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

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。 ①新材料和制造工艺?仿生机器人?动力和能源④集集群机器人导航和探素 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 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 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 分布式人工智能 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 一、背景意义与难点挑战 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 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 制造缺陷 严重后果 壁厚误差大、应力集中装配间隙大、密封性差 大型复杂部件制造质量是航空装备安全飞行的关键因素 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 制造缺陷 严重后果 受热不均匀，焊接易变形焊缝连接不光顺，未熔合 船体局部强度下降 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 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 制造缺陷 严重后果 焊接裂纹，疲劳失效喷涂不均匀，易侵蚀 车身强度低，易断裂空气阻力大，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 背景意义与难点挑战 大型复杂部件制造任务面临规模大，任务多、精度高等难点 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 背景意义与难点挑战 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 致性差 协同性弱 吸需探索开辟重大装备制造的新模式 背景意义与难点挑战 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》《国家机器人计划2.0》 《地平线2020计划》（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、行动和学习，提升机器人的作业范图 机器人技术相互整合连接使整个系统发挥作用追求更优的机器人行动力和感知力 《中国制造2025》《新一代人工智能发展规划》 《德国工业战略2030》 着眼于群体智能及其在先进制造业中的应用 着眼于智能信息传感与机器人技术 新一代信息技术与制造业深度融合为主线群体智能、自主智能系统为重点发展方向 工业4.0是极其重要的突破性技术掌握工业技术的主导力是未来生存能力的决定性挑战 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 背景意义与难点挑战 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制造过程存在信息孤岛 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 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 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 背景意义与难点挑战 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 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 大规模动态调度与规划 集群机器人协同制造技术将颠覆现有重大装备制造模式！ 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 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 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 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。 三、关键技术与应用 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： (1）完成时间(2)总工作量min r ==1(=1h=)Pi,h,ki,h,A_Pi,,AEi,A,A约束条件：Ci,h Ci,h1 ≥ Pi,h,ki,h,k, h = 2, ...,qi; Vi, kEi,h,k = 1, Vi, h; ai,h, E (0, 1], Vi, h, kkEM(O,^) 三、关键技术与应用 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 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 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 三、关键技术与应用 2.多机器人协同控制 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 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 三、关键技术与应用 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件制造领域 多机器人协同控制软硬件系统 三、关键技术与应用 研制我国首条大型舰船螺旋桨多机器人加工自动化生产线 ”成功应用于6种不同型号螺旋桨加工，加工尺寸误差从0.2%降低到0.14%，加工效率提高31.8%，颠覆了手工作业模式，满足了我国大型舰船螺旋桨自主制造的迫切需求” 三、关键技术与应用 【工程应用2】 研制出大型盾构机零部件多机器人加工自动化生产线 实现盾构机刀盘的自主生产，装配精度提高至0.02mm，合格率达99.98%，打破国外技术断，国内市场占有率第一 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、发展趋势与展望 集群机器人协同制造面临着海量信息实时传算、多模态精准感知、多任务高效协同制造等挑战，需开展关键技术与应用 集群机器人协同制造 面临挑战 ①海量信息实时传算异构数据可靠交互传算资源实时调度 三、发展趋势与展望 关键科学问题 需要解决集群机器人高效传算一体化协同机制、大范围精密测量与分布式特征识别机理、感知-认知-决策-控制协同作业模式三个科学问题 推动集群机器人智能制造理论与技术的快速发展 科学问题一：集群机器人高效传算一体化协同机制 针对重大装备制造中设备动态弹性组网、异构数据可靠交互传算资源实时调度等需求，揭示面向集群机器人协同制造的传算体化机理，实现海量数据实时传输与处理 传输网络高精度时延/抖动控制跨层调度、跨域传输机制 传算资源实时调度 通信资源弹性调度与能效优化任务计算网络构建与高效组网 为重大装备制造高实时高可靠信息传输与计算提供保障 科学问题二：大范围精密测量与分布式特征识别机理 针对制造现场多传感精准感知、大范围协同测量、多尺度特证识别等挑战，构建大范围协同测量和高精度信息融合机制，实现多尺度多自标分布式特征识别与持续学寸习 为重大装备复杂部件制造提供全场景多要素感知信息 科学问题三：感知-认知-决策-控制协同作业模式 针对集群机器人设备多异构、场景高动态、系系统强耦合等特点，建立云制造环境下的感知-认知-决策-控制协同模式，实现集群机器人系统的全链路、强鲁棒、易扩展协同作业 为重大装备复杂部件高效高柔性协同制造提供保障 三发展趋势与展望 复杂制造场景下的新型高性能传算一体化网络架 构建新型高性能传算一体化架构，提出动态协同模态的通信组网理论与方法，实现融合协议特征和信息内涵的异构数据自动分发、云边端多级资源调度，为集群机器人的强实时感知、高灵活规划、自主控制提供网络技术支撑 三、发展趋势与展望 多模态的集群机器人作业精准感知方法 研究动态制造场景下实时环境理解与多模态状态感知方法，阐明多源异构传感器的大范围自主分布式测量和信息融合机制，提出大型复杂部件多尺度多目标检测新方法，建立集群机器人作业精准感知理论与技术体系。 三、发展趋势与展望 集群机器人混合工艺网络化协同制造模式 综合分析重大装备大型复杂部件制造需求，提出异构集群机器人分布式控制架构与多任务自组织协同机制，建立集群机器人混合工艺网络化作业与闭环误差控制模型，有效提升制造系统的柔性和多任务适应能力。 总结与展望 开创面向航空航关、海洋舰船、轨道交通等领域的重大装备制造集群机器人协同作业新模式 预期目标 研制“精准感知一高效传算一动态规划一协同控制集群机器人智能自主控制系统建立井完善集群机器人协同制造基础理论与技术体系在航空航天、海洋舰船、轨道交通等重大装备制造领域推广 推动我国重大装备制造技术的变革和跨越式发展 总结与展望 加速集群机器人系统应用的四大驱动力 1.互操作性 3.智能自主性 是集群机器人系统的技术基础，它能加速信息传输和信息共享，促进集群机器人系统间的相互协作。 将极大提高有人和无人系统相互协作的效率和有