摘要：隨著工業4.0時代的到來，如何將傳統工廠改造成為個性化、網絡化、柔性生產的智能制造系統成為了當前的研究熱點。本文從智能制造系統和智能機器人系統的相似性出發，構建了基于機器人組件技術的智能制造系統，對智能制造系統中各個生產單元進行組件化技術封裝，實現了生產組件之間的信息互聯和即插即用，通過個性化訂單要求對各生產組件在線任務規劃，達到柔性生產的目標。此外用多異構機器人模擬各工位生產單位搭建了一個可以根據用戶訂單生產的小型智能制造實驗平臺，實驗結果驗證了本研究構建系統的可行性。

關鍵詞：機器人組件技術；智能制造；工業4.0；物理信息系統

隨著物聯網技術普及，市場環境也同時發生了變化，特別是對產品個性化、定制化、小批量、多品種的新需求給傳統工業帶來很多挑戰，在很多國家和地區出現了問題，如歐洲正在發生的“工業退化”現象[1]、我國代工廠出現的倒閉潮[2]等。這些問題引起了各國的廣泛關注，并紛紛提出適合自身工業發展特點的對策，如德國的“工業4.0計劃”、中國的“中國制造2025”、美國“先進制造業國家戰略”、日本“機器人新戰略”等[3]。雖然對策內容側重點各有不同，但是有一個共識就是第四次工業革命正在到來。

國外一些大型自動化設備企業走在了工業4.0化的前列，如德國的西門子旗下的安貝格電子制造工廠，是歐洲乃至全球最先進的數字化工廠，被認為最接近工業4.0概念雛形的工廠[4]，利用工業4.0技術使得產品合格率達到了99.998 8%。美國GE公司[5] 作為美國“工業互聯網”主導企業，通過一個名為Predix的軟件操作平臺對GE的數據進行監測分析。該平臺負責將各種工業資產設備和供應商相互連接并接入云端，從而為其提供資產性能管理和運營優化服務。

在國內，“中國制造2025”引起了強烈的共鳴，相關領域的大量學者對其開展深入的理論和實踐研究。一方面從各個行業角度進行分析，提出工業4.0在不同行業中的現狀、發展需求、機遇與挑戰，以及研究開發方案。如家具產業[6]、航空制造業[7]、制藥業[8]等。另一方面，一些研究者從國家層面出發進行研究，認為中國目前的制造業尚處于2.0到3.0之間[9-10]，不宜冒進否則會流于形式；并提出，我國的工業4.0發展必須站在國家高度充分認識工業4.0的全局性和戰略性，充分發揮互聯技術在制造業全產業鏈上的作用，同時重點關注和全面建設制造過程的系統化和標準化，重點提升高端制造業及能源產業。除了理論系統的分析、方案的研究及方針的制定，近年來，國內也建立了幾個工業4.0示范生產線，如同濟大學的“工業4.0——智能工廠實驗室”[11]、沈陽自動化所的“工業4.0示范生產線”[12]等。

從工業4.0的理論研究及實踐現狀可以看到，工業4.0還有很多的核心問題需要研究，其中如何實現工廠中信息物理系統的建立是一個關鍵核心問題。工業4.0強調生產單元之間的互聯、信息互通及相互協作，根據產品的生產狀況對各生產單元進行在線任務規劃，這個觀點與目前智能機器人系統的研究發展觀點一致。從這個角度來看，工業4.0中智能制造系統的設計可以在一定程度上，借鑒智能機器人領域的研究成果。

本文采用機器人組件技術來設計智能制造系統，給出一個面向智能制造系統的組件化系統框架。應用機器人組件技術來實現各種生產設備之間的互聯，即插即用。通過異構智能機器人、機器視覺、自主運動規劃、任務規劃的組件化封裝，實現智能制造系統的柔性定制化生產。

1 智能制造系統的組件化設計方法

組件化設計方法是以一種分而治之的思想，將一個大的系統劃分為若干很小的組件，這些組件可以單獨進行設計制造，然后通過使用嚴格定義的標準化接口相互連接組成一個完整功能的系統[13]。組件化設計方法對軟硬件系統都適用，硬件組件化系統有汽車、太陽能板和風能發電機、電梯等；軟件組件化系統更為廣泛，如計算機處理系統、手機操作系統、機器人控制系統（如機器人組件系統（RTM）[14]、機器人操作系統（ROS）[15]）等。

組件化系統設計方法具有很多優勢，如系統結構清晰、組件重用性好、系統管理方便、系統組建及擴展容易等。當然也有其不足之處，組件化系統在效率性能等方面并不一定是最優的，因為組件的接口、系統管理等都會引入額外的系統開銷。比如在組件化技術應用成功的汽車行業就有一些研究者觀察到，組件化設計的車輛總體重量，隨設計版本更新不斷增加的現象。

隨著工業4.0化的不斷發展，新加工制造工藝的不斷創新（如增材制造技術等），有可能將來在一些關鍵產品上會取代組件化的設計方法。但是在工廠系統的設計與管理方面，組件化的方法依然會保持明顯優勢。

1.1 智能制造系統的組件構成

如前所述，組件化系統可以有硬件和軟件兩類，本文主要涉及智能制造系統軟件控制系統的組件化設計。首先，一個智能制造系統中的功能組件由兩部分組成，即基本組件和功能部分（如圖1所示）。其中基本組件包括接口和基本功能。接口是組件間實現通訊的基礎，為了實現各種通訊模式，組件支持多種接口，如單向發布信息的數據接口、提供雙向通信的服務接口等?；竟δ馨ㄒ恍M件的運行狀態控制所需要的通用功能，如組件初始化、終止、注銷、注冊等。可以看到，利用基本組件即可以組建一個能夠正常運行的組件化系統，而對基本組件進行功能性擴展后即可以組建特定的功能系統。

基本組件一般由組件化系統平臺提供，在搭建組件化系統時需要開發者實現的是組件的功能部分。對于智能制造系統的功能組件，其功能部分由屬性和服務構成。屬性又包括靜態和動態屬性，靜態屬性是該組件的一系列不隨時間改變的信息，如組件ID號、設備組件的設備型號、倉儲組件的容量信息等；動態屬性是該組件相關的一些隨時間變化的信息，如設備的運行狀態及維護狀態、倉庫的存儲狀態等。服務是指組件可以提供的一些功能動作服務，如組件屬性的查詢、修改等。另外一些設備組件可以提供加工服務，倉庫組件則可以提供物品出入庫服務等。

在對功能部分的屬性和服務進行定義時，同樣需要使用組件化的思路，盡量抽取一類組件中共性的內容，如設備ID、設備分類等，這些信息能夠方便系統對組件的管理。以一類設備組件為例，其屬性和服務可以定義如下。

利用各種功能組件即可以構成一個智能制造系統。當然根據不同類型的智能制造系統可有不同功能組件及系統結構，這里只是給出一個示例，如圖2所示。

1.2 智能制造系統組件化實施方法

對上述的組件化智能制造系統的實施是一項復雜的軟件工程，因此在實際實施階段采用較為成熟的機器人組件技術系統，實現智能制造系統的組件化平臺搭建。目前，機器人組件技術系統有很多[16]，總體的特點大同小異，在具體系統應用方面略有差異。經對比，我們選擇利用RTM和ROS兩種組件化系統組合來搭建我們的智能制造系統。其中，RTM由日本產業技術綜合研究提出，是基于CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共對象請求代理體系結構）軟總線技術的機器人中間件設計標準；而ROS，是由美國Willow Garage公司專為機器人軟件開發所設計出來的一套系統架構，當前ROS的首要設計目標是在機器人研發領域提高代碼復用率。選擇這兩種組件化技術是因為RTM的基本組件功能上更加完善，其在跨平臺、分布式構架上有優勢；而ROS具有開源資源豐富的特點，在組件功能部分開發上占優勢。因此，智能制造系統的開發將采用兩種系統結合的方法。

2 基于機器人組件技術的智能制造系統演示

下面介紹利用上述的智能制造系統組件化方法搭建的一個小型智能制造系統的實例，并通過定制化產品的加工來對該設計方法做一個定性的驗證。

首先如圖3（a）所示設定該智能制造系統的產品，它是一個雙臂機器人的模型，共有6個關節組成，各個關節之間有活動的卡扣連接，裝配后具有一定的活動度。為了體現定制化，各個關節的顏色可以由用戶設定。因為項目采用增材制造技術，因此，整個系統的輸入為用戶的訂單和3D打印材料，經過加工裝配后，即可輸出得到產品。

該智能制造系統正常工作流程為：下單→3D打印→打磨→裝配，其中零件在工位間的流轉由自由移動物流機器人和傳送帶物流組成；同時由于3D打印速度慢，測試時會將零件預先打印好放在一個倉庫中，這樣會有一個出入庫的動作。整個系統的工廠布局圖如圖4所示。

2.1 智能制造系統的構架

智能制造系統的組件系統架構，如圖5所示。在底層是一些設備組件，它們可以在工廠系統中“即插即用”，并且能夠根據不同的制造工藝被重復使用和重新調整。在中間層中，我們搭建了一個內部的云服務器，并開發部署了一系列的功能組件，如人機交互接口、產品貨物倉儲管理系統、任務規劃、虛擬制造，以及大數據采集等。在最上層，是一些更為系統化的組件，如制造執行系統、銷售管理系統及設計支持系統等。這些系統組件都是工業生產的關鍵元素，但是在本文中不對這些大系統進行介紹，而主要對中層的任務規劃組件和底層的智能機器人組件進行介紹。

在對各個功能組件進行實現時，其中底層組件使用RTC實現，用于和中層功能組件如任務規劃組件間的相互通信協作；而底層組件本身也是由多個子組件組成，如視覺組件、定位導航組件、機械臂路徑規劃組件等，這些具體的算法組件使用ROS編制而成。

2.2 智能制造系統的核心組件

本智能制造系統包含很多組件，其中核心組件包括任務規劃組件、3D打印組件、無示教打磨組件、自動裝配組件、流水線組件、移動抓取組件等。我們利用通用智能機器人技術來實現這些組件。各組件的實物圖如圖6所示。

3 實驗演示

本系統實驗主要是測試由組件化技術搭建的智能制造系統的運行是否穩定，以及能否達到預期的產品定制的目標。系統的運行場景截圖如圖7所示。經過多次下訂單測試結果顯示如下所述。

(1) 將機器人組件技術運用在智能制造系統中的方法是可行的。各組件之間相互調用穩定可靠，數據傳輸正常。同時，智能機器人技術的在各個加工制造工位的運用大大提高了工廠的柔性程度。

(2) 以太網絡的穩定性對系統影響很大。在最初試驗中，我們的系統采用普通家用無線網絡搭建，導致組件連接由于高延時而不穩定，后改為采用有線網絡連接則消除了延時的問題。在將來在實際工業環境下，應該采用如沈陽自動化研究所搭建的智能制造系統示范平臺中，使用的工業級別的網絡架構。

(3) 因為目前采用的兩種組件化技術均為非實時性的組件化技術，無法用于實時性要求高的場合。

4 結束語

本文從工業4.0的核心問題之一的信息互聯問題入手，分析了智能機器人組件技術如何運用到智能制造系統的搭建中，通過定義的基本組件和功能部分，給出了智能制造系統的組件化框架。在實踐環節，本文設定了該小型智能制造系統的目標產品、功能，組合利用RTM和ROS技術實現了多個智能機器人工位組件和智能制造系統系統。系統運行結果表明，智能機器人技術在智能制造系統搭建過程中同樣適用。

本文在實踐過程中也有很多不足之處：①提出的智能制造系統組件化框架，還需要進一步完善。后續需深入研究各類組件的特性，定義出一般組件的屬性及服務特性。②基于智能機器人技術搭建的智能制造系統，雖然最后的試驗結果顯示達到了預期的功能效果，但是也僅為定性的分析，未來需要進一步對實時性、魯棒性等做定量的實驗測試。③目前智能制造系統僅處理特定的產品模型，實際上由于采用了3D打印技術，以及智能機器人技術，在將來可以將工廠定制化功能從顏色擴展到不同形狀的產品模型。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的中国人工智能学会通讯——机器人组件技术在智能制造系统中的应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。