此外，協(xié)作工業(yè)機器人運動算法的提出，實現(xiàn)協(xié)作機器人運動控制算法庫的創(chuàng)建。其中包括機器人正逆運動學和動力學、關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間的直線圓弧軌跡規(guī)劃、帶過渡段的連續(xù)軌跡規(guī)劃、時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃和外部軸算法等。

2.4 機器人視覺感知與自主學習

通過智能學習算法實現(xiàn)了機器人的自主操作（圖7），獨立自主完成抓取、裝配、搬運等作業(yè)活動。

圖7 機器人自主操作

基于機器學習的工業(yè)機器人視覺理解，通過深度學習、強化學習、遷移學習等手段，構(gòu)建工業(yè)機器人視覺理解數(shù)學模型，對視覺感知系統(tǒng)獲取的圖像內(nèi)容進行理解，實現(xiàn)工業(yè)機器人作業(yè)過程中目標提取、類別識別等任務。

基于視覺反饋的工業(yè)機器人測量定位，提出了基于三維結(jié)構(gòu)光的機械臂抓取位置檢測方法（圖8），采用深度信息替代彩色圖中的藍色通道，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的柵格化計算目標工件抓取位置，通過多尺度輸出，應對不同尺寸的抓取位置檢測。

圖8 基于三維結(jié)構(gòu)光的機械臂抓取位置檢測方法

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的機器人最佳抓取位置預測（圖9），提出了基于RGBD圖像信息的機器人抓取位置學習預測方法，構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡計算不同抓取窗口的抓取概率，將計算所得最大概率的窗口選定為物體最佳抓取位置，從而準確預測不同物體的最佳抓取位置。

圖9 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的機器人最佳抓取位置預測

圖10所示為工業(yè)機器人作業(yè)行為強化學習技術(shù)，工業(yè)機器人以“試錯”的方式對其作業(yè)行為進行學習，通過與環(huán)境交互獲得的獎賞來指導行為，從而使其獲得最大的獎賞。強化學習中由環(huán)境提供的強化信號是對產(chǎn)生動作好壞做出的一種評價，而不是告訴系統(tǒng)如何去產(chǎn)生正確動作。

圖10 機器人作業(yè)行為強化學習技術(shù)

2.5 機器人職業(yè)規(guī)劃與布局設計

優(yōu)化機器人布局應該滿足兩個條件：不僅能使機器人末端執(zhí)行器以合理的姿態(tài)到達指定的空間位置，而且能使機器人完成任務的工作周期時間盡量短。然而，機器人工作站布局設計與作業(yè)規(guī)劃存在一定的復雜性，通過研究發(fā)現(xiàn)，存在多種可行的作業(yè)拓撲順序，當需要完成某項作業(yè)時，能夠有多種方案。例如弧焊作業(yè)時，各條焊縫的焊接順序可以變化（圖11）。

圖11 弧焊機器人工作站的幾種布局方案

其次，機器人基座位置和作業(yè)拓撲順序相互耦合，共同影響機器人工作時間。針對這一難點，提出基于蟻群算法的作業(yè)順序規(guī)劃與機器人布局協(xié)同優(yōu)化方法，解決機器人的作業(yè)規(guī)劃問題。一是提出廣義逆可達工作空間相容性檢測方法，快速建立機器人基座解空間；二、是提出機器人基座可行解空間離散網(wǎng)絡的作業(yè)順序蟻群優(yōu)化算法，實現(xiàn)具有相同最優(yōu)作業(yè)順序的基座解空間劃分；三是采用模式搜索算法，實現(xiàn)作業(yè)順序確定條件下的機器人布局設計。

2.6 工業(yè)機器人虛擬示教與數(shù)字孿生

通過虛實交互反饋，在同一個界面下調(diào)用、使用多類型機器人的示教界面（圖12）。通過集成構(gòu)建ABB、發(fā)那科（FANUC）、安川、庫卡等多個品牌機器人的編程器模擬界面，用戶可以通過虛擬編程器的操作，進行相應虛擬和實體機器人的控制及相關(guān)功能操作，實現(xiàn)工業(yè)機器人的虛擬示教。

圖12 多類型機器人的虛擬示教界面

在這個基礎上，初步實現(xiàn)工業(yè)機器人數(shù)字孿生遙操作技術(shù)（圖13），基于主動引導的虛擬環(huán)境中接觸力覺連續(xù)生成方法，通過數(shù)字孿生實現(xiàn)真實機器人的力反饋遙操作，使操作人員更真實地感知遠程機器人操作對象，輔助操作人員更精準、便捷地完成操作任務。

圖13 數(shù)字孿生遙操作技術(shù)

數(shù)字孿生環(huán)境下的機器人視覺伺服運動規(guī)劃技術(shù)（圖14），通過構(gòu)建工業(yè)機器人作業(yè)的數(shù)字孿生環(huán)境，基于深度強化學習訓練混合視覺伺服控制器，得到作業(yè)任務的最優(yōu)運動方案，實現(xiàn)機器人運動的多約束自主規(guī)劃。

圖14 機器人視覺伺服運動規(guī)劃技術(shù)

基于增強現(xiàn)實的工業(yè)機器人維修導航技術(shù)（圖15），通過增強現(xiàn)實的數(shù)字孿生可視化虛實交互技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)機器人維修維護操作智能導航，將當前維修任務的工藝文件以虛擬維修指令的形式，引導維修人員進行故障處理，有效地提高工業(yè)機器人的維修維護效率。

圖15 工業(yè)機器人維修操作導航

三、工業(yè)機器人應用實例

浙江大學等設計研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HRT系列四軸、六軸、七軸工業(yè)機器人本體系統(tǒng)及高性能通用控制系統(tǒng)，覆蓋教育和工業(yè)應用領(lǐng)域（圖16）。其中，筆者團隊自主開發(fā)了一個機器人集成工作站，該小型工作站可以在工作站里形成有序的物流，有序的算法的驗證。

圖16 工業(yè)機器人本體系統(tǒng)、通用控制系統(tǒng)、機器人教學工作站

采用基于時空連續(xù)性的多機器運動干涉實時檢測（圖17）、基于智能計算的裝備生產(chǎn)線布局多約束優(yōu)化、基于虛擬人操作的任務工作流建模與求解（圖18）等方法，解決了焊縫不可達和焊接干濕的問題，最終提高了裝備生產(chǎn)線的設計（圖19）效率、設計質(zhì)量，縮短了裝備生產(chǎn)線的開發(fā)周期。

圖17 基于時空連續(xù)性的多機器人運動干涉實時檢測

圖18 基于虛擬人操作的任務工作流建模與求解

圖19 寧波信泰福特Focus車門焊接線設計

車輛齒盤堆焊（圖20）要求在一個工位上實現(xiàn)齒盤焊接后直接形成符合設計要求的齒面，并集成上下料、焊接、檢測、碼垛等多項功能。在此過程中，如何確定影響齒盤表面多層堆焊質(zhì)量的主要焊接工藝參數(shù)及其取值方案，如何考慮工裝設計與工藝流程設計、生產(chǎn)線規(guī)劃的協(xié)同優(yōu)化，如何實現(xiàn)搬運與焊接機器人的協(xié)同作業(yè)，以及與外圍自動化輔助設備的控制集成，成為主要的技術(shù)難點。

圖20 車輛齒盤堆焊

浙江大學設計研發(fā)了面向多品牌工業(yè)機器人的虛擬示教編程系統(tǒng)（圖21），通過構(gòu)建不同品牌示教器與單一機器人本體間的映射關(guān)系，實現(xiàn)多品牌工業(yè)機器人一體化示教。虛擬示教可以通過人、機器人在同樣虛擬的界面下進行人機對話，學習到機器人如何編程。

圖21 多品牌虛擬示教器及虛擬示教編程系統(tǒng)

除此之外，一系列從正向設計到創(chuàng)新設計的關(guān)鍵技術(shù)與應用：超大型低能耗大型空分裝備設計制造技術(shù)，高檔數(shù)控機床數(shù)字化正向設計的關(guān)鍵技術(shù)，大噸位深拉伸液壓裝備設計制造關(guān)鍵技術(shù)，一類高端龍門加工中心創(chuàng)新設計關(guān)鍵技術(shù)，電梯大批量定制設計與數(shù)字化智能化技術(shù)，數(shù)控機床遠程監(jiān)控、診斷與虛擬維修技術(shù)，大型艦船分段制造的作業(yè)模擬與優(yōu)化技術(shù)，機器人作業(yè)布局規(guī)劃與智能制造應用技術(shù)，重大裝備產(chǎn)品性能設計、計算與仿真技術(shù)，數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)在航天產(chǎn)品中的應用等，幫助一批企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

綜上所述，筆者認為，工業(yè)機器人對于我國智能制造的發(fā)展有著舉足輕重的作用，筆者帶領(lǐng)的團隊在相關(guān)項目研發(fā)上得到黨和國家領(lǐng)導人的高度重視。在從“制造大國”向“制造強國”邁進的道路上，需要各方力量協(xié)同合作、久久為功。加快培養(yǎng)人才尤其是具有全球競爭力的高層次人才，不斷激發(fā)出其巨大的創(chuàng)新能量，推動“中國制造”走向“中國智造”，為全面建設社會主義現(xiàn)代化國家、全面推進中華民族偉大復興提供強大支撐、貢獻更大力量。