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空间技术助力工业机器人发展

发布时间:2017-11-24 阅读数:2355

随着人口红利的逐渐下降,企业用工成本不断上涨,工业机器人正逐步走进公众的视野。浙江全省工业机器人使用量约占全国的11%,近三年全省累计减少低端劳动用工近200万人,提高劳动生产率近30%。

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器和人工智能(AI)等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。从近几年世界机器人发展来看,工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展。智能化程度主要由传感器技术水平和控制方法来决定,因此控制方法研究对于提升机器人智能化具有重要意义。

丽水学院张文辉博士长期从事空间机器人技术研究,致力于将空间机器人技术应用于民用工业机器人。2014年,他申请的“参数突变情况下机器人基于神经集成的冗余控制方法研究”项目获得浙江省自然科学基金的资助,该方法在国内机器人控制器研究领域首次提出,旨在解决参数突变情况下机器人的稳定控制问题,提高控制精度和收敛速度,具有普遍意义和工程应用价值。

 

丽水学院张文辉博士(前右一)团队

把空间机器人技术带到生产线


据张博士介绍,随着空间技术的发展,对空间机械臂的应用越来越多,要求也越来越高。其任务概括为两类:(捕获)合作目标任务和非合作目标任务。合作目标任务是当前空间机械臂的主要任务模式。合作目标的特点就是目标载荷及工况已知。非合作目标任务是未来空间机械臂的发展趋势。非合作目标的特点是目标载荷、重量和任务工况的不可预知性。特别是太空垃圾对现役航天器形成的威胁越来越大,已经引起了国际重视。有限的燃料直接决定着空间机械臂的运行寿命,极其宝贵,因此空间机械臂控制方法研究同时需要综合考虑能耗问题。

地面机器人在未知环境工作,特别是救援、探测以及其它突变工况等,同样面临非合作目标的控制问题,将空间机器人非合作,目标捕获技术扩展到地面工业机器人技术同样具有较强应用价值。因此,面向非合作目标的机械臂对其控制技术提出了新要求,是智能与机器人领域的重要课题;对于满足日趋复杂的多样性任务需求具有重要价值;问题的解决将使得目标载荷从已知的合作目标,扩展到非合作目标,具有重要研究意义。

张博士在毕业后进入丽水学院工作,如何把空间机器人技术应用于民用工业机器人,如何实现技术产业化,如何更好响应军民融合号召,为地方产业经济服务,成为他一直思考的问题。

 

让工业机器人从容应对未知环境

 

经过多年的沉淀,国内机器人控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距,差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。随着技术和应用经验的积累,国内企业机器人控制器产品已经交为成熟,是机器人产品中与国外产品差距最小的关键零部件。

张博士认为,虽然目前业内热衷于对PID控制方法的研究,但机器人控制不能仅仅局限与PID控制,PID控制虽然实时性好,但是抗干扰能力弱,因此应该积极探索其它控制方法,特别是随着硬件水平的发展,一旦硬件计算瓶颈获得突破,高级的控制策略必然迎来春天。目前以神经网络为主的深度学习已经成为智能机器人的研究热点。

张博士研究的以神经网络控制为主控制器,变结构控制为冗余控制器的控制策略,能够根据载荷重量不同适时启动最佳控制模式,解决了未知大载荷或负载突变可能引起的控制失效问题,实现非合作目标差异化控制;同时,设计了一种能根据误差信息实时调整网络结构的动态调节算法和自适应学习算法,提高了控制系统响应速度。

 

为机器人产业发展储备技术

 

未来几年,中国工业机器人每年新增数量将会保持在35%左右的增长速度。预计到2020年,中国市场工业机器人新增量将达到22万台。从成本构成来看,控制系统占了机器人成本10%的比例,而控制器则是整个控制系统的核心。控制器是机器人最为关键的零部件之一,机器人控制器将受惠工业机器人的爆发式增长。

张博士介绍,当前关于机器人控制器的研究,并非提供现阶段的成熟技术,而是面向未来机器人发展的源头技术,力图做出颠覆性创新工作。基础研发是一个技术长期积累的过程,技术转化也需要配套,下一步将开发相关物理实验模型,搭建软硬件实验平台并进行测试、分析和方法验证,积极发现问题并及时解决;同时,深入相关企业进行调研,针对相关需求及工程中可能出现的实际问题,对控制方法和实验平台进行改进和完善。目前项目团队正积极与公司合作对接产业化事宜,争取在近1-2年内,将研究成果应用到企业,解决企业技术难题,提高企业效益。

 

(浙江省科技信息研究院今日科技杂志记者 孙逸;  通讯员 徐敏 郑中仁)

 

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