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

湖南大学2023年世界机器人大会报告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汇报提纲背景意义与挑战关键技术与应用发展趋势与展望 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环境感知多智能体网络任务执行复杂环境 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难点飞机部件制造舰船部件制造高铁部件制造规模大机身长38.9米单船焊缝长度车身喷涂面积翼展35.8米1万~20万米不低于95%任务多蒙皮铆钉大中小合拢高铁零件个数>3万个数量>2万个精度高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倍专机加工产线加工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异构数据高可靠交互难通信实时性和确定性弱机器人测量系统（站素公司.2917）制造过程存在信息孤岛复合材料机置检测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）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飞机涂眉激光去除（NREC.2016）移动机器人打理(HUST,2018)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场景精准感知图像位姿点元多机力矩技术器工洗集群机器人协同制造制造智能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汇报提纲背景意义与挑战关键技术与应用发展趋势与展望 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Takl Tnk?多目标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 关键技术与应用三、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6,: (pLA)B, : (p, P)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min r ==1(=1h=)Pi,h,ki,h,A状态奖赏执_Pi,,AEi,A,A向量行约束条件：Ci,h Ci,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, kkEM(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碰撞回避算法多移动机器人路径规划避磁算法信息更新r,(t)aS(r)r(r+)=n. N+v,()约束条件D,数据库s.t.p,(r)np,()=O, p,nobj=0障碍信息tp人差分进化算法任务信息pl" = Pu+F-Z(P, P,)交叉初始信息[p,if r()CRvj=m())韩子地图信息pl",ifrU)>CR^j+rmU)变异尊子pminT信息更新min L(P)=minZZlpu-PualO点成果发表在Automatica.2016,64:217-225IEEE Trans.on Industrial Electronics.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路径规划环境信息库跟踪控制控制层目标监测传感进化决策决策层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多机器人协同算法国国hi成果发表在IEEETrans.onControlSystemsTechnology,2015.23(4):1440-1450授权发明专利：ZL201410512492.226 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P(r-kr)*t]机器人任务分解协作机器人分组韩法如是人1位装轨速优化位资反馈2(r-)*]机器人242 2.多机器人协同控制三、关键技术与应用多机器人协作高效焊接关键技术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RobotRobot2控MARobetn多机器协作算法人[5, +s,]控制器机器人营棉控剂器4多机器人协作焊接28 三、关键技术与应用3.机器人系统集成与应用汽车零部件机器人自动化柔性制造生产线针对汽车大型零部件智能制造的需求，突破了高速高效精准执行控制关键技术，自主研制了汽车复杂零部件机器人钻孔铆接自动化生产线，成果在北汽集团等得到应用汽车零部件制造汽车零部件制造生产线猫于深度学习的3D模觉环消感扣与控制BE控制力检测合控制 三、关键技术与应用【系统研制】研制出多机器人协同制造生产线控制系统，应用于多个高端装备大型部