AME服裝智能制造展|東華大學(xué) 聞力生教授 原創(chuàng)文章

為什么服裝制造行業(yè)轉(zhuǎn)型必須以“機(jī)器人換人”的模式進(jìn)行智能制造轉(zhuǎn)型呢？

東華大學(xué)  聞力生教授  《“機(jī)器人換人”是服裝智能制造的必然》文章

將從專業(yè)的維度進(jìn)行全面的解析

1.在我國服裝制造業(yè)面臨招工難、用工難的時(shí)候,2012年底浙江省率先提出“機(jī)器換人、騰籠換鳥、空間換地、電商換市”的四換工程,其中以“機(jī)器換人”工程為首，它的意義在于告訴我們:①人口紅利時(shí)代已經(jīng)過去,機(jī)器人紅利時(shí)代已經(jīng)來臨; ②“機(jī)器換人”將成為制造業(yè)生產(chǎn)高效、高質(zhì)、高滿意度產(chǎn)品的一種新常態(tài);③“機(jī)器換人”要在服裝智能制造中延伸為“機(jī)器人換人”,使服裝企業(yè)智能制造達(dá)到少人或無人。

2.在人類社會(huì)在發(fā)展過程中，從石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、機(jī)器時(shí)代、電氣時(shí)代、自動(dòng)化時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代、信息化時(shí)代、智能化時(shí)代發(fā)展過程中，我們可以看到參于制造過程中人的比重在不斷的減少降低,以人力為主的制造從應(yīng)用石頭作為生產(chǎn)工具起,逐步走向機(jī)器、自動(dòng)化機(jī)器、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)機(jī)器的時(shí)候,人力就必然會(huì)逐漸退出制造,人力退出制造即意味著機(jī)器人不斷的滲入制造。智能制造真正實(shí)現(xiàn)的那一天,也就是人類腦力和體力獲得解放的那一天。

3.為了實(shí)現(xiàn)2025年我國進(jìn)入世界制造強(qiáng)國之列,在“中國制造2025”的十大領(lǐng)域中,發(fā)展數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人成為一個(gè)大的領(lǐng)域,因?yàn)閷?shí)現(xiàn)“中國制造2025”最終的目的是智能制造,而機(jī)器人又是實(shí)現(xiàn)智能制造最重要環(huán)節(jié)的設(shè)備之一,見圖一。因此，在智能制造中每使用一個(gè)機(jī)器人就會(huì)替代一個(gè)或多個(gè)員工。

4.眾所周知,今年爆發(fā)的新冠疫情,在往后的歲月將變成社會(huì)常態(tài)化存在,因此人們減少聚集和接觸也將變成社會(huì)常態(tài)化存在。制造工廠是人最聚集和接觸的地方,也因此使用各式各樣的機(jī)器人替代工廠員工必然是一種趨勢。

圖一  智能制造環(huán)節(jié)中的機(jī)器人

5.實(shí)現(xiàn)少人或無人的服裝生產(chǎn)線、車間、工廠是“十四五”和“十五五”期間服裝智能制造的主要任務(wù)。在2016年中國服裝智能制造聯(lián)盟成立時(shí)所制訂的階段任務(wù)中,明確規(guī)定在“十四五”期間要實(shí)現(xiàn)服裝加工智能車間、智能工廠、智能生產(chǎn)。并且還確定了今后研究的關(guān)鍵技術(shù):以5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)賦能智能制造；研究服裝加工設(shè)備數(shù)字化孿生技術(shù)；研究機(jī)械手和智能機(jī)器人替代人工作業(yè)技術(shù)；研究“人+智能機(jī)器人+智能設(shè)備”組成的智能模塊式工位及產(chǎn)線技術(shù);可見其中智能機(jī)器人及機(jī)械手是最關(guān)鍵的設(shè)備

 所為機(jī)器人其實(shí)是一種自動(dòng)化的機(jī)器,所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或者生物相似的智能能力,如具有感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力,是一種具有高度靈活性、智能性的自動(dòng)化機(jī)器。

各式各樣機(jī)器人可以分類如下,見圖二:

圖二  機(jī)器人分類

我們服裝制造業(yè)感興趣的是民用機(jī)器人中的工業(yè)機(jī)器人,根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對工業(yè)機(jī)器人是這樣定義的:“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能,能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”。而我國國家標(biāo)準(zhǔn)對工業(yè)機(jī)器人是這樣定義的: “工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī),能搬運(yùn)材料、工件、或操持工具,用以完成各種作業(yè)”。

工業(yè)機(jī)器人常以用途分類有: 搬運(yùn)機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、裝配機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、切割機(jī)器人、自動(dòng)牽引車(AGV) 機(jī)器人、凈室機(jī)器人等等; 

工業(yè)機(jī)器人按其控制方式分類有:

①點(diǎn)位控制(Point Point)---機(jī)器人運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng),不涉及兩點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡。這種控制方式只在目標(biāo)點(diǎn)處控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài),它的特點(diǎn)是控制方式簡單,適用于上下料等作業(yè); 

②連續(xù)軌跡控制(Continuous  Path)---這種控制方式是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線, 機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都要控制,其末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài),這種控制方式在我們服裝3D縫制線跡中常用。

   機(jī)器人一般由本體、伺服電機(jī)、減速機(jī)、控制器、傳感器等核心零部件構(gòu)成，操作系統(tǒng)包括伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)等。 機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)(也有稱軸數(shù))，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù),見圖三。

機(jī)器人一般有3～7個(gè)關(guān)節(jié)(即自由度、軸數(shù)),常用4軸(即4個(gè)關(guān)節(jié)、4個(gè)自由度)和六軸機(jī)器人(即6個(gè)關(guān)節(jié)、6個(gè)自由度), 圖三所示為一個(gè)六軸機(jī)器人的構(gòu)成,它有六個(gè)關(guān)節(jié)。六軸機(jī)器人有六個(gè)自由度,意味著它作6個(gè)方面的運(yùn)動(dòng),即本體(1軸)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、2軸擺動(dòng)、3軸擺動(dòng)、4軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、5軸擺動(dòng)、6軸圓周運(yùn)動(dòng)，見圖四。

 

圖四　六軸機(jī)器人自由度與運(yùn)動(dòng)形式

另外我們常見的仿人機(jī)器人是將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動(dòng)機(jī)器人）等,看起來和我們?nèi)梭w一樣,仿人機(jī)器人一般多為服務(wù)機(jī)器人,但工業(yè)產(chǎn)品制造也少不了它,見圖五(c)。機(jī)器人根據(jù)其載重量大小 ,分為重型機(jī)械臂機(jī)器人,見圖五(a),輕型機(jī)械臂機(jī)器人(服裝行業(yè)常用型),見圖五(b)。

 圖五  工業(yè)機(jī)器人常見形式

機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都由減速器構(gòu)成,所以說精密減速器是工業(yè)機(jī)器人最要的零部件，是工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心部件，每個(gè)關(guān)節(jié)都要用到不同的減速機(jī)產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)器人用的精密減速器通常有五個(gè)類別,即諧波齒輪減速器、擺線針輪行星減速器、RV減速器、精密行星減速器和濾波齒輪減速器五類,在全球范圍內(nèi)，機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用最廣的主流精密減速機(jī)為 RV 減速器、諧波減速器和濾波減速器，三者的市場銷售數(shù)量占比約為 40%、40%、20%。 其中，又以RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機(jī)器人最主流的精密減速器。

圖六為RV 減速器傳動(dòng)簡圖,它由漸開線齒輪1(輸入)、 齒輪2和擺線齒輪4、針輪5(與機(jī)架7為一體)以及輸出盤6所組成;

圖七為諧波減速器傳動(dòng)簡圖,它由兩個(gè)滾子組成的發(fā)生器H(輸入軸)、漸開線行星柔性齒輪1(輸出軸)和內(nèi)齒輪2(固定機(jī)架)所組成，在帶有滾子的輸入軸作用下, 柔性齒輪上每一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為正弦諧波,故稱為諧波減速器;

圖七   諧波減速器傳動(dòng)簡圖

圖八為濾波減速器結(jié)構(gòu)圖(a)及傳動(dòng)簡圖(b), 它由漸開線雙聯(lián)外齒輪1、3 (均為行星輪)、固定內(nèi)齒輪2和輸出內(nèi)齒輪4以及偏心軸H組成,由于此結(jié)構(gòu)具有對運(yùn)動(dòng)高次諧波的濾波作用,故稱為濾波減速器;

 圖八  濾波減速器結(jié)構(gòu)圖及傳動(dòng)簡圖

機(jī)器人所用RV減速器、諧波減速器和濾波減速器,由于他們傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)精度高、回差小、低振動(dòng)、剛性大和高可靠性等特點(diǎn)。在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置; 在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，諧波減速器和濾波減速器一般放置在小臂、腕部或手部的位置。

 長期以來，機(jī)器人用精密減速器技術(shù)一直由美國、德國、日本、捷克等國家掌控，其中世界75%的精密減速器市場被日本的哈默納科(HarmonicDrive）和納博特斯克（Nabtesco）占領(lǐng)，納博特斯克生產(chǎn)RV減速器，約占60%的份額，哈默納科生產(chǎn)諧波減速器，約占15%的份額。

機(jī)器人除了關(guān)鍵的關(guān)鍵零部件減速器外,其次就是必不可少的關(guān)鍵零部件伺服電機(jī),機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求非常嚴(yán)格，交流伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)充馬達(dá)間接變速裝置，它將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)控制對象，可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確。 

再次還有機(jī)器人的零部件是控制器,機(jī)器人控制器由機(jī)器人控制器硬件和機(jī)器人控制器軟件組成。機(jī)器人控制器的軟件部分是工業(yè)機(jī)器人的“心臟”。控制器的主要任務(wù)是對機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作空間坐標(biāo)和關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，完成機(jī)器人的軌跡規(guī)劃任務(wù)，實(shí)現(xiàn)高速伺服插補(bǔ)運(yùn)算、伺服運(yùn)動(dòng)控制。 

國際上工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展,特別像工業(yè)機(jī)器人最發(fā)達(dá)的德國、日本與美國,其發(fā)展成功離不開三個(gè)要素,一是勞動(dòng)力短缺是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心原動(dòng)力;二是強(qiáng)勁的下游需求是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的推進(jìn)劑;三是國家政府政策的支持與引導(dǎo)是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的強(qiáng)力后盾。

自1954年美國喬治.德沃爾和約瑟夫.恩格爾伯格成立UNIMATION機(jī)器人公司,1960年制造出第一臺(tái)機(jī)器人用于福特汽車制造以來,到今天機(jī)器人的研究已經(jīng)有60多年的歷史,這60多年取得了豐碩的成果，除了機(jī)器人在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、軍事等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用以外,還在全球形成了著名的國際品牌。

如今在全球日本和歐洲是工業(yè)機(jī)器人的主要產(chǎn)地，ABB(瑞士)、發(fā)那科（日本FANUC）、庫卡（德國KUKA）、安川電機(jī)（日本YASKAWA）和川奇重工(日本)這五家企業(yè)是工業(yè)機(jī)器人的五大家族，成為全球主要的工業(yè)機(jī)器人供貨商，五大家族年工業(yè)機(jī)器人收入合計(jì)要占據(jù)全球50%以上的市場份額。

除此之外國際上還有著名的科馬、徠斯等品牌。在我國改革開放形勢下,特別是中國制造2025的制造戰(zhàn)略形勢下,他們看好中國機(jī)器人市場,紛紛到中國投資建廠,研究和生產(chǎn)制造機(jī)器人,見表一和表二。

 表二   全球機(jī)器人五大品牌的研究方向一覽

我國現(xiàn)狀與日、德兩國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展初期極其相似:

①人口老齡化加劇，勞動(dòng)力供給下降而成本攀升，我國勞動(dòng)力成本已與工業(yè)機(jī)器人成本相當(dāng);

②隨著我國人口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，下游行業(yè)亟需升級，包括工業(yè)制造、汽車、3C、金屬加工、家電、食品等行業(yè)產(chǎn)線自動(dòng)化改造和升級需求巨大;

③我國提出制造2025 頂層設(shè)計(jì)及配套文件支持工業(yè)機(jī)器人發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

“天時(shí)、地利、人和”，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入高速發(fā)展期。經(jīng)過十多年特別近幾年來的發(fā)展,我國國內(nèi)著名的機(jī)器人品牌公司有:新松機(jī)器人、博實(shí)股份、天奇股份、廣州數(shù)控、埃斯頓及新三板公司有伯朗特、林克曼、拓斯達(dá)、珞石等等。其中新松機(jī)器人為國內(nèi)最大的系統(tǒng)集成商，主要從事工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化成套裝備系統(tǒng)的研發(fā)、制造。

根據(jù)2018年統(tǒng)計(jì),我國現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用密度(每萬名職工占有數(shù))只有68臺(tái)/萬人,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于韓國、新加坡、德國和日本,見圖九。

圖九　工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用密度對比

經(jīng)過近幾年努力,我國國產(chǎn)機(jī)器人相關(guān)零部件生態(tài)初步形成,以前生產(chǎn)制造不了的RV 減速器和諧波減速器現(xiàn)在已經(jīng)可以生產(chǎn)制造了。目前國產(chǎn)輕型機(jī)械臂80%全部采用國產(chǎn)諧波減速器，正因?yàn)槿绱?輕型機(jī)械臂小六軸機(jī)器人，銷售價(jià)格已經(jīng)突破 5 萬元一臺(tái)套，還有一些廠商殺價(jià)突破了 3 萬元，這樣意味著一個(gè)機(jī)器人成本大致可以替代 2 個(gè)工人，所以從這里可以看出機(jī)器人未來需求的旺盛。

我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用密度從現(xiàn)在68臺(tái)/萬人到2020 年將超過200 臺(tái)/萬人，根據(jù)賽迪顧問預(yù)測,未來三年需求量增速將維持在10%以上,2019-2021 年機(jī)器人市場規(guī)模將分別達(dá)到超過382.2億元、422.1 億元、478.8 億元,見圖十。

 圖十   我國2017-2022年機(jī)器人市場規(guī)模

機(jī)器人在服裝工廠和車間的主要服務(wù)形式是衣料抓取搬運(yùn)服務(wù)和替代人的操作服務(wù)。眾所周知,機(jī)器人在服裝制造中如何抓取和精準(zhǔn)傳送衣料是一個(gè)世界性難題,如果這個(gè)問題不解決就談不上機(jī)器人換人。

經(jīng)過近幾年的研究創(chuàng)新,現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了機(jī)器人抓取和精準(zhǔn)傳送衣料的辦法,見圖十一,例如:圖十一中的(a)機(jī)械手抓取輸送模板、(b)機(jī)器人吸附衣片在工作臺(tái)面移動(dòng)輸送、(c)工藝固化機(jī)器人真空吸附、(d)機(jī)器人靜電吸附、(e)臺(tái)面氣流移動(dòng)衣片、(f)機(jī)器人靈巧手抓、折、送、 (g)機(jī)器人協(xié)同縫制系統(tǒng)等等。

圖十一   機(jī)器人各種抓取、傳送及縫制協(xié)同

由上可知,在解決機(jī)器人抓取和精準(zhǔn)傳送衣料以及機(jī)器人和縫制機(jī)械協(xié)同加工時(shí)均用到了人工智能AI技術(shù),使機(jī)器人成為智能機(jī)器人,縫制機(jī)械成為智能縫制機(jī)械,這樣它們就具備了自感知、自決策、自執(zhí)行能力，可靠的完成以上任務(wù)。

如圖十二所示,我們現(xiàn)在服裝制造企業(yè)在忙于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型之后,主要忙于智能化和機(jī)器人換人。

 圖十二  服裝制造的智能縫制單元集成

我常說要能夠完成機(jī)器人換人就要實(shí)現(xiàn)制造過程模塊化,也就是要打造設(shè)計(jì)制板模塊、裁剪模塊、縫制模塊、整燙模塊、折疊包裝模塊、倉儲(chǔ)物流模塊，而且這些模塊必須是智能化的。

現(xiàn)在智能裁剪模塊、襯衫、T恤、西褲、牛仔褲智能縫制模塊、智能倉儲(chǔ)物流模塊發(fā)展較快,可以實(shí)現(xiàn)少人或無人生產(chǎn)。還有整燙模塊和折疊包裝模塊,只有在機(jī)器人的機(jī)器手發(fā)展成為智能靈巧手,才有可能實(shí)現(xiàn)少人或無人生產(chǎn)。

根據(jù)中國工業(yè)機(jī)器人市場AMC模型提供,我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展腳步已經(jīng)從啟動(dòng)期向高速發(fā)展期發(fā)展,并向成熟期展望,見圖十三。

 圖十三  中國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展期

工業(yè)機(jī)器人作為產(chǎn)品,也由一般工業(yè)機(jī)器人向協(xié)作機(jī)器人(柔性機(jī)器人)和擬人靈巧手方向發(fā)展。所謂協(xié)作機(jī)器人,根據(jù)ISO10218-2標(biāo)準(zhǔn)的定義是這樣的:協(xié)作機(jī)器人（Collaborative Robot）指被設(shè)計(jì)成可以在協(xié)作區(qū)域內(nèi)與人直接進(jìn)行交互的機(jī)器人,見圖十四。

 圖十四  協(xié)作機(jī)器人

協(xié)作機(jī)器人具有輕巧、安全、易用、成本低、智能性強(qiáng)等特點(diǎn),現(xiàn)在全球最大的協(xié)作機(jī)器人公司有丹麥優(yōu)傲（UNIVERSAL ROBOTS）、日本DENSO WAVE（電裝）機(jī)器人公司,我國有珞石（北京）科技有限公司、臺(tái)灣達(dá)明（Techman Robot）機(jī)器人公司、北京鎂伽機(jī)器人科技有限公司等。

 圖十五　機(jī)械手類型

機(jī)器人的末端機(jī)械手十分重要,機(jī)械手通常分為三種等級,即工業(yè)夾持器、靈巧手和欠驅(qū)動(dòng)手,見圖十五。

大家都知道工業(yè)夾持器是最簡單的機(jī)械手,主要用在對剛性物件的抓取和傳送; 靈巧手自由度多,要用多電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng),它的動(dòng)作靈巧、能抓取和傳送各種較小柔性物件,適應(yīng)范圍廣，但由于它機(jī)構(gòu)復(fù)雜,所用傳感器也復(fù)雜,它要應(yīng)用多電機(jī)控制,其控制程度難、成本高所以其應(yīng)用又受到極大限制; 欠驅(qū)動(dòng)手是不用電機(jī)驅(qū)動(dòng),而引入智能自適應(yīng)技術(shù),可對各種物件進(jìn)行抓取和傳送, 欠驅(qū)動(dòng)手是當(dāng)前全球研究創(chuàng)新的前沿技術(shù)。

服裝制造用機(jī)器人機(jī)械手也十分重要,沒有它的成功應(yīng)用,服裝衣料的抓取和傳送實(shí)現(xiàn)不了!機(jī)器人替代人的操作實(shí)現(xiàn)不了!服裝企業(yè)實(shí)現(xiàn)少人或無人的智能制造也實(shí)現(xiàn)不了!

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 原創(chuàng)