2023年世界机器人大会报告：集群机器人协同制造 技术应用及发展趋势

2023年世界机器人大会报告 湖南大学 HUNANUNIVERSITY 集群机器人协同制造 技术应用及发展趋势 机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心 报告人王耀南中国工程院院士 机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心 背景意义与挑战 关键技术与应用发展趋势与展望 汇报提纲 背景意义与难点挑战 机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。当前，机器人产业蓬勃发展正极大改变着人类生产和生活方式，为经济社会发展注入强劲动能。 机器人学未来面临的十大挑战 ①新材料和制造工艺6智能机器人 ?仿生机器人社会交互 ?动力和能源?脑机接口 ④集集群机器人9医疗机器人 导航和探素10)机器人的伦理和安全 2018年《科学：机器人》发表综述文章，将集群机器人系统的研究列为未来十年的重点发展方向，也是机器人技术面临的十大挑战之一。 背景意义与难点挑战 研究集群机器人系统的驱动力 自然应用理论 启发驱动探索 背景意义与难点挑战 1.自然启发：从生物群体到机器人群体 多智能体网络 环境感知 任务执行 复杂环境 背景意义与难点挑战 2.理论探索：#探索分布式人工智能和复杂自适应系统理论 模型 反馈规则 智能体 分布式人工智能复杂适应系统 随着人工智能、复杂自适应系统理论和机器人技术的不断交叉融合，集群机器人系统作为具有覆盖性的技术集成平台引起人们的研究兴趣。 背景意义与难点挑战 3.应用驱动：从单个机器人到多机器人系统 工业制造仓储物流监控侦测 环境探索应急救援集群作战 一、背景意义与难点挑战国家重大战略需求 航空航天、海洋舰船、轨道交通等重大装备在促进国民经 济发展与保障国防安全中起主导作用 航空航天海洋舰船轨道交通 C919大飞机市场规模超干亿舰队装备10万吨级国产航母建成高速铁路总量4.5万公里新增歼-20等新型战机干余架舰队装备055型驱逐船数十艘城市轨道交通新增3000公里 背景意义与难点挑战国家重大战略需求 习近平总书记在二十大报告中指出 加快实施创新驱动发展战略，面向国家重大 战略需求，加快实现高水平科技自立自强，坚决打 赢关键核心技术攻坚战，推进新型工业化，加快建设工业制造强国 中华人民共和国中央人民政府 《中华人民共和国国民经济和社会发展“十四五”规划目标》 深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新视式，推动造业高端化智能化操色化，培育先进制造业单呼，推 动集成电落、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交遇装备、先避电力装备、工程机城、高端数控机床、医药及民疗设备等产业创新发展，改造费升传统产业，推动石化、钢医、有色、建材等原材料产业有局优化和结构调整，扩大轻 推动航空航天、海洋舰船、轨道交通等重大装备的智能制造产业升级至关重要 背景意义与难点挑战国家重大战略需求 航空发动机和机身蒙皮是大型客机的“心脏”和“皮肤“ 是巡航空天的动力之源和抵御极端恶劣条件的强大屏障 飞机蒙皮航空装备航空发动机 制造缺陷严重后果 壁厚误差大、应力集中主体覆盖部位强度下降 装配间隙大、密封性差严重影响飞机气动性能 大型复杂部件制造质量是航空装备安全飞行的关键因素 10 背景意义与难点挑战国家重大战略需求 壳体和螺旋桨作为大型舰船的承载保护和驱动装置，是应对恶劣海况冲击和高效安全航行的重要支撑和保障 船舶壳体海洋舰船螺旋浆 制造缺陷严重后果 受热不均匀，焊接易变形船体局部强度下降 焊缝连接不光顺，未熔合影响承载力和负荷力 大型复杂部件的制造质量是海洋舰船稳定航行的关键因素 11 背景意义与难点挑战国家重大战略需求 高精准的转向架和高质量的车身，具有优良的承载、导向减震、制动等功能，能够确保高速列车安全稳定运行 高铁车身轨道装备转向架 制造缺陷严重后果 焊接裂纹，疲劳失效车身强度低，易断裂 喷涂不均匀，易侵蚀空气阻力大，能耗高 大型复杂部件的制造质量是轨道装备安全行进的关键因素 1 背景意义与难点挑战大型复杂部件制造难点 大型复杂部件制造任务面临规模大，任务多、精度高等难点 复杂 部件 制造 飞机部件制造 机身长38.9米 舰船部件制造 单船焊缝长度 高铁部件制造 车身喷涂面积 翼展35.8米 1万~20万米 不低于95% 蒙皮铆钉 大中小合拢 高铁零件 个数>3万个 数量>2万个 制孔定位 螺旋浆表面 轮廊峰谷 精度±0.3毫米 粗糙度<10微米 极差<30微米 难点 规模大任务多 精度高 突破上述大型复杂部件制造技术难点 是实现我国重大装备领域高效高品质制造的必经之路 1 背景意义与难点挑战国内外现状 制造模式：现有重大装备部件制造模式主要依赖大量人工，专机设备或机器人产线 加工 专机加工产线加工 致性差 人工不确定性，精度良不齐需提高 效率低下致性和效率 相对专机加工效率低3至10倍 空间有限 仅能加工出体积较小的工件需提高 柔性不足适应性和柔顺性 加工对象单一，加工工序单一 协同性弱 难以实现多机器人的协同作业需提高 智能化低协作性和智能性 缺乏感知认知，推理决策功能 吸需探索开辟重大装备制造的新模式 14 背景意义与难点挑战国内外现状 国内外政策：世界制造大国为提升制造业国际竞争力，颁布系列制造业相关政策及计划，其中智能机器人技术受到高度重视 《先进制造业国家战略计划》《地平线2020计划》 《国家机器人计划2.0》（SPARC机器人研发计划》 强调机器人可拓展性和连接性聚焦机器人加工能力与机器人技术集群 多机器人协作实现复杂环境下分布式的感知、规划、行机器人技术相互整合连接使整个系统发挥作用动和学习，提升机器人的作业范图追求更优的机器人行动力和感知力 《德国工业战略2030》 《中国制造2025》 《新一代人工智能发展规划》 着眼于智能信息传感与机器人技术着眼于群体智能及其在先进制造业中的应用 工业4.0是极其重要的突破性技术新一代信息技术与制造业深度融合为主线掌握工业技术的主导力是未来生存能力的决定性挑战群体智能、自主智能系统为重点发展方向 智能化机器人技术已成为智能制造发展的重要趋势可为重大装备制造提供新的发展契机 15 背景意义与难点挑战国内外现状 国内外先进技术：国际各大研究机构积极开展机器人协同作 业技术攻关，研制原型样机系统，力争抢占未来产业发展先机 机器人测量系统（站素公司.2917） 复合材料机置检测 异构数据高可靠交互难通信实时性和确定性弱制造过程存在信息孤岛 多模态作业状态感知难大范围协同测量精度低多尺度特征识别能力弱 Quadbots机器人加工制孔（4irbas2018） 飞机涂眉激光去除（NREC.2016）移动机器人打理(HUST,2018) 多机多工序协同机制弱加工装配精度一致性低长距离精准作业控制难 驱需探究集群机器人之间协同机制，推动智能制造范式变革 16 背景意义与难点挑战集群机器人制造新模式 独辟蹊径地提出重大装备制造的集群机器人协同制造新模式 替代专机或人工完成复杂部件测量、加工、装配制造等过程 传统专机或大量人工集群机器人协同制造 1多模心异构据联合精准服知>实时精准定控 模式 变革 多模态精准感知+云边协同高效传算+规划决策控制一体化 背景意义与难点挑战集群机器人协同制造重大挑战 集群机器人协同制造面临多学科交叉、高效传输计算、大范围精准感知、大规模动态规划、多机协同作业等重天挑战，是公认的国际难题 海量数据高效传输与计算大范围全图场像景精位准姿感知 点元 技术力矩 多机器工洗 集群机器人 协同制造 智能 制造 大规模动态调度与规划多机协同制造与自主控制 集群机器人协同制造技术将颠覆现有重大装备制造模式！ 18 机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心 背景意义与挑战 关键技术与应用发展趋势与展望 汇报提纲 三、关键技术与应用【背景需求】 高端装备大型复杂部件的高效制造是一项世界性难题加工尺寸大、曲面多，现有数控机床无法满足加工需求人工作业环境恶势，质量稳定性差、生产效率低 耀旋浆加工 盾构机刀盘加工 水轮机加工 直径5-12米 直径6-15米 直径5-10米 大型舰船大型盾构机大型能源装备 需开创多机器人高效协同加工新技术 三、关键技术与应用【技术难点】 如何实现大型复杂部件多机器人的任务高效分配 动作协调有序、加工质量一致？ 需突破多机调度、路径规划、协同控制的难题 三、关键技术与应用解决方法 理论创新系统研制工程应用 多目标 TaklTnk? 优化大型舰船螺 优化决策调度旋桨制造 多机器人路径大型盾构机 运动规划规划制造 分布式协同大型水轮机 协作控制控制制造 三、关键技术与应用 1.三维视觉识别定位 研究机器人三维视觉识别定位算法，解决高端制造异形无序工件的识别定位与引导抓取作业难题。 . 场景三维信息获取三维特征提取深度学习网络识别目标三维姿态重建 B,:(p,P) 6,:(pLA) J,*discota 机械手识别抓取目标建立机械手抓取姿态和角度模型 三、关键技术与应用【技术创新1】 提出多目标优化决策的强化学习方法，为多机器人 协同作业的任务高效分配与调度提供了理论依据 多目标优化决策方法 目标函数： 任务任务 (1）完成时间评价选择 (2)总工作量minr= =1(=1h=) Pi,h,ki,h,A 状态执 约束条件： _Pi,,AEi,A,A 奖赏向量行 Ci,hCi,h1≥Pi,h,ki,h,k,h=2,...,qi;Vi,k环境 Ei,h,k=1,Vi,h;ai,h,E(0,1],Vi,h,k kEM(O,^)强化学习(Q-learning) 成果发表在IEEETrans.onAutomaticControl2016.61(12):4118-4124 三、关键技术与应用【技术创新2】 针对复杂动态环境下的自主避障难题，提出基于差分进化的路径规划方法，实现了大规模移动机器人的无碰撞协作 避磁算法 信息更新r(r+)=n 约束条件 数据库s.t.p,(r)np,()=O,p,nobj=0 r,(t)aS(r) D, 碰撞回避算法多移动机器人路径规划 .N+v,() 障碍信息tp 任务信息 差分进化算法人 初始信息 pl"=Pu+F-Z(P,P,)交叉 韩子 地图信息 pminT [p,ifr()CRvj=m()) 变异 pl",ifrU)>CR^j+rmU)尊子 信息更新 O点 minL(P)=minZZlpu-Pual 成果发表在Automatica.2016,64:217-225 IEEETrans.onIndustrialElectronics.2017,64(1):115-124 三、关键技术与应用【技术创新3】 研究基于环境感知的分布式鲁棒协同控制方法，解决 了多机器人协同加工大型复杂部件的质量一致难题 环境感知与人机交互 任务分配规划规划数据库自定位协同避障 控制层 路径规划 进化决策 传感 决策层 环境信息库跟踪控制目标监测 结构化地图协作加工队形保持 器信息反馈 大型复杂构件加工 国 国hi 多机器人协同算法 成果发表在IEEETrans.onControlSystemsTechnology,2015.23(4):1440-1450 授权发明专利：ZL201410512492.2 26 三、关键技术与应用2.多机器人协同控制 多机器人协作视觉引导控制关键技术 提出了智能协调优化控制方法，研制出视觉引导的多机器人协作控制系 统，应用于大型船舶制造企业复杂部件的抓取、焊接作业 智能协调优化鲁棒控制高精度执行多机器人系统任务 任务分解 P(r-kr)*t] 机器人 协作机器人分组位装 如是人1 韩法 轨速优化 位资反馈 2(r-)*] 机器人 24 2 三、关键技术与应用 多机器人协作高效焊接关键技术 2.多机器人协同控制 提出了多机器人自适应协作控制方法，研制了高端制造大型复杂部件多 机器人高效协同焊接系统，满足我国重大工程装备自主制造的迫切需求 人机交互 机品人语理监控任务分配与规划多物题人代化通康 中央控制器 机人稳器人 控MA Robot