一位“智慧工人”，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程，實現(xiàn)個性化定制，保障產(chǎn)品安全。它與傳統(tǒng)機器自動化不同，不僅能夠“勞作”，還能夠“思考”，實現(xiàn)更智能化的決策。5.3.1.1自動化與人工智能關(guān)系A(chǔ)I技術(shù)的發(fā)展為制造業(yè)智能化提供了新的方法和技術(shù)。將AI技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的領(lǐng)域知識工作相結(jié)合，以研發(fā)補充和增強知識工作者能力的AI算法和AI系統(tǒng)為目標(biāo)，發(fā)展工業(yè)AI技術(shù)，使實現(xiàn)制造業(yè)智能化成為可能。雖然對自動化和AI的界定并不明確，且隨時間推移不斷變化，但自動化的研究和應(yīng)用始終秉持一個核心目標(biāo)：減少和減輕人的體力和腦力勞動，提高工作效率、效益和效果。AI的研究和應(yīng)用秉持的核心目標(biāo)：使人的智能行為實現(xiàn)自動化或復(fù)制。自動化與AI的實現(xiàn)手段都是通過算法和系統(tǒng)，它們的共同點是通過機器延伸和增加人類的感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行的功能，增加人類認(rèn)識世界和改造世界的能力，完成人類無法完成的特定任務(wù)或比人類更有效地完成特定任務(wù)。它們的不同點在于研究對象和研究方法不同。自動化是針對通過機理分析、采用微分方程或代數(shù)方程可以建立數(shù)學(xué)模型的研究對象，利用輸入輸出表示的因果關(guān)系小數(shù)據(jù)，建立建模、控制與優(yōu)化的理論和技術(shù)。AI是針對機理不清、難以建立數(shù)學(xué)模型但對象的輸入輸出是處于完備信息空間的大數(shù)據(jù)的研究對象，采用基于統(tǒng)計的、無模型的機器學(xué)習(xí)方法，建立建模、控制與優(yōu)化的理論和技術(shù)。AI在短期內(nèi)的核心成效是將以前無法實現(xiàn)自動化的任務(wù)實現(xiàn)自動化。5.3.1.2人工智能在工業(yè)自動化中的作用AI在工業(yè)4.0中發(fā)揮著不可或缺的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量（2）降低生產(chǎn)成本（3）提升產(chǎn)品的個性化和定制化水平（4）提高產(chǎn)品的安全性和可靠性5.3.1.3人工智能推動工業(yè)自動化不斷發(fā)展AI技術(shù)的應(yīng)用將使工業(yè)自動化水平不斷提升，從而促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型升級。（1）人工智能將成為工業(yè)4.0的基礎(chǔ)技術(shù)（2）人工智能將與其他技術(shù)融合發(fā)展（3）人工智能將推動工業(yè)4.0的智能化轉(zhuǎn)型借助AI，工業(yè)制造將變得更加智能化、柔性化、個性化和安全化，實現(xiàn)對客戶需求的快速響應(yīng)和私人定制。能夠自主學(xué)習(xí)、協(xié)作、持續(xù)進(jìn)化的“AI工人”在工廠里輔助人類員工開展各種復(fù)雜工作，它們將與人類形成相互信任、優(yōu)勢互補的合作關(guān)系。5.3.2ChatGPT引領(lǐng)工業(yè)自動化邁向智能化ChatGPT（一款A(yù)I聊天機器人程序）因接近人類水平的自然語言回答而再次掀起了AI的浪潮。ChatGPT表現(xiàn)出很高的人機交互水平，已經(jīng)具備了面向通用人工智能的一些特征，成為全球經(jīng)濟增長的重要引擎，為各行業(yè)智能化帶來全新機遇。制造業(yè)一直在尋求新的技術(shù)來提高生產(chǎn)力和效率，ChatGPT激發(fā)的AI熱潮，將極大促進(jìn)制造業(yè)探索人工智能的應(yīng)用。5.3.2.1ChatGPT重塑制造業(yè)智能化OpenAI（美國的一家人工智能公司）的ChatGPT是由生成式AI技術(shù)驅(qū)動的自然語言處理工具，神奇之處在于能夠通過理解和學(xué)習(xí)人類的語言進(jìn)行對話，還能根據(jù)聊天的上下文進(jìn)行互動，真正像人類一樣交流和回答問題，并能夠撰寫郵件、文案、代碼和論文等。ChatGPT基于GPT(生成式預(yù)訓(xùn)練轉(zhuǎn)換器)系列預(yù)訓(xùn)練模型構(gòu)建，利用Transformer架構(gòu)，通過在大規(guī)模的文本語料庫上訓(xùn)練，學(xué)習(xí)語言的統(tǒng)計規(guī)律和語義信息，并將這些知識編碼到模型的參數(shù)中。ChatGPT通過突破性的“Transformer架構(gòu)大模型+RLHF（人類反饋強化學(xué)習(xí)）算法”帶來自然語言處理在表述邏輯性、自然性等人機交互體驗領(lǐng)域的巨大提升，掀起AI產(chǎn)業(yè)一輪新高潮。（1）制造業(yè)引入ChatGPT與傳統(tǒng)的基于規(guī)則和專家知識的AI方法相比，ChatGPT的AI模型基于文本生成的深度學(xué)習(xí)算法，在多個領(lǐng)域都有不錯的表現(xiàn)，制造業(yè)也開始嘗試引入ChatGPT，主要應(yīng)用包括以下幾個方面：①增強型現(xiàn)實維修②自動化生產(chǎn)③智能預(yù)測維護④質(zhì)量控制5.3.2.1ChatGPT重塑制造業(yè)智能化（2）ChatGPT深入制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)ChatGPT可以幫助制造業(yè)更加智能化，提高生產(chǎn)力和效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是ChatGPT深入制造業(yè)領(lǐng)域仍面臨著不少挑戰(zhàn)：①尚未出現(xiàn)投入產(chǎn)出比明確的場景。②面向工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)模型缺乏預(yù)訓(xùn)練階段。③制造業(yè)領(lǐng)域場景的高度碎片化對大模型提出了挑戰(zhàn)。

隨著技術(shù)和行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，以ChatGPT為基礎(chǔ)的智能自動化能夠自主執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，減少人為錯誤，大幅提高生產(chǎn)效率，并使員工能夠釋放潛在能力，投入更多創(chuàng)新工作。ChatGPT正成為改變制造業(yè)的智能化引擎，在制造業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用，不斷推動制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展。5.3.2.1ChatGPT重塑制造業(yè)智能化5.3.2.2AI助力實現(xiàn)PLC編程自動化西門子將ChatGPT運用在工業(yè)領(lǐng)域，借助ChatGPT增強工業(yè)自動化工程解決方案，包括工程設(shè)計團隊使用自然語言輸入生成PLC代碼，從而減少時間成本并降低錯誤率。首先對PLC編程進(jìn)行一個簡單的了解，假設(shè)要控制一盞臺燈在按下按鈕后亮起來，再按一次燈就會熄滅，這時用PLC編寫一個控制燈的程序就可以實現(xiàn)這個功能，PLC編程主要步驟如表5-3所示。表5-3PLC編程步驟5.3.2.2AI助力實現(xiàn)PLC編程自動化ChatGPT自橫空出世以來，各行各業(yè)對其褒貶不一，但其背后的巨型數(shù)據(jù)庫及強大的學(xué)習(xí)算法是不可否認(rèn)的。利用ChatGPT生成PLC代碼，ChatGPT已經(jīng)能夠進(jìn)行簡單的代碼編寫，讓ChatGPT用梯形圖語言生成西門子的S7-200PLC的程序，如圖5-5所示。圖5-5ChatGPT生成PLC程序5.3.2.2AI助力實現(xiàn)PLC編程自動化未來ChatGPT在PLC編程上將能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)自然語言生成PLC代碼，并且只需對生成的程序進(jìn)行檢查測試，從而節(jié)省編寫時間，并大大降低代碼錯誤概率，減少代碼修改時間?；贑hatGPT技術(shù)，有望實現(xiàn)PLC編程自動化，并且提高PLC編程效率，同時也會大大降低PLC編程的門檻。但是，需要明確的一點是，自動化編程技術(shù)需要有一個合理的框架和算法體系，才能在實際應(yīng)用中發(fā)揮良好的效果。自動化編程技術(shù)目前只是對人工編程過程的協(xié)助和助力，所以在實際應(yīng)用中需要結(jié)合工程實踐去設(shè)計和優(yōu)化，以達(dá)到最好的效果。AI技術(shù)的快速發(fā)展為PLC編程環(huán)境的變革提供了強有力的支持，ChatGPT將成為下一代PLC編程環(huán)境的潛在主角。5.3.2.3ChatGPT在工業(yè)機器人中的潛在應(yīng)用在機器人領(lǐng)域，由于ChatGPT出色的問答交互能力，其應(yīng)用首先與服務(wù)類機器人、人形機器人聯(lián)想到一起。但ChatGPT的大模型能力不止于作為插件安裝在機器人中輸入、輸出自然語言，其真正魅力在于打破了自然語言與機器物理世界的屏障。改變?nèi)祟愰g交流方式之余，ChatGPT還可以改變?nèi)祟惻c機器人的交流方式。工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個工業(yè)領(lǐng)域之中，隨著智能化傳感器的加入和計算機技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人從簡單的單一功能發(fā)展成為具有感知、執(zhí)行和決策能力的機器人。AI技術(shù)的突破，特別是ChatGPT的出現(xiàn)，使工業(yè)機器人將迎來智能化發(fā)展的新階段。（1）使工業(yè)機器人理解非專業(yè)人類語義并編程當(dāng)前的機器人技術(shù)依賴于機器人與工程師之間緊密的反饋循環(huán)，工程師負(fù)責(zé)編寫任務(wù)代碼、觀察機器人的行為并通過編寫額外的代碼來糾正錯誤。ChatGPT可以將描述目標(biāo)任務(wù)的人類自然語言翻譯為機器人的代碼。這將有可能實現(xiàn)非技術(shù)用戶代替工程師，人們只需使用自然語言提供原始任務(wù)描述、觀察機器人并提供有關(guān)機器人行為的任何反饋。同時，ChatGPT可以通過人類語言的多次輸入和對話，將語義轉(zhuǎn)化為代碼以改進(jìn)行為，如圖5-6所示。5.3.2.3ChatGPT在工業(yè)機器人中的潛在應(yīng)用圖5-6機器人應(yīng)用的現(xiàn)在和未來（2）增強工業(yè)機器人信息處理分析能力在信息處理與分析方面，ChatGPT可以與數(shù)據(jù)分析師進(jìn)行交互，以幫助他們分析和可視化工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或者可以集成到生產(chǎn)線中，以幫助操作員完成多種任務(wù)。ChatGPT還可以用于監(jiān)控生產(chǎn)質(zhì)量，通過提供有關(guān)如何改進(jìn)質(zhì)量的反饋，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，如圖5-7所示。5.3.2.3ChatGPT在工業(yè)機器人中的潛在應(yīng)用圖5-7ChatGPT+工業(yè)視覺有望提高產(chǎn)品質(zhì)量（3）賦予工業(yè)機器人更強大的感知執(zhí)行能力相比過去制造行業(yè)大模型檢測的單一場景，ChatGPT具備構(gòu)建“感知-執(zhí)行”循環(huán)的能力，該能力將應(yīng)用于更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，如圖5-8所示。5.3.2.3ChatGPT在工業(yè)機器人中的潛在應(yīng)用圖5-8ChatGPT構(gòu)建“感知-執(zhí)行”循環(huán)讓機器人人性化雖然ChatGPT在工業(yè)機器人領(lǐng)域為世界打開了新思路，但目前應(yīng)用的場景環(huán)境均相對簡單。一方面，ChatGPT學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)化人類自然語言的能力已經(jīng)有所證明，為工業(yè)機器人帶來了新的希望和發(fā)展空間；另一方面，如何進(jìn)一步在大模型浪潮中，成功商業(yè)化落地，也成為了工業(yè)機器人領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)。目前基礎(chǔ)模型（大模型）表現(xiàn)出多領(lǐng)域多任務(wù)的通用化能力，正在打破這些行業(yè)壁壘，并用低成本、普惠的方式，席卷容錯率極低、成本敏感的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。用AI解決產(chǎn)業(yè)問題蘊含著機會，ChatGPT是一個起點，越來越多的行業(yè)正在迎來AI應(yīng)用的“ChatGPT時刻”。AI在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級階段，這也意味著ChatGPT和其它AI技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。ChatGPT為工業(yè)自動化帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，引領(lǐng)制造業(yè)從工業(yè)自動化走向智能自動化。5.3.2.3ChatGPT在工業(yè)機器人中的潛在應(yīng)用5.3.3機器人自動化全集成化繁為簡為了滿足靈活的“多種類、小規(guī)?！钡纳a(chǎn)環(huán)境需求，除了提高機器靈活性，先進(jìn)的技術(shù)還使得OEM能以更少的設(shè)備和更小的空間完成更多工作，越來越多的機器制造商正在提供緊湊型解決方案，以整合機器人技術(shù)和先進(jìn)的運動控制技術(shù)。集成式機器人不僅只是一個流行語，它是控制機器人的單一產(chǎn)線或單元控制器，可以減少對專用機器人控制器和相關(guān)硬件組件的需求，如伺服電機、驅(qū)動器、示教操縱臺和I/O。這樣，單個控制器可用于控制多個機器人，并可簡化集成和提高運營效率。對OEM而言，關(guān)鍵問題不僅是哪些技術(shù)適合應(yīng)用，還在于如何以理想的方式將這些技術(shù)集成到機器和工廠架構(gòu)中。機器制造商可以采用統(tǒng)一的方法進(jìn)行機器控制。統(tǒng)一的機器控制使OEM能夠更輕松地集成、控制和協(xié)調(diào)先進(jìn)技術(shù)。還可為最終用戶簡化機器運行和維護，因為最終用戶只需了解和支持一個系統(tǒng)即可。在統(tǒng)一控制平臺上構(gòu)建的機器還可提供該機器生成的統(tǒng)一信息源，更便于OEM以有意義的方式傳遞信息。統(tǒng)一的機器控制可為可視化、報表和分析解決方案提供卓越的基礎(chǔ)，有助于監(jiān)控影響性能、效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。OEM能借此制造更智能的設(shè)備，從而更輕松地集成到設(shè)施中，還可訪問相應(yīng)信息，使最終用戶能夠更好地響應(yīng)不斷變化的市場需求。工業(yè)機器人系統(tǒng)集成是自動化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿ΑC器人全集成將統(tǒng)一機器人、設(shè)備、圖像、安全的統(tǒng)合控制，掀起制造革新，通過更高水平且更加流暢的控制，實現(xiàn)自動化應(yīng)用的革新，同時通過融合真實與虛擬，實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建的革新。5.3.3機器人自動化全集成化繁為簡5.3.3.1西門子機器人數(shù)字化無縫集成數(shù)字化機器人系統(tǒng)集成技術(shù)立足于虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等多種支撐技術(shù)，將數(shù)字化技術(shù)與制造技術(shù)、機器人技術(shù)等融合，能夠根據(jù)用戶需求快速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對集成方案功能的虛擬仿真。（1）機器人集成與自動化機器人集成和自動化是同一枚硬幣的兩面。機器人集成涉及對機器人或機器人系統(tǒng)進(jìn)行編程，以在生產(chǎn)操作中執(zhí)行自動化任務(wù)。

工業(yè)機器人與自動化控制系統(tǒng)是工業(yè)自動化的兩大組成部分，但由于機器人控制和通用自動化控制長期相對獨立、并行發(fā)展的歷史背景，二者在控制系統(tǒng)上完全不同，機器人控制普遍使用專用驅(qū)控系統(tǒng)，強調(diào)的是多軸同步精準(zhǔn)運動控制，而通用自動化控制通常采用PLC、DCS來實現(xiàn)，注重的則是設(shè)備或產(chǎn)線的流程和邏輯控制。因此，二者往往不能由相同的控制器來控制。然而，隨著產(chǎn)線上工業(yè)機器人數(shù)量越來越多，產(chǎn)線的自動化程度要求越來越高，工業(yè)機器人和機電設(shè)備的控制集成整合到一個自動化系統(tǒng)之中，對于制造企業(yè)來說會有很多顯而易見的價值和益處，比如更低的控制成本、更便捷的編程調(diào)試等。5.3.3.1西門子機器人數(shù)字化無縫集成西門子另辟蹊徑，提出了新的自動化系統(tǒng)集成機器人控制的實現(xiàn)方法，稱之為機器人集成技術(shù)與機器人庫（RobotLibrary），可以將不同制造商的機器人快速輕松地集成到一個統(tǒng)一的架構(gòu)之中?，F(xiàn)在機械制造商和系統(tǒng)集成商能通過西門子TIA（全集成自動化）博途平臺，將工業(yè)機器人無縫集成到復(fù)雜的機器和制造環(huán)境中。該統(tǒng)一架構(gòu)功能特點如下：①全集成自動化助力生產(chǎn)運行更上一層樓②產(chǎn)線集成簡化機器人部署③將機器人與新技術(shù)相結(jié)合利用機器人集成技術(shù)與機器人庫，機器人可以完全集成到機器操作概念中，無需專門的示教器和機器人開發(fā)軟件，使用控制器的HMI和TIA博途即可完成。5.3.3.1西門子機器人數(shù)字化無縫集成（2）SIMATIC機器人集成技術(shù)SIMATIC機器人庫能夠直接在TIA博途中對來自不同制造商的機器人進(jìn)行統(tǒng)一的編程，并使用SIMATICS7-1500控制器對其進(jìn)行控制，無需在機器人側(cè)進(jìn)行額外的編程。如圖5-9所示，SIMATIC機器人庫的概念提供了一個解決方案，工業(yè)機器人可集成到更高級別的機器和工廠控制系統(tǒng)。它允許PLC工程師在一個統(tǒng)一的自動化平臺上為機器人進(jìn)行編程，減少對外部機器人專家的依賴。5.3.3.1西門子機器人數(shù)字化無縫集成圖5-9SIMATIC機器人庫控制框架（3）SIMATIC機器人庫具備優(yōu)勢使用SIMATIC機器人庫具有以下優(yōu)勢：①通過PROFINET連接所有功能組件，如SIMATICCPU和機器人控制器。②機器人編程僅需要PLC基礎(chǔ)編程知識和機器人基礎(chǔ)知識，利用SIMATIC機器人庫可進(jìn)行快速編程。③機器設(shè)備和機器人控制在PLC中融合為一個單元，因此機器人可以完全集成到機器操作概念中。甚至可以通過SIMATIC控制器的HMI進(jìn)行機器人示教，即手動移動到機器人位置并將目標(biāo)點存儲在SIMATIC控制器中。④不同制造商的機器人可以統(tǒng)一編程和操作，更改機器人制造商不需要對現(xiàn)有PLC程序進(jìn)行大量更改或?qū)T工進(jìn)行再培訓(xùn)。5.3.3.1西門子機器人數(shù)字化無縫集成SIMATIC機器人集成是一種即用型解決方案，通過SIMATIC機器人庫，借助TIA博途的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，可以直接控制來自不同廠家的工業(yè)機器人。目前西門子PLC已支持通過SRCI控制柯馬、史陶比爾、川崎、安川、優(yōu)傲和節(jié)卡（JAKA）機器人，未來將有更多的機器人主流品牌進(jìn)入SRCI“朋友圈”，陸續(xù)支持與自動化系統(tǒng)的集成控制。所有具有自動化技能的人都可以按照管理工業(yè)機器和設(shè)備的相同邏輯來管理工業(yè)機器人。5.3.3.1西門子機器人數(shù)字化無縫集成5.3.3.2歐姆龍統(tǒng)合控制掀起制造革新為了提高生產(chǎn)的適應(yīng)性而引入自動化設(shè)備，以及利用數(shù)字技術(shù)改變工程環(huán)境的需求日益高漲。歐姆龍通過控制的整合和構(gòu)建流程的整合，助力制造現(xiàn)場的高度自動化。（1）控制的整合控制的整合是指將機器人視為實現(xiàn)應(yīng)用所需的一個要素，并與其他設(shè)備緊密整合，提供扎根于制造現(xiàn)場的、具有革新意義的自動化應(yīng)用。①工匠技術(shù)的自動化②設(shè)備吞吐量的最大化③助力實現(xiàn)“控制的整合”此技術(shù)得益于歐姆龍面向制造業(yè)的“各種控制設(shè)備群”，如圖5-10所示。圖5-10機器人統(tǒng)合控制器（2）構(gòu)建流程的整合構(gòu)建流程的整合，融合真實與虛擬，實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建的革新，簡化了自動化的構(gòu)建，實現(xiàn)所思所想。①自動化工程鏈的革新②遠(yuǎn)程啟動設(shè)備、全新維護方式③助力實現(xiàn)“構(gòu)建流程的整合”歐姆龍在全球范圍內(nèi)搭載了將PLC和機器人整合至同一個PLC編程軟件的一體型模擬器，如圖5-11所示。

5.3.3.2歐姆龍統(tǒng)合控制掀起制造革新圖5-11機器人流程整合模擬器（3）機器人統(tǒng)合控制器機器人統(tǒng)合控制器將機器人與控制設(shè)備的控制一體化?？刂频恼希瑢C器人與外圍設(shè)備無縫整合，使以往只有人工才能做到的復(fù)雜作業(yè)實現(xiàn)自動化；構(gòu)建流程的整合，利用真實與虛擬仿真技術(shù)，簡化系統(tǒng)的構(gòu)建和維護。利用二者整合，提供結(jié)合了機器人的革新應(yīng)用。歐姆龍實現(xiàn)了不停機檢測，校準(zhǔn)應(yīng)用及將工匠技術(shù)高度自動化的應(yīng)用。①編程與模擬統(tǒng)一②PLC&機器人整合模擬③輕松編程④離線示教⑤通過PLC直接控制機器人⑥通過應(yīng)用管理器輕松構(gòu)建應(yīng)用5.3.3.2歐姆龍統(tǒng)合控制掀起制造革新圖5-12機器人離線示教圖5-13三個“i”掀起制造革新5.3.3.2歐姆龍統(tǒng)合控制掀起制造革新歐姆龍統(tǒng)一機器人、設(shè)備、圖像、安全的控制，將實現(xiàn)高度自動化的制造現(xiàn)場，高難度人工作業(yè)自動化的制造現(xiàn)場，機器人和外圍設(shè)備高度同步的制造現(xiàn)場，融合虛擬與現(xiàn)實及擺脫時間、地點限制的制造現(xiàn)場。i-Automation（i-自動化）！是歐姆龍價值創(chuàng)造理念。歐姆龍通過控制進(jìn)化（integrated，集成，整合）、智能化（intelligent，智能）、新型人機協(xié)作（interactive，交互）實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場自動化的制造革新，如圖5-13所示。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制如圖5-14所示，貝加萊（B&R）將ABB機器人與其自動化產(chǎn)品實現(xiàn)了全集成。將機器人技術(shù)和機器控制融合到一個統(tǒng)一架構(gòu)中，能夠?qū)C器自動化的柔性和精度提升到前所未有的水平，使制造商能夠擁抱大規(guī)模定制的趨勢，優(yōu)化多批次、小批量的生產(chǎn)過程。圖5-14機器人技術(shù)和機器控制統(tǒng)一架構(gòu)（1）機器人集成ABB機器人能完全集成到貝加萊自動化系統(tǒng)，意味著貝加萊現(xiàn)在能夠為機器制造商提供來自同一供應(yīng)商的機器自動化和機器人技術(shù)。ABB機器人直接集成到貝加萊產(chǎn)品中，可以提供真正的一站式服務(wù)，能夠向工業(yè)自動化客戶提供圍繞控制、驅(qū)動、機器人技術(shù)、傳感分析和電氣化的完整集成硬件和軟件解決方案。優(yōu)勢在于，憑借在應(yīng)用方面的深厚專業(yè)知識積累，能夠?qū)BB和貝加萊產(chǎn)品整合為一個解決方案。這將幫助制造商提高包括機器在內(nèi)的各個層面上的柔性，從而支持更短的產(chǎn)品周期，實現(xiàn)小批次、多品種生產(chǎn)。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制ABB機器人可以集成到機器自動化系統(tǒng)中，客戶將從機器人技術(shù)和機器控制之間前所未有的同步水平中受益。集成后，在機器與機器人之間不用任何接口，而所有的軸和傳感器都將在同一網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信，這將使精度提高到以前難以想象的微秒范圍。將機器人技術(shù)和自動化進(jìn)行集成意味著開發(fā)、診斷和維護僅需一個控制器和一個工程系統(tǒng)，減少額外的設(shè)備，從而節(jié)省占地面積。更加用戶友好的編程是將機器人技術(shù)與機器控制相結(jié)合的又一大決定性優(yōu)勢。集成后不再需要在一個開發(fā)環(huán)境中對機器人應(yīng)用程序進(jìn)行編程，而在另一個開發(fā)環(huán)境中對機器應(yīng)用程序進(jìn)行編程，現(xiàn)在只有一個應(yīng)用程序和一個開發(fā)環(huán)境。這將有助于顯著減少開發(fā)時間。通過應(yīng)用基于mapp（模塊化應(yīng)用程序）技術(shù)的現(xiàn)成的軟件組件，開發(fā)人員可以快速安裝和配置機器應(yīng)用程序，包括機器人應(yīng)用程序，無需具備任何專門的機器人編程語言知識。新開發(fā)的集成解決方案能夠為機器制造商提供支持，優(yōu)化工藝流程，使自動化投資得到更大回報。ABB機器人能夠集成到單一架構(gòu)中，創(chuàng)建了一個完全集成的自動化系統(tǒng)。對于機器開發(fā)人員而言，現(xiàn)在無論是將單個運動控制軸，還是將整個機器人集成到機器中都沒有什么區(qū)別。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制傳感器與機器人運動之間的同步也將通過集成變得更容易。由于機器制造商不再需要使用單獨的硬件、通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序，因此可以在機器人和其它機器組件之間實現(xiàn)更緊密的同步。機器人和機器所有運動控制軸的運動都可以實現(xiàn)前所未有的微秒級精度協(xié)同，這不僅提高了機器的生產(chǎn)率，而且還增加了生產(chǎn)過程的產(chǎn)出。機器人和所有其它自動化組件一樣都是在貝加萊的通用工程環(huán)境中進(jìn)行編程，而且用戶還可以使用數(shù)字孿生技術(shù)，在制造機器之前對機器的整個運動序列進(jìn)行仿真和優(yōu)化，包括機器人。這使工程和開發(fā)變得既快捷又便宜，從而降低了希望在生產(chǎn)機械中實施機器人技術(shù)的機器制造商的進(jìn)入門檻，提高了投資回報率。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制（2）機器視覺集成機器需要感知，反饋，所謂的“能觀能控”，視覺具有更為豐富的信息采集能力，它采集的圖像不僅可以用于計算對象的輪廓尺寸進(jìn)行定位，也可以對中心進(jìn)行計算，還可以識別缺陷等，較以往的傳感器具有更豐富的感知能力，隨著電子技術(shù)發(fā)展，更低的成本使之實用更為廣泛。傳統(tǒng)視覺與自動化分屬兩個不同的行業(yè)，而今天，像貝加萊這樣的自動化廠商基于控制的全局思考，規(guī)劃視覺產(chǎn)品，推出集成機器視覺，它將視覺集成到自動化系統(tǒng)中，通過AutomationStudio（自動化工作室）像I/O一樣編程，通過變量耦合實現(xiàn)視覺與運動控制、機器人的POWERLINK網(wǎng)絡(luò)實時交互，高速同步，達(dá)到更高的集成能力，實現(xiàn)動態(tài)、實時的產(chǎn)線響應(yīng)，貝加萊集成視覺將原來需要分別采購的獨立器件集成于一體，相機、鏡頭、處理單元、光源、通信集于一體，更高集成，更高協(xié)同。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制將機器視覺集成到機器的主控制器中，即使在最復(fù)雜、高速應(yīng)用的情況下，機器視覺技術(shù)也能夠滿足要求，同時還可以減少單獨的硬件。這種方法確保了從觸發(fā)圖像到對結(jié)果進(jìn)行操作的所有事項都在機器控制的實時代碼中執(zhí)行。在機器的主控制器中將圖像處理與現(xiàn)場總線更新、軸位置和其他代碼變量保持密切同步，可以實現(xiàn)與機器、觸發(fā)器和照明的緊密同步，并且能夠立即根據(jù)視覺檢測結(jié)果采取行動。在自動化和控制中，實時性由自動化控制器定義，該控制器運行所有必需的代碼，并以統(tǒng)一的已知速率更新I/O設(shè)備。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制對于不同的機器視覺應(yīng)用，處理速度的設(shè)置也因需求而異。所選解決方案的類型會影響實現(xiàn)實時功能的能力。在專用處理器上運行視覺檢查代碼時，完成檢查所需的時間與處理器、處理速度、正在執(zhí)行的代碼和圖像直接相關(guān)。如果需要運行得更快，可以減少正在處理的圖像數(shù)據(jù)、優(yōu)化代碼或獲得更快的硬件。在獨立的多核CPU上運行的Windows操作系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的基于PC的視覺檢測代碼在運行時，其它因素也在起作用。使用多核可以減少總體處理時間，但是，其它進(jìn)程也可以訪問這些核，管理進(jìn)程之間的共享核心，可能會導(dǎo)致完全執(zhí)行視覺檢查代碼所需時間的波動。

一個新的方法是在一個先進(jìn)的、基于PC的實時自動化平臺及其配套軟件的隔離核心上處理視覺檢測數(shù)據(jù)。在這類平臺上，可以在一個功能強大的硬件上運行許多分隔的機器控制模塊，包括視覺檢測?；赑C的軟件平臺為實時調(diào)用模塊化軟件提供了一個框架。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制基于PC的自動化還提供了將處理器內(nèi)核與系統(tǒng)隔離的能力。使用先進(jìn)的基于PC的實時自動化軟件平臺，可以帶來可觀的實際好處。過去，需要采用多臺PC實現(xiàn)視覺、HMI、順序控制和機器控制功能?，F(xiàn)在，一個基于PC的實時自動化軟件平臺就可以完成這些任務(wù)。在軟件方面，使用了視覺、PLC、運動控制、安全和HMI模塊。過程的某些準(zhǔn)備工作，是在實時環(huán)境之外的一個專門開發(fā)的高級語言程序中進(jìn)行的?；赑C的控制系統(tǒng)，允許在同一臺工業(yè)PC上無縫集成軟件模塊和用戶定制程序。自動化軟件還利用通用通信接口，支持與其它軟件系統(tǒng)之間的必要通信。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制（3）集成開發(fā)平臺工欲善其事必先利其器，做智能系統(tǒng)的開發(fā)，必須有鋒利的工具，就像對一個人來說，發(fā)展的平臺很重要，這決定了效率，而智能的機器開發(fā)，就需要能夠提供高效的開發(fā)工具，圖5-15所示為貝加萊集成開發(fā)環(huán)境AutomationStudio。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)智能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①開發(fā)高級算法②封裝工業(yè)Know-How③集成連接的對象④與開放的智能結(jié)合⑤長期的知識積累5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制圖5-15集成開發(fā)環(huán)境AutomationStudio借助于廣泛的硬件產(chǎn)品（控制、驅(qū)動、HMI、智能輸送系統(tǒng)），以及豐富的行業(yè)技術(shù)如mapp、實時通信、以機器為中心的機器人技術(shù)（MCR）、reACTION（極速響應(yīng)）等，貝加萊通過數(shù)字化設(shè)計與集成開發(fā)平臺的工程來為行業(yè)帶來“個性化”的機器智能解決方案，形成用戶的差異化競爭力，以達(dá)到最終機器與產(chǎn)線的高品質(zhì)、低成本、快速交付個性化的成本。在機器人系統(tǒng)集成方案逐步信息化和數(shù)字化基礎(chǔ)上，AI技術(shù)的引入讓智能化成為機器人系統(tǒng)集成解決方案的新趨勢。由AI和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，能夠在制造過程中進(jìn)行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，實現(xiàn)人與智能機器人的合作共事，擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。AI的參與能夠大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)自動化提升到智能化的新階段。5.3.3.3貝加萊融合機器人技術(shù)和機器控制綜上，機器人集成技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?；谌斯ぶ悄?、數(shù)字孿生、擴展現(xiàn)實（XR）等多項技術(shù)跨界疊加形成的工業(yè)元宇宙（IndustrialMetaverse），完美連接數(shù)字世界與真實世界，為制造業(yè)的數(shù)字化之路帶來集群效應(yīng)。工業(yè)元宇宙與機器人技術(shù)的融合正在為工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)智化升級開辟更多新的可能。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，機器人集成技術(shù)將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為工業(yè)生產(chǎn)帶來更多便利和效益。智能制造正呈現(xiàn)出更加多樣化和強大的發(fā)展趨勢。這不僅將為工業(yè)帶來更高的效率、更好的質(zhì)量，還將推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與升級，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在新的技術(shù)革命浪潮下，智能制造的未來注定充滿著無限的可能性和希望。讓我們拭目以待，迎接智能制造的輝煌時代！總結(jié)第6章

基于NXMCD的機器人自動上下料系統(tǒng)

016.1

NXMCD軟件概述6.1.1基本特點6.1.2主要功能6.1.3實現(xiàn)步驟6.2機器人自動上下料系統(tǒng)構(gòu)成6.2.1系統(tǒng)需求分析6.2.2系統(tǒng)硬件組成6.2.3系統(tǒng)集成控制6.3機器人自動上下料系統(tǒng)數(shù)字孿生6.3.1系統(tǒng)機電模型6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試6.3.2系統(tǒng)測試驗證機器人自動化集成系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多門交叉學(xué)科、多個硬件平臺、多種軟件工具、多類編程語言的一體化協(xié)同并行應(yīng)用，需要掌握廣泛的理論知識和運用繁雜的技術(shù)技能。下面介紹汽車轉(zhuǎn)向節(jié)機器人自動上下料系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計過程，主要包括NXMCD設(shè)計工具、系統(tǒng)構(gòu)成、數(shù)字孿生、虛擬調(diào)試、系統(tǒng)測試，幫助讀者掌握機器人自動化集成系統(tǒng)設(shè)計的基本方法和具體步驟。6.1NXMCD軟件概述6.1.3實現(xiàn)步驟036.1.2主要功能026.1.1基本特點016.1NXMCD軟件概述NXMCD軟件涵蓋了機械、電氣、傳感器等諸多領(lǐng)域，是一種多學(xué)科并行協(xié)作設(shè)計的開發(fā)環(huán)境。NXMCD可以通過功能建模方法，先構(gòu)建系統(tǒng)的功能模型，然后將工程領(lǐng)域中的需求功能、機械設(shè)計、電氣設(shè)計、自動化設(shè)計和虛擬調(diào)試集成到一起。NXMCD還提供PLC接口，能夠?qū)⑻摂M設(shè)備和實際PLC聯(lián)合調(diào)試，為機電一體化仿真提供更加可靠的調(diào)試驗證手段并增強了NXMCD的使用范圍。NXMCD還可以進(jìn)行產(chǎn)品生命周期管理，有效地對產(chǎn)品從設(shè)計到維修提供一套完整的解決方案。6.1.1基本特點傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品概念設(shè)計的缺點是太過單一，綜合性不強。從客戶需求角度講，沒有辦法適應(yīng)大部分的要求；從性能方面講，有的過于偏重控制部分，有的比較側(cè)重機械設(shè)計領(lǐng)域，沒有考慮到幾個部分之間的融合設(shè)計問題。由于傳統(tǒng)的軟件缺乏各領(lǐng)域之間相互連接的“共同語言”，在機械設(shè)計完成前，電氣設(shè)計和軟件開發(fā)很難開始，開發(fā)出一種綜合性的設(shè)計工具顯得尤為必要?，F(xiàn)有的設(shè)計仿真軟件中，機械和電氣交叉的并不多。機電一體化，在業(yè)界并沒有太多的工具支持，機械和電氣的設(shè)計仿真存在著較大的鴻溝，NXMCD應(yīng)運而生。NXMCD平臺是NX設(shè)計軟件中一個集機械、電氣、自動化設(shè)計于一體的全新的機電產(chǎn)品概念設(shè)計模塊，如圖6-1所示。圖6-1NXMCD機電軟設(shè)計6.1.1基本特點該模塊仿真平臺采用NVIDIA的PhysX物理運算引擎，其特有的動力學(xué)仿真設(shè)計使仿真效果更加接近物理環(huán)境。NXMCD能夠支持特定機械運動和行為的三維模型，還支持制造系統(tǒng)I/O層級的仿真機制，同時支持傳感器和執(zhí)行器在內(nèi)的運動和程序仿真。NXMCD附有豐富的自動化接口，支持軟件在環(huán)（SiL）和硬件在環(huán)（HiL）的虛擬調(diào)試。NXMCD具有以下特點：①NXMCD允許對機械產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行功能建模，然后進(jìn)一步進(jìn)行仿真調(diào)試，突出了機電一體化系統(tǒng)中的機械主體地位。②大大提高了物理現(xiàn)實與虛擬設(shè)計的融合速度，將總體開發(fā)時間提升25%左右，最高可以到30%，同時NXMCD可以實現(xiàn)功能設(shè)計方法，能夠集成上游和下游工程領(lǐng)域，包括需求管理、機械設(shè)計、電氣設(shè)計及軟件自動化工程。③NXMCD實現(xiàn)了包含多物理場及通常存在于機電一體化產(chǎn)品中自動化相關(guān)行為的概念進(jìn)行三維建模和仿真，從而能得到更優(yōu)質(zhì)的概念產(chǎn)品。可以利用系統(tǒng)工程原則跟蹤客戶需求，直至最后完成設(shè)計。6.1.1基本特點NXMCD是一種全新的適用于機電一體化產(chǎn)品設(shè)計仿真的解決方案，可以就設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)的合理性及控制軟件的可靠性進(jìn)行虛擬調(diào)試驗證。NXMCD還提供了機電設(shè)備設(shè)計過程中的硬件在環(huán)仿真調(diào)試，由于這種調(diào)試是采用虛擬設(shè)備與實際PLC聯(lián)調(diào)，為機電一體化設(shè)計帶來了更可靠的調(diào)試驗證手段和直觀的仿真現(xiàn)象，調(diào)試方式的豐富性及建模設(shè)計過程的可擴展性極大地擴展了NXMCD的使用范圍。NXMCD可實現(xiàn)創(chuàng)新性的設(shè)計技術(shù)，幫助設(shè)計人員滿足日益提高的要求，不斷提高生產(chǎn)效率、縮短設(shè)計周期和降低開發(fā)成本。NXMCD在機電一體化設(shè)計中有巨大的應(yīng)用潛力和良好的市場前景。6.1.2主要功能（1）集成式多領(lǐng)域的工程涵蓋方法（2）概念建模和基于物理場的仿真（3）通過智能對象封裝機電系統(tǒng)（4）面向其他工具的開放式接口6.1.3實現(xiàn)步驟在開發(fā)周期開始時，設(shè)計人員首先定義和管理用戶需求，體現(xiàn)出客戶的意見，通過功能分解，各學(xué)科之間可以協(xié)調(diào)工作，并創(chuàng)建系統(tǒng)工程模型，從而確保在產(chǎn)品的概念設(shè)計過程中與需求的聯(lián)系；然后對功能模型中的每項功能構(gòu)建基本幾何模型或從重用庫中添加現(xiàn)有部件，從而創(chuàng)建產(chǎn)品的概念模型；接著對于每個部件指定運動副、剛體、運動行為、碰撞行為及運動學(xué)和動力學(xué)的其他方面；最后通過直接引用需求和使用交互式仿真來驗證正確操作，并檢驗是否滿足用戶需求。NXMCD的實現(xiàn)步驟如圖6-2所示。圖6-2NXMCD實現(xiàn)步驟6.2機器人自動上下料系統(tǒng)構(gòu)成6.2.1系統(tǒng)需求分析6.2.2系統(tǒng)硬件組成6.2.3系統(tǒng)集成控制在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的浪潮下，中國的工業(yè)制造由“制造”逐步向“智造”轉(zhuǎn)變。隨著智能制造的發(fā)展，工業(yè)機器人開始大規(guī)模進(jìn)入工廠，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工廠加工中，已經(jīng)開始采用機器人代替人工進(jìn)行上下料，將工業(yè)機器人和數(shù)控機床、傳送帶等工業(yè)設(shè)備集成在一起