【ZiDongHua 之技術(shù)文章區(qū)收錄關(guān)鍵詞：智能制造 機(jī)器人 機(jī)器人抓手 服裝行業(yè) 中國服裝智能制造聯(lián)盟 服裝制造業(yè) 機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 】

 

 

　　中國服裝智能制造聯(lián)盟專家組副組長

 

 

　　東華大學(xué)教授   聞力生

 

　　一、我國機(jī)器人及其抓手的發(fā)展

 

　　2021年底我國工信部等十五個部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出兩個發(fā)展指標(biāo)，一是到2025年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入年均增長速度要超過20%，二是制造業(yè)機(jī)器人密度要翻倍增長。2021年我國機(jī)器人總產(chǎn)量見圖一，其中工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)達(dá)到36.6萬臺；據(jù)斯坦福2023年人工智能指數(shù)報告中說，2021年，中國安裝的機(jī)器人總數(shù)達(dá)到268萬臺，安裝量占全球的51.8％以上，超過了全球其他國家和地區(qū)的總和，見圖二。在2022年世界智能制造大會上，我國工信部負(fù)責(zé)人表示，十年來，由于我國深入實(shí)施智能制造工程，智能制造應(yīng)用規(guī)模和水平已進(jìn)入全球領(lǐng)先行列，我國制造業(yè)機(jī)器人密度增長約13倍，2022年底已經(jīng)達(dá)到每萬名工人322臺，穩(wěn)居全球前列。

 

 

　　圖一   2021年我國機(jī)器人總產(chǎn)量

 

　　

 

　　圖二   2021年我國機(jī)器人裝機(jī)總量

 

　　我們曾經(jīng)說過，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)由上、中、下游企業(yè)構(gòu)成，上游為機(jī)器人用零部件企業(yè);中游為機(jī)器人本體制造企業(yè)；下游為機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)，見圖三。在上游為機(jī)器人用零部件企業(yè)中有一個獨(dú)特的零部件是末端執(zhí)行器，這個末端執(zhí)行器又叫機(jī)器人抓手，也叫機(jī)器人夾持器。

 

　　

 

　　圖三   機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與機(jī)器人抓手(末端執(zhí)行器或夾持器)機(jī)器人抓手是機(jī)器人自動化系統(tǒng)不可或缺的組成部分，它安裝于機(jī)器人手臂，用于直接抓握工件或者執(zhí)行自動化加工作業(yè)。因此，在服裝制造業(yè)要實(shí)現(xiàn)智能制造，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人換人工程就必需要抓緊對機(jī)器人抓手的研制與應(yīng)用，沒有好的機(jī)器人抓手適應(yīng)服裝加工的需要，那就實(shí)現(xiàn)不了服裝制造業(yè)的智能制造。

 

　　機(jī)器人抓手常用的分類方法有:

 

　?。?）按照抓手夾持形式分類---有內(nèi)撐式抓手、外夾持式抓手和內(nèi)外夾持式抓手，見圖四；圖片

 

 

　　圖四   機(jī)器人抓手夾持形式

 

　　（2）按照驅(qū)動方式分類---有液壓式驅(qū)動抓手、有氣動式驅(qū)動抓手和電動式驅(qū)動抓手，見圖五；圖片

 

　　圖五   機(jī)器人抓手照驅(qū)動方式

 

　?。?）按照形態(tài)特征分類---按照形態(tài)特征的不同，機(jī)器人抓手主要可分為無指抓手和仿人手抓手等；無指抓手主要指的是各種吸盤，按照工作原理的不同，吸盤又可分為磁力吸盤、真空吸盤、靜電吸盤和范德華力吸盤等，見圖六；仿人手抓手，也就是模仿人類手部的抓取能力，像人手一樣具有手指，可以執(zhí)行更精細(xì)的動作。根據(jù)手指數(shù)量分類，可分為二指抓手、三指抓手、四指抓手、五指抓手等。其中，二指抓手應(yīng)用較多；當(dāng)二指抓手不適合處理工件時，三指、四指以及五指抓手可以提供更好的抓取支持和穩(wěn)定性，見圖七；（4）按照功能用途分類---機(jī)器人抓手主要可分為：搬運(yùn)用抓手、加工用抓手、測量用抓手等等；目前，我國大陸地區(qū)的機(jī)器人抓手企業(yè)近50家,比較具有代表性的企業(yè)包括：北京軟體機(jī)器人科技（SRT）、柔觸機(jī)器人、知行機(jī)器人、大寰機(jī)器人、慧靈科技、鈞舵機(jī)器人、因時機(jī)器人、希瑞格機(jī)器人、增廣智能、易爪機(jī)器人、領(lǐng)航機(jī)器人等等。

 

　　二、服裝制造業(yè)智能制造

 

　　應(yīng)用機(jī)器人及其抓手的場景

 

　　機(jī)器人抓手的研究水平在不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對服裝衣片的抓取和傳送。針對衣物等柔軟物品的抓取，常用的方法是采用靈活性好、接觸面積大、摩擦力小的氣動或者電動柔性抓手。同時，在控制方面也需要考慮到多點(diǎn)觸控和變形感知等問題。另外，為了保證精準(zhǔn)傳送，還需要結(jié)合視覺識別技術(shù)來定位并精確操作。目前許多工業(yè)機(jī)器人都已經(jīng)配備了視覺系統(tǒng)，并且能夠通過學(xué)習(xí)算法自主地分辨出不同類的服裝并進(jìn)行相應(yīng)處理。在服裝制造領(lǐng)域，通常需要進(jìn)行裁剪、縫紉、測量和折疊等任務(wù)，由于這些任務(wù)需要高度的靈活性和精準(zhǔn)度，因此傳統(tǒng)的自動化設(shè)備無法完全替代人工操作，但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與成本的降低，在近年來出現(xiàn)了越來越多適用于服裝制造業(yè)場景的智能機(jī)器人系統(tǒng)。例如，很多服裝企業(yè)的智能制造生產(chǎn)線，使用多臂式機(jī)器人協(xié)助進(jìn)行布料切割和縫紉加工，并配合視覺識別系統(tǒng)以完成各種復(fù)雜處理操作。目前服裝制造業(yè)應(yīng)用各種機(jī)器人及其抓手的場景在服裝加工制造各個階段都有應(yīng)用，見圖八至圖十二，因?yàn)榉b加工各個階段大家比較熟悉，此處不作詳說。

 

　　由以上服裝制造業(yè)應(yīng)用機(jī)器人的場景可見：大多數(shù)應(yīng)用場景都是4軸和6軸普通通用型工業(yè)機(jī)器人以及AGV，很少有人形機(jī)器人的應(yīng)用；機(jī)器人抓手成功應(yīng)用的場合較少，特別是縫制和整燙階段應(yīng)用很少；機(jī)器人抓手還沒有與人手一樣的靈巧手應(yīng)用；機(jī)器人換人在服裝制造業(yè)的一些場合需要自主決策的人形機(jī)器人也沒有，因此發(fā)展人形機(jī)器人及其靈巧手特別重要。

 

　　三、人形機(jī)器人及其靈巧手發(fā)展最重要

 

　　多指靈巧手從結(jié)構(gòu)和功能上模仿人手，可以實(shí)現(xiàn)對多種物體的靈巧操作和精確的力控制，適用于在危險、復(fù)雜及非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成各種靈活、復(fù)雜、精準(zhǔn)的操作任務(wù)；由于人類的雙手非常靈巧，能執(zhí)行各種復(fù)雜、靈活、精準(zhǔn)的抓取操作，因此模仿人手的多指靈巧手，是機(jī)器人抓手的重點(diǎn)研究和發(fā)展方向之一，圖十三為日本MUJIN 機(jī)器 人公司研制的人形機(jī)器人靈巧手，他能完成衣片精準(zhǔn)的抓、折、送、操作等等。

 

　　這個機(jī)器人靈巧手可以抓取衣片進(jìn)行縫紉加工，主要依靠一些高級技術(shù)和算法支持，能夠具有自主學(xué)習(xí)能力的機(jī)器人，能夠像縫紉工一樣處理各種形狀、大小和材質(zhì)的布料。如何確保機(jī)器人靈巧手在對布料進(jìn)行抓取時不會損壞它們，通常采用柔性抓手等設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)柔和而可靠的抓握操作，并結(jié)合視覺技術(shù)來指導(dǎo)準(zhǔn)確地定位布料上的模式和線跡。同時，在運(yùn)動控制方面也需要考慮到避免阻塞、交叉或撕裂等問題，因此需要使用先進(jìn)的路徑規(guī)劃和反饋控制算法以確保精準(zhǔn)且安全地完成任務(wù)。

 

　　德國雄克（Schunk）公司是全球機(jī)器人抓手著名生產(chǎn)廠家之一，其生產(chǎn)的機(jī)器人抓手種類有1250多種 ，位居全球第一。雄克公司機(jī)器人抓手產(chǎn)品線包括：二指抓手、三指抓手、四指抓手、五指抓手、并聯(lián)式抓手、眼科手術(shù)用抓手等，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化生產(chǎn)線、物流領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、電子裝配等行業(yè)。他在2023年5月研發(fā)推出了人類仿真五指機(jī)械手VHS，作為全球首款人機(jī)協(xié)作（HRC）機(jī)械手，引起業(yè)界轟動，成為靈活抓取產(chǎn)品 領(lǐng)域的標(biāo)志性力作。SVH五指機(jī)械手目前已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，分為左手和右手兩個版本，使得機(jī)械手能夠在技術(shù)范圍內(nèi)重復(fù)人類用雙手執(zhí)行的操作，SVH五指機(jī)械手能拾取地上一根縫針，見圖十四。

 

　　2023 年英國Shawaow Robot公司推出了Shadow Dexterous Hand系列仿人靈巧手。其中，標(biāo)準(zhǔn)版本的五指靈巧手，擁有和人手同等數(shù)量的24個關(guān)節(jié)（包括腕部），并擁有20個可單獨(dú)控制的自由度，完全基于人手的運(yùn)動方式進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，可以使其做出與人手類似的動作。Shadow靈巧手還具備129個內(nèi)置傳感器，可以對環(huán)境進(jìn)行觸覺感應(yīng)。這意味著，當(dāng)操作者帶上觸覺手套，操控靈巧手進(jìn)行動作時，手套能夠?qū)㈧`巧手受到的力反饋回來，讓操作者能夠輕易地掌握力的大小、方向和距離。

 

　　2023 年5月美國MIT最新研究讓機(jī)械手輕輕一抓就能識別物體，別看它只有三，手指頭，僅需要抓握一次，這只機(jī)械手就能識別出手中的物體是什么，準(zhǔn)確率可達(dá)85%！手指集成了多個高分辨率傳感器，使用攝像頭和LED來收集物體形狀的視覺信息，沿著手指提供連續(xù)感應(yīng)，一次抓取后就能識別物體，小手一握，盡在掌握，見圖十五。

 

　　另外，美國RightHand Robotics、意大利QB Robotics、韓國Wonik Robotics等等廠商同樣也推出了各自的仿人多指靈巧手產(chǎn)品。

 

　　我國有許多企業(yè)和大學(xué)正在研究機(jī)器人靈巧手：思靈機(jī)器人推出了Dexterity Hand仿人型五指智能靈巧手，采用高度集成化設(shè)計(jì)，由4個模塊化的手指和1個具有主動對掌功能的拇指組成，每個手指有一個獨(dú)立自由度和兩個耦合自由度，所有的驅(qū)動、傳動、傳感及電氣模塊均集成在手上，具有集成化、模塊化、數(shù)字化以及實(shí)時控制等特點(diǎn)。每個手指可獨(dú)立進(jìn)行控制，完成靈活、精細(xì)的抓取操作，在功能上與人手相媲美，主要面向服務(wù)、康復(fù)理療、危險環(huán)境作業(yè)、空間探索等應(yīng)用場景；因時機(jī)器人推出的仿人五指靈巧手，單手具有6個自由度和12個運(yùn)動關(guān)節(jié)，五指可靈活快速運(yùn)動，結(jié)合力位混合控制算法，具有亞毫米級定位精度和數(shù)千克的負(fù)載能力，可以模擬人手實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取操作，產(chǎn)品適用于人形機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種機(jī)器人及假肢等；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIT）與德國航天航空中心（DLR）合作研發(fā)了機(jī)器人仿人靈巧手HIT/DLR Hand和HIT/DLR Hand II。其中，HIT/DLR Hand II有5個手指，每個手指有3個自由度，4個關(guān)節(jié)，所有的驅(qū)動、傳動、傳感及電氣模塊均集成在靈巧手手指和手掌中。它不僅可以安裝在機(jī)器人手臂上，在復(fù)雜、危險的太空環(huán)境中完成精確操作，從而代替宇航員長時間在危險環(huán)境中完成維修、安裝等工作，還可以集成于地面機(jī)器人，在核、生、化等危險環(huán)境中從事探測、取樣、裝配、 修理作業(yè)等；此外，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)、東華大學(xué)等國內(nèi)高校也在靈巧手指方面開展了研究，并取得相應(yīng)成果，其中東華大學(xué)離子皮膚指尖，它能夠?qū)崿F(xiàn)類似于人類指尖皮膚的觸覺感知，除了識別物體形狀外，它還能夠摸出物體表面不同的紋理和材質(zhì)、還能檢測大氣變化！離子皮膚是一種超軟的觸覺傳感器，能夠幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類似于人類的觸覺感知，見圖十六。

 

　　機(jī)器人靈巧手的運(yùn)動控制系統(tǒng)有以下幾種：位置控制--通過測量和調(diào)整每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在三維空間中的精確定位和移動；動力學(xué)控制--根據(jù)物體的質(zhì)量、慣性和摩擦等特性，計(jì)算各個關(guān)節(jié)所需施加的力矩或扭矩，以達(dá)到穩(wěn)定和平滑的動作；觸覺反饋--使用傳感器檢測機(jī)器人手指與環(huán)境之間發(fā)生的接觸壓力、形變等信息，并將這些數(shù)據(jù)用于自適應(yīng)調(diào)整機(jī)器人手部姿態(tài)和操作效果；視覺引導(dǎo)控制--利用相機(jī)或其他視覺傳感設(shè)備捕捉周圍環(huán)境圖像，并結(jié)合模型預(yù)測、目標(biāo)跟蹤、二維/三維映射等技術(shù)進(jìn)行決策分析，幫助完成復(fù)雜任務(wù)；深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制--基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程，在正反饋及負(fù)反饋不斷調(diào)整下提升程序行為優(yōu)化能力。

 

　　當(dāng)然從當(dāng)前看，靈巧手大多還處于研究階段，服裝制造業(yè)真正落地的應(yīng)用還較少？這是因?yàn)椋海?）靈活度目前還比較有限，靈巧手的自由度一旦增加，對于控制算法、可靠性和成本都提出了很高的要求；（2）尚須確保使用安全性。當(dāng)靈巧手去觸碰物體的時候，要確保不會傷害到物體，也不會對自身造成損壞；（3）對傳感器的要求和依賴度高。靈巧手對各種環(huán)境和物體的適應(yīng)性，需要依賴豐富的傳感器信息，對于傳感器的體積、精度、響應(yīng)和成本都提出了很高的要求；（4）尚需進(jìn)一步使機(jī)器人智能化，一是要將靈巧手與人形機(jī)器人結(jié)合；二是要將機(jī)器人抓手與智能傳感、機(jī)器視覺和人工智能等技術(shù)相結(jié)合，使其能夠自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)不同場景，成為自主決策機(jī)器人或者叫具身智能機(jī)器人。適用于人機(jī)協(xié)作及靈活的抓取任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)可控的抓取動作和加工作業(yè)。圖十七是波士頓自主決策人形機(jī)器人，說他自主決策主要表現(xiàn)在用智能靈巧手抓取木板，用木板搭橋便于自已行走。

 

　　人形機(jī)器人是從對話機(jī)器人ChatGPT推出以后發(fā)展起來的，人形機(jī)器人賦予ChatGPT“身體”，現(xiàn)在人形機(jī)器人已開始“探路”智能制造，這是代表著人形機(jī)器人已走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，之所以把機(jī)器人做成人形，就是為了使機(jī)器人的執(zhí)行能力更加通用。機(jī)器人上游零部件隨著協(xié)作機(jī)械臂的快速發(fā)展，促進(jìn)了人形機(jī)器人硬件本體制造能力的提升；大模型的出現(xiàn)，會從語音、視覺、決策、控制等多方面實(shí)現(xiàn)同人形機(jī)器人的結(jié)合，形成感知、決策、控制閉環(huán)。

 

　　今年以來，ChatGPT類大語言模型熱門，使AI大模型+人形機(jī)器人研制進(jìn)程加速。人形機(jī)器人是通用人工智能AGI的“物理載體”，通過人形機(jī)器人讓ChatGPT擁有“物理身體”，從而打破虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的邊界。人形機(jī)器人作為一種多功能通用型機(jī)器人平臺，能更好地適應(yīng)人類生產(chǎn)和生活環(huán)境、使用人類工具、與人的交互也更加自然，是AI全棧技術(shù)的最佳載體。未來人類對人形機(jī)器人的需求量會逐步增大，也期待人形機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用到智能制造中，成為未來生產(chǎn)力，未來人形機(jī)器人在工廠擰螺絲也會成為平常事。

 

　　以前國內(nèi)認(rèn)知的機(jī)器人一直是工業(yè)機(jī)器人，它對國民經(jīng)濟(jì)確實(shí)是非常重要的構(gòu)成，但從機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，人形機(jī)器人是終極目標(biāo)。近年波士頓動力人形機(jī)器人“阿特拉斯”、特斯拉人形機(jī)器人“擎天柱”Optimus相繼推出，可以認(rèn)為，把機(jī)器人做成人形，就是為了使機(jī)器人的執(zhí)行能力更加通用，讓機(jī)器人像人一樣工作。機(jī)器人制造企業(yè)為了研制人形機(jī)器人，目前主要研發(fā)重點(diǎn)是機(jī)器人技術(shù)與人工智能技術(shù)相融合、機(jī)器人的“四肢靈活”、機(jī)器人場景適應(yīng)性、機(jī)器人安全的云腦、機(jī)器人抓手智能化、智能靈巧手等等問題上。

 

　　國際和國內(nèi)在研究人形機(jī)器人方面具有較高知名度的公司有：美國Boston Dynamics--這家公司開發(fā)了許多先進(jìn)的四足和二足機(jī)器人，如Spot、Atlas等；日本SoftBank Robotics--該公司推出了Pepper 和 NAO 等著名的人形服務(wù)機(jī)器人；香港Hanson Robotics--以其創(chuàng)造出擁有復(fù)雜表情與互動能力的Sophia 機(jī)器人而聞名世界；日本Toyota --這家汽車制造商也投入到了人形機(jī)器人領(lǐng)域，研發(fā)T-HR3 用于遠(yuǎn)程協(xié)作等場景；中國深圳UBTECH Robotics-- 這家公司主要生產(chǎn)教育用途和智能服務(wù)領(lǐng)域的Alpha系列及其他款式個體類智能語音助手型雙足走行伴侶型家庭兒童教育應(yīng)用產(chǎn)品等等。

 

　　人形機(jī)器人是一個機(jī)器人系統(tǒng)和通用人工智能系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)，既便宜、又好用，不僅能在制造業(yè)工廠搬東西、加工、裝配零件，還能在農(nóng)村干農(nóng)活，在家里做家務(wù)。人形機(jī)器人未來發(fā)展的一個重要趨勢是越來越接近人類，她不再是冰冷的機(jī)器，她有包括認(rèn)知、情緒、邏輯、動作在內(nèi)的一系列類人化的特征。

 

　　未來的時代是元宇宙時代，是人形機(jī)器人、人、智能機(jī)器共處時代，見圖十八，在這個虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字世界里，不僅可以進(jìn)行社交、娛樂活動，還可以有許多其他應(yīng)用服務(wù)場景，我們要學(xué)會的是共處。

 

　　四、結(jié)　束　語

 

　　服裝制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造要比其它制造業(yè)難得多，之所以難是因?yàn)榉b的加工對象是柔性的布料成衣與衣片，在加工過程中對成衣與衣片的抓取、精準(zhǔn)傳送、鋪平攤開、成衣折疊、智能協(xié)同等作業(yè)等均不是一般自動機(jī)械所能完成的，也不是一般性通用機(jī)器人所能替代的，只有實(shí)現(xiàn)了一個機(jī)器人和智能靈巧手的結(jié)合、一個機(jī)器人系統(tǒng)和通用人工智能系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)誕生，也就是自主決策人形機(jī)器人或者具身智能機(jī)器人的誕生，才能實(shí)現(xiàn)真正的服裝制造業(yè)智能制造。具有智能化靈巧手的機(jī)器人和自主決策人形機(jī)器人是未來的生產(chǎn)力，是實(shí)現(xiàn)少人或無人服裝智能制造工廠的員工，我們要學(xué)會的是和他們共處!