双臂空间机器人在数字化车间智能制造中的应用

陈欣欢，常 辉，李能菲

（安徽职业技术学院机电工程学院,安徽 合肥 230011）

制造企业的生产车间正向着数字化方向发展，为了提升生产线运行的稳定性，需要在数字化车间内应用机器人进行智能化作业[1]。机器人的应用既解决了传统生产模式下时间精力消耗较大的问题，又可以提高产品生产质量，实现数字控制生产线向数字化和智能制造的模式发展[2]。机器人作为数字化车间智能制造的核心，不同类型的机器人工作模式具有较大差异，将其应用到数字化生产线上，有利于智能制造技术的创新设计。文献[3]以宁夏煤机装备制造业的发展现状为基础，明确智能制造发展路线，根据宁夏煤机装备制造业存在的问题，提出了智能制造技术路径和发展建议，但该方法应用后企业生产效率较低。文献[4]深入解读“智能+”时代发展特点，将该技术与制造企业数字化车间实际情况相结合，提出了一种新的智能制造技术。按照企业生产流程构建云制造架构，基于该云制造体系，结合“智能+”技术进行创新，从协调发展的角度提出智能制造发展模式，但该制造模式需要耗费较大的成本。文献[5]以钢铁行业为例，提出了智能制造的发展路径。通过智能产线的建设，汇总传统产线智能化制造技术的应用现状，结合数字化空间发展特性建立智能化模型，以适应车间智能制造的发展，但该技术的应用拓展性较差，实际应用效果会受到较多外界影响因素的干扰。参考上述智能制造技术，作者将双臂空间机器人应用于数字化车间，设计新的智能制造技术。双臂空间机器人具有恶劣环境适应力较强的特点，结合协调控制工作算法，应用机器人对目标物料进行高精度抓取和放置，实现企业产品质量的有效提升。

1 基于双臂空间机器人的数字化车间智能制造技术设计

1.1 构建双臂空间机器人动力模型

作者将双臂空间机器人应用于数字化车间智能制造设计[6]，采用平面四自由度的双臂空间机器人，其整体模型如图1所示。

图1 双臂空间机器人模型图

1.2 设计双臂协调运动控制算法

上述基于双臂空间机器人工作原理得到的惯性动力学方程，按照模糊基函数网络设计机器人末端爪手协调运动控制算法。通过手眼相机测量机器人坐标系，分析其与机器人末端坐标系之间的位姿偏差[9]。将预先设定的阈值与位姿偏差计算结果相比，实现双臂空间机器人的高精度运动时效内目标成功捕获。当相对位姿偏差值大于设定阈值时，则表明机器人抓取目标超出负载能力，将超出部分以数据的形式传送至末端速度规划器，生成最佳抓取路径。

根据规划路径的机器人末端爪手运动速度，利用自主奇异回避算法获取机器人每个关节的期望角速度。在机器人各个关节处添加PD控制器，生成双臂空间机器人工作过程中期望关节力矩[10]。将其作为双臂空间机器人的输入参数，获取输出的关节变量，并将其转化为机械臂末端位姿。添加关节控制器后，采用微分形式获取机械臂末端运动速度，可得出：

1.3 建立数字化车间物料调度方案

在数字化车间智能制造技术设计过程中，通过上述算法实现双臂协调运动控制，实施一个带时间窗的物料调度方案。该方案属于VRP形式，针对其中带能力约束的VRP进行研究，采用遗传算法求解物料调度方案的最优解。

在数字化车间内，通过染色体编码的方式得到初始物料调度方案。并对每个加工工位添加时间窗，按照加工时间顺序，从前到后进行物料配送。明确数字化车间内每个工位与物料存储区域的相对关系，设计按照工位顺序配送的调度方案。采用实数编码方式，描述遗传算法求解的配送路径。考虑到车间内工位的具体数量，明确机器人数量，生成初始种群。由于车间内每一个基因位之间均存在一定联系，初始种群的生成需要使染色体满足部分约束条件。所形成的染色体数量为N的初始种群，如图2所示。

图2 初始种群

以图2所示的遗传算法初始种群为基础，利用适应度函数，判断初始种群内染色体的好坏。适应度计算结果越大，则表明该染色体的质量更佳，该数字化车间物料调度方案更符合企业生产要求。根据适应度函数获取多个个体的适应度值，将其中计算结果较低的种群个体去除，留下适应度值较高的个体，将其遗传至下一代，完成遗传算法中的优胜劣汰操作。在图2所示的初始种群中添加有效性检验算法，确保种群内包含的个体具有较高的有效性。然后对数字化车间物料调度方案进行交叉变异处理，将新的不符合要求的个体去除，获取符合约束限制的适应度函数。

分析上述遗传和交叉处理后的数字化车间物料调度方案，计算物料配送所需的时间，当上述选定调度方案的配送时间满足产品生产要求后，选择合适的个体，根据选定的个体生成新的车间物料调度方案。

1.4 制订智能制造技术实施计划

根据上述研究，明确数字化车间内双臂空间机器人的应用，设计智能制造新模式，并为此制定实施计划。考虑到智能制造技术的实施，涉及多种技术和内容，智能制造技术的实施需要耗费较长的周期。所以文中对实施目标进行逐级分解，实现高效率智能制造技术的设计。

实施双臂空间机器人数字化车间智能制造技术是一项长远的任务，从整体上分析，按照从点到线、从内到外的方式制定技术实施的路线。以双臂空间机器人为基础，实现生产物料配送向数字化车间智能化发展。根据智能制造技术的发展路线，从设计到制造，从车间现场到企业管理，从订单接收到产品生产时间，实现硬件、软件相结合的全方位智能制造技术升级。

在实际应用过程中，基于企业实际发展情况和数字化车间建设状态，制定相关智能制造技术发展目标。以提升产品质量为核心，确定设计的智能制造技术初步实施方案。按照数字化车间智能制造技术的发展要求，将该技术的实施划分为三个阶段，即：双臂空间机器人的初步应用，智能化生产车间的发展，数字化车间智能制造技术的发展成熟。从而实现双臂空间机器人在数字化车间智能制造中的应用。

2 算例分析

为了验证文中提出技术的应用性能，选择某高端液压元件制造企业作为研究对象，该企业主要生产液压系统元件。为了提升企业生产效率，2019年建设了数字化车间，并应用了双臂空间机器人优化智能制造技术。作者分析了设计的智能制造技术的应用效果。

2.1 数字化车间的整体布局

高端液压元件制造企业的数字化车间整体布局如图3所示，车间由智能仓储区域、1条清洗线、1条总装线以及2条部装线共同构成。其中，智能仓储区域内的物料存放加工具备自动化特点，部装线和总装线内的人工工位分别为1个和4个，满足车间生产需求。

图3 数字化车间的整体布局

在数字化车间内，物料配送是生产线上部件生产的重要环节，以工位为中心、工装板为单位进行物料的实时精准投放，是企业生产的核心。考虑到每个工位分别对应一个固定的仓储区域，为了保证生产企业的节拍符合要求，需要根据不同工位的物料需求进行配送。若某工位的物料投放不符合生产需求，会造成工装板堆积，生产线出现问题。因此，作者应用智能制造技术将双臂空间机器人应用于车间。

2.2 智能制造技术的实施

实施设计的智能制造技术需要三个环节，即：项目准备、项目实施和项目验收。其中，项目准备环节的任务是成立技术实施组织，形成符合生产要求的实施方案。为了促进智能制造技术的应用，生成图4所示的项目组织架构图。

图4 项目组织架构图

高端液压元件制造企业要实施智能制造技术，首先企业高层负责人要成立项目决策委员会，由部门经理和生产总监组成项目管理部门和质量监督部门，再将智能制造技术主要设计人员组成顾问团队，结合业务部、技术部等部门，加强双臂空间机器人的应用管理。

将双臂空间机器人应用到数字化车间智能制造中，根据双臂抓持载荷和机器人动力学模型，建立图5所示的双臂协调控制原理图。

图5 双臂协调控制原理图

深入分析闭链的几何运动约束关系和内力平衡关系，结合提出的双臂协调控制算法获取各关节控制力矩阵以及关节运动参数，根据控制原理控制机器人机械臂的运动，使其符合企业生产物料抓取、放置要求。将双臂空间机器人应用期限设置为 1个月，然后对智能制造技术的应用效果进行验收，验证设计技术的实施效果。

2.3 应用结果分析

智能制造技术应用结果分析，以产品质量为评价指标，计算一个月内生产产品的良品率，将计算结果与文献[3]、[4]提出的智能制造技术应用结果进行对比，确定应用双臂空间机器人后高端液压元件制造企业的产品质量。

图6 企业产品良品率对比

根据图6可知，应用设计的智能制造技术后，企业液压缸、液压阀、叶片泵、液压马达和柱塞泵五类产品的良品率均高于文献[3]、[4]。根据图6进行计算，得到表1所示的平均产品质量对比数据。

表1 不同技术实施后平均良品率对比

根据表1可知，实施双臂空间机器人数字化车间智能制造技术后，企业的平均良品率为96.52%，相比其他两种技术，企业的良品率提升了10.42%和16.45%，达到了提升企业产品质量的目的。通过本文的研究，将双臂空间机器人应用到数字化车间智能制造中，能促进智能制造企业的快速发展。

3 结束语

以数字化车间为基础，应用双臂空间机器人设计智能制造技术，根据双臂空间机器人的动力模型和协调控制算法，实现车间内物料的合理抓取和放置。结合车间物料调度方案，按照实施计划，车间智能制造技术逐渐趋向成熟，促进了企业产品质量的提升。虽然研究的智能制造技术达到了较好的应用效果，但是由于研究深度不够，使得该项技术的应用还存在一定限制，未来可以融合信息管理技术进一步完善该智能制造技术。