“机器人换人”是服装智能制造的必然

机器人换人

是服装智能制造的必然

中国服装智能制造联盟专家组副组长
东华大学教授

闻力生

一，为什么说“机器人换人”是服装智能制造的必然?

1)在我国服装制造业面临招工难、用工难的时候，2012年底浙江省率先提出“机器换人、腾笼换鸟、空间换地、电商换市”的四换工程，其中以“机器换人”工程为首，它的意义在于告诉我们：①人口红利时代已经过去，机器人红利时代已经来临；②“机器换人”将成为制造业生产高效、高质、高满意度产品的一种新常态；③“机器换人”要在服装智能制造中延伸为“机器人换人”，使服装企业智能制造达到少人或无人。

2)在人类社会在发展过程中，从石器时代、青铜器时代、铁器时代、机器时代、电气时代、自动化时代、网络化时代、信息化时代、智能化时代发展过程中，我们可以看到参于制造过程中人的比重在不断地减少降低，以人力为主的制造从应用石头作为生产工具起，逐步走向机器，自动化机器，自适应、自学习系统机器的时候，人力就必然会逐渐退出制造，人力退出制造即意味着机器人不断地渗入制造。智能制造真正实现的那一天，也就是人类脑力和体力获得解放的那一天。

3)为了实现2025年我国进入世界制造强国之列，在“中国制造2025”的十大领域中，发展数控机床和机器人成为一个大的领域，因为实现“中国制造2025”最终的目的是智能制造，而机器人又是实现智能制造最重要环节的设备之一（见图一）。因此，在智能制造中每使用一个机器人就会替代一个或多个员工。

4)众所周知，今年爆发的新冠疫情，在往后的岁月将变成社会常态化存在，因此人们减少聚集和接触也将变成社会常态化存在。制造工厂是人最聚集和接触的地方，也因此使用各式各样的机器人替代工厂员工必然是一种趋势。

图一  智能制造环节中的机器人

 5)实现少人或无人的服装生产线、车间、工厂是“十四五”和“十五五”期间服装智能制造的主要任务。在2016年中国服装智能制造联盟成立时所制订的阶段任务中，明确规定在“十四五”期间要实现服装加工智能车间、智能工厂、智能生产。并且还确定了今后研究的关键技术：以5G技术、大数据技术、人工智能技术、物联网技术、云平台技术赋能智能制造；研究服装加工设备数字化孪生技术；研究机械手和智能机器人替代人工作业技术；研究“人+智能机器人+智能设备”组成的智能模块式工位及产线技术；可见其中智能机器人及机械手是最关键的设备。

二，机器人组成及其特征

所谓机器人其实是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力,如具有感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性、智能性的自动化机器。各式各样机器人可以分类如下（见图二）：

机器人分类

我们服装制造业感兴趣的是民用机器人中的工业机器人，国际标准化组织ISO对工业机器人是这样定义的：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”。而我国国家标准对工业机器人是这样定义的：“工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机,能搬运材料、工件、或操持工具,用以完成各种作业”。工业机器人常以用途分类有：搬运机器人、喷漆机器人、涂胶机器人、装配机器人、码垛机器人、切割机器人、自动牵引车(AGV) 机器人、净室机器人等等；工业机器人按其控制方式分类有：①点位控制(Point Point)---机器人运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及两点之间的移动轨迹。这种控制方式只在目标点处控制机器人末端执行器的位置和姿态，它的特点是控制方式简单，适用于上下料等作业；②连续轨迹控制(Continuous  Path)---这种控制方式是机器人运动轨迹可以是空间的任意连续曲线，机器人在空间的整个运动过程都要控制，其末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态，这种控制方式在我们服装3D缝制线迹中常用。

机器人一般由本体、伺服电机、减速机、控制器、传感器等核心零部件构成，操作系统包括伺服系统、控制系统、视觉系统等。

机器人本体，其臂部一般采用空间链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节(也有称轴数)，关节个数通常即为机器人的自由度数，见图三。机器人一般有3～7个关节(即自由度、轴数)，常用4轴(即4个关节、4个自由度)和六轴机器人(即6个关节、6个自由度)， 图三所示为一个六轴机器人的构成，它有六个关节。六轴机器人有六个自由度，意味着它作6个方面的运动，即本体(1轴)旋转运动、2轴摆动、3轴摆动、4轴旋转运动、5轴摆动、6轴圆周运动，见图四。

图三  机器人构成(六轴)

图四　六轴机器人自由度与运动形式

另外我们常见的仿人机器人是将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等，看起来和我们人体一样，仿人机器人一般多为服务机器人，但工业产品制造也少不了它，见图五(c)。机器人根据其载重量大小，分为重型机械臂机器人，见图五(a),轻型机械臂机器人(服装行业常用型)，见图五(b)。

图五  工业机器人常见形式

机器人的每个关节都由减速器构成，所以说精密减速器是工业机器人重要的零部件，是工业机器人运动的核心部件，每个关节都要用到不同的减速机产品。工业机器人用的精密减速器通常有五个类别，即谐波齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、RV减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器五类，在全球范围内，机器人行业应用最广的主流精密减速机为 RV 减速器、谐波减速器和滤波减速器，三者的市场销售数量占比约为 40%、40%、20%。 其中，又以RV减速器和谐波减速器是工业机器人最主流的精密减速器。

图六为RV 减速器传动简图，它由渐开线齿轮1(输入)、 齿轮2和摆线齿轮4、针轮5(与机架7为一体)以及输出盘6所组成；

图六  RV 减速器传动简图

图七为谐波减速器传动简图，它由两个滚子组成的发生器H(输入轴)、渐开线行星柔性齿轮1(输出轴)和内齿轮2(固定机架)所组成，在带有滚子的输入轴作用下， 柔性齿轮上每一点运动为正弦谐波，故称为谐波减速器；

图七   谐波减速器传动简图

图八为滤波减速器结构图(a)及传动简图(b)，它由渐开线双联外齿轮1、3 (均为行星轮)、固定内齿轮2和输出内齿轮4以及偏心轴H组成，由于此结构具有对运动高次谐波的滤波作用，故称为滤波减速器；

图八  滤波减速器结构图及传动简图

机器人所用RV减速器、谐波减速器和滤波减速器，由于他们传动比大、传动效率高、运动精度高、回差小、低振动、刚性大和高可靠性等特点。在关节型机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；在关节型机器人中，谐波减速器和滤波减速器一般放置在小臂、腕部或手部的位置。

长期以来，机器人用精密减速器技术一直由美国、德国、日本、捷克等国家掌控，其中世界75%的精密减速器市场被日本的哈默纳科(HarmonicDrive）和纳博特斯克（Nabtesco）占领，纳博特斯克生产RV减速器，约占60%的份额，哈默纳科生产谐波减速器，约占15%的份额。

机器人除了关键的关键零部件减速器外，其次就是必不可少的关键零部件伺服电机，机器人对关节驱动电机的要求非常严格，交流伺服电机在工业机器人中得到广泛应用。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补充马达间接变速装置，它将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象，可使控制速度、位置精度非常准确。

再次还有机器人的零部件是控制器，机器人控制器由机器人控制器硬件和机器人控制器软件组成。机器人控制器的软件部分是工业机器人的“心脏”。控制器的主要任务是对机器人的正向运动学、逆向运动学求解，以实现机器人的操作空间坐标和关节空间坐标的相互转换，完成机器人的轨迹规划任务，实现高速伺服插补运算、伺服运动控制。

最后，我们还必须知道机器人的技术特征：

机器人的高速—快速移动大于10m/s,加速度大于10g；

机器人的高精—重复定位精度大于10—30μm；

机器人的高载—能在1吨重载下稳定工作(最大可达5吨)；

机器人的高可靠性—平均失效时间大于7万小时；

机器人的高安全性—无需机器人防护网,可与人协同工作。

 

三，工业机器人的发展与我国现状

国际上工业机器人的发展，特别像工业机器人最发达的德国、日本与美国,其发展成功离不开三个要素，一是劳动力短缺是工业机器人产业发展的核心原动力；二是强劲的下游需求是工业机器人发展的推进剂；三是国家政府政策的支持与引导是工业机器人发展的强力后盾。

自1954年美国乔治·德沃尔和约瑟夫·恩格尔伯格成立UNIMATION机器人公司，1960年制造出第一台机器人用于福特汽车制造以来，到今天机器人的研究已经有60多年的历史，这60多年取得了丰硕的成果，除了机器人在工业、医学、农业、建筑业、军事等领域得以广泛应用以外，还在全球形成了著名的国际品牌。如今在全球日本和欧洲是工业机器人的主要产地，ABB(瑞士)、发那科（日本FANUC）、库卡（德国KUKA）、安川电机（日本YASKAWA）和川奇重工(日本)这五家企业是工业机器人的五大家族，成为全球主要的工业机器人供货商，五大家族年工业机器人收入合计要占据全球50%以上的市场份额。除此之外国际上还有著名的科马、徕斯等品牌。在我国改革开放形势下，特别是中国制造2025的制造战略形势下，他们看好中国机器人市场,纷纷到中国投资建厂，研究和生产制造机器人，见表一和表二。

表一   全球机器人五大品牌投资建厂一览

表二   全球机器人五大品牌的研究方向一览

我国现状与日、德两国工业机器人发展初期极其相似：①人口老龄化加剧，劳动力供给下降而成本攀升，我国劳动力成本已与工业机器人成本相当；②随着我国人口结构发生变化，下游行业亟需升级，包括工业制造、汽车、3C、金属加工、家电、食品等行业产线自动化改造和升级需求巨大；③我国提出制造2025 顶层设计及配套文件支持工业机器人发展和产业转型升级。“天时、地利、人和”，我国工业机器人产业将进入高速发展期。经过十多年特别近几年来的发展，我国国内著名的机器人品牌公司有：新松机器人、博实股份、天奇股份、广州数控、埃斯顿及新三板公司有伯朗特、林克曼、拓斯达、珞石等等。其中新松机器人为国内最大的系统集成商，主要从事工业机器人及自动化成套装备系统的研发、制造。
 
根据2018年统计，我国现在工业机器人应用密度(每万名职工占有数)只有68台/万人，远远落后于韩国、新加坡、德国和日本，见图九。

图九　工业机器人应用密度对比

经过近几年努力，我国国产机器人相关零部件生态初步形成，以前生产制造不了的RV减速器和谐波减速器现在已经可以生产制造了。目前国产轻型机械臂80%全部采用国产谐波减速器，正因为如此，轻型机械臂小六轴机器人，销售价格已经突破 5 万元一台套，还有一些厂商杀价突破了 3 万元，这样意味着一个机器人成本大致可以替代 2 个工人，所以从这里可以看出机器人未来需求的旺盛。
 
我国工业机器人应用密度从现在68台/万人到2020 年将超过200 台/万人，根据赛迪顾问预测，未来三年需求量增速将维持在10%以上，2019-2021 年机器人市场规模将分别达到超过382.2亿元、422.1 亿元、478.8 亿元，见图十。

图十   我国2017-2022年机器人市场规模

 

四，机器人在服装制造企业的应用

1）机器人介入服装缝制的过程

1954年美国发明第一台机器人用于汽车制造；1964年德国南部的凯尔曼特(KSL)公司发明首台用于尼龙塔夫绸服装加工的专用缝纫机器人，该机器人缝制技术获得的专利属于KUKA公司；2004年德国又提出“成衣加工自动化”研究课题，该课题采用机器人围绕一件夹克加工进行自动化加工研究；2012年美国佐治亚洲工学院及一家服装技术公司共同推出“机器人裁缝”研发计划，该计划由五角大楼国防部出资1250万美元支持，以推出无人全自动服装加工厂为目标，发展到现在项目加入了人工智能技术、机器人技术、数字化设备制造技术，目前在进一步实践中；2012年日本发明女性机器人模特，服装秀场可由机器人模特替代；2012年德国也研发推出ALTIN  RN50型三维双针锁式线迹缝纫机器人；从2013年以后，我国苏州澳拓美盛公司、北京珞石公司、杭州指南车机器人公司、鲍麦克斯公司、特别是上工申贝集团公司收购德国KSL公司等均开始研发和制造服装加工用机器人，这标志着我国服装行业进入机器人时代；2018年美国Softwear Automation公司计划在未来1到2年内在美国推出首条智能自动化T恤生产线，主要使用智能机器人技术和智能缝制设备技术来实现，在智能自动化T恤生产线实现以后,将继续进军牛仔裤和衬衫等更复杂的服装产线；2020年初，日本Mujin机器人初创公司和优衣库公司合作，发明智能双臂机器人，这种机器人可以捡起柔软的T恤衫进行折叠，整齐地把它们放在盒子里运给顾客，实现折叠包装全智能化自动化。

2）机器人在服装智能制造中的应用

机器人在服装工厂和车间的主要服务形式是衣料抓取搬运服务和替代人的操作服务。众所周知，机器人在服装制造中如何抓取和精准传送衣料是一个世界性难题，如果这个问题不解决就谈不上机器人换人，经过近几年的研究创新，现在已经出现了机器人抓取和精准传送衣料的办法，见图十一，例如：图十一中的(a)机械手抓取输送模板、(b)机器人吸附衣片在工作台面移动输送、(c)工艺固化机器人真空吸附、(d)机器人静电吸附、(e)台面气流移动衣片、(f)机器人灵巧手抓、折、送、(g)机器人协同缝制系统等等。

图十一   机器人各种抓取、传送及缝制协同

3）现实少人或无人的服装智能制造为期不远

由上可知，在解决机器人抓取和精准传送衣料以及机器人和缝制机械协同加工时均用到了人工智能AI技术，使机器人成为智能机器人，缝制机械成为智能缝制机械，这样它们就具备了自感知、自决策、自执行能力，可靠地完成以上任务。如图十二所示，我们现在服装制造企业在忙于数字化、网络化转型之后，主要忙于智能化和机器人换人。

图十二  服装制造的智能缝制单元集成

 

我常说要能够完成机器人换人就要实现制造过程模块化，也就是要打造设计制板模块、裁剪模块、缝制模块、整烫模块、折叠包装模块、仓储物流模块，而且这些模块必需是智能化的。现在智能裁剪模块、衬衫、T恤、西裤、牛仔裤智能缝制模块、智能仓储物流模块发展较快,可以实现少人或无人生产。还有整烫模块和折叠包装模块，只有在机器人的机器手发展成为智能灵巧手，才有可能实现少人或无人生产。

五，工业机器人今后的发展

根据中国工业机器人市场AMC模型提供，我国工业机器人的发展脚步已经从启动期向高速发展期发展，并向成熟期展望，见图十三。

图十三  中国工业机器人的发展期

工业机器人作为产品，也由一般工业机器人向协作机器人(柔性机器人)和拟人灵巧手方向发展。所谓协作机器人，根据ISO10218-2标准的定义是这样的：协作机器人（Collaborative Robot）指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人，见图十四。

图十四  协作机器人

协作机器人具有轻巧、安全、易用、成本低、智能性强等特点，现在全球最大的协作机器人公司有丹麦优傲（UNIVERSAL ROBOTS）、日本DENSO WAVE（电装）机器人公司，我国有珞石（北京）科技有限公司、台湾达明（Techman Robot）机器人公司、北京镁伽机器人科技有限公司等。

图十五　机械手类型

机器人的末端机械手十分重要，机械手通常分为三种等级，即工业夹持器、灵巧手和欠驱动手，见图十五。大家都知道工业夹持器是最简单的机械手，主要用在对刚性物件的抓取和传送； 灵巧手自由度多，要用多电机控制其运动，它的动作灵巧、能抓取和传送各种较小柔性物件，适应范围广，但由于它机构复杂，所用传感器也复杂，它要应用多电机控制，其控制程度难、成本高所以其应用又受到极大限制；欠驱动手是不用电机驱动，而引入智能自适应技术，可对各种物件进行抓取和传送，欠驱动手是当前全球研究创新的前沿技术。服装制造用机器人机械手也十分重要，没有它的成功应用，服装衣料的抓取和传送实现不了！机器人替代人的操作实现不了！服装企业实现少人或无人的智能制造也实现不了！