機器人換人

是服裝智能制造的必然

中國服裝智能制造聯盟專家組副組長
東華大學教授

聞力生

一，為什么說“機器人換人”是服裝智能制造的必然?

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

2)在人類社會在發展過程中，從石器時代、青銅器時代、鐵器時代、機器時代、電氣時代、自動化時代、網絡化時代、信息化時代、智能化時代發展過程中，我們可以看到參于制造過程中人的比重在不斷地減少降低，以人力為主的制造從應用石頭作為生產工具起，逐步走向機器，自動化機器，自適應、自學習系統機器的時候，人力就必然會逐漸退出制造，人力退出制造即意味著機器人不斷地滲入制造。智能制造真正實現的那一天，也就是人類腦力和體力獲得解放的那一天。

3)為了實現2025年我國進入世界制造強國之列，在“中國制造2025”的十大領域中，發展數控機床和機器人成為一個大的領域，因為實現“中國制造2025”最終的目的是智能制造，而機器人又是實現智能制造最重要環節的設備之一（見圖一）。因此，在智能制造中每使用一個機器人就會替代一個或多個員工。

4)眾所周知，今年爆發的新冠疫情，在往后的歲月將變成社會常態化存在，因此人們減少聚集和接觸也將變成社會常態化存在。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器人替代工廠員工必然是一種趨勢。

圖一  智能制造環節中的機器人

 5)實現少人或無人的服裝生產線、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。在2016年中國服裝智能制造聯盟成立時所制訂的階段任務中，明確規定在“十四五”期間要實現服裝加工智能車間、智能工廠、智能生產。并且還確定了今后研究的關鍵技術：以5G技術、大數據技術、人工智能技術、物聯網技術、云平臺技術賦能智能制造；研究服裝加工設備數字化孿生技術；研究機械手和智能機器人替代人工作業技術；研究“人+智能機器人+智能設備”組成的智能模塊式工位及產線技術；可見其中智能機器人及機械手是最關鍵的設備。

二，機器人組成及其特征

所謂機器人其實是一種自動化的機器，所不同的是這種機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、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性、智能性的自動化機器。各式各樣機器人可以分類如下（見圖二）：

機器人分類

我們服裝制造業感興趣的是民用機器人中的工業機器人，國際標準化組織ISO對工業機器人是這樣定義的：“工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能夠完成各種作業的可編程操作機”。而我國國家標準對工業機器人是這樣定義的：“工業機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機,能搬運材料、工件、或操持工具,用以完成各種作業”。工業機器人常以用途分類有：搬運機器人、噴漆機器人、涂膠機器人、裝配機器人、碼垛機器人、切割機器人、自動牽引車(AGV) 機器人、凈室機器人等等；工業機器人按其控制方式分類有：①點位控制(Point Point)---機器人運動為空間點到點之間的直線運動，不涉及兩點之間的移動軌跡。這種控制方式只在目標點處控制機器人末端執行器的位置和姿態，它的特點是控制方式簡單，適用于上下料等作業；②連續軌跡控制(Continuous  Path)---這種控制方式是機器人運動軌跡可以是空間的任意連續曲線，機器人在空間的整個運動過程都要控制，其末端執行器在空間任何位置都可以控制姿態，這種控制方式在我們服裝3D縫制線跡中常用。

機器人一般由本體、伺服電機、減速機、控制器、傳感器等核心零部件構成，操作系統包括伺服系統、控制系統、視覺系統等。

機器人本體，其臂部一般采用空間鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節(也有稱軸數)，關節個數通常即為機器人的自由度數，見圖三。機器人一般有3～7個關節(即自由度、軸數)，常用4軸(即4個關節、4個自由度)和六軸機器人(即6個關節、6個自由度)， 圖三所示為一個六軸機器人的構成，它有六個關節。六軸機器人有六個自由度，意味著它作6個方面的運動，即本體(1軸)旋轉運動、2軸擺動、3軸擺動、4軸旋轉運動、5軸擺動、6軸圓周運動，見圖四。

圖三  機器人構成(六軸)

圖四　六軸機器人自由度與運動形式

另外我們常見的仿人機器人是將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執行器）和行走部（對于移動機器人）等，看起來和我們人體一樣，仿人機器人一般多為服務機器人，但工業產品制造也少不了它，見圖五(c)。機器人根據其載重量大小，分為重型機械臂機器人，見圖五(a),輕型機械臂機器人(服裝行業常用型)，見圖五(b)。

圖五  工業機器人常見形式

機器人的每個關節都由減速器構成，所以說精密減速器是工業機器人重要的零部件，是工業機器人運動的核心部件，每個關節都要用到不同的減速機產品。工業機器人用的精密減速器通常有五個類別，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，機器人行業應用最廣的主流精密減速機為 RV 減速器、諧波減速器和濾波減速器，三者的市場銷售數量占比約為 40%、40%、20%。 其中，又以RV減速器和諧波減速器是工業機器人最主流的精密減速器。

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

圖六  RV 減速器傳動簡圖

圖七為諧波減速器傳動簡圖，它由兩個滾子組成的發生器H(輸入軸)、漸開線行星柔性齒輪1(輸出軸)和內齒輪2(固定機架)所組成，在帶有滾子的輸入軸作用下， 柔性齒輪上每一點運動為正弦諧波，故稱為諧波減速器；

圖七   諧波減速器傳動簡圖

圖八為濾波減速器結構圖(a)及傳動簡圖(b)，它由漸開線雙聯外齒輪1、3 (均為行星輪)、固定內齒輪2和輸出內齒輪4以及偏心軸H組成，由于此結構具有對運動高次諧波的濾波作用，故稱為濾波減速器；

圖八  濾波減速器結構圖及傳動簡圖

機器人所用RV減速器、諧波減速器和濾波減速器，由于他們傳動比大、傳動效率高、運動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等特點。在關節型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；在關節型機器人中，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，機器人用精密減速器技術一直由美國、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，納博特斯克生產RV減速器，約占60%的份額，哈默納科生產諧波減速器，約占15%的份額。

機器人除了關鍵的關鍵零部件減速器外，其次就是必不可少的關鍵零部件伺服電機，機器人對關節驅動電機的要求非常嚴格，交流伺服電機在工業機器人中得到廣泛應用。伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補充馬達間接變速裝置，它將電壓信號轉化為轉矩和轉速，以驅動控制對象，可使控制速度、位置精度非常準確。

再次還有機器人的零部件是控制器，機器人控制器由機器人控制器硬件和機器人控制器軟件組成。機器人控制器的軟件部分是工業機器人的“心臟”。控制器的主要任務是對機器人的正向運動學、逆向運動學求解，以實現機器人的操作空間坐標和關節空間坐標的相互轉換，完成機器人的軌跡規劃任務，實現高速伺服插補運算、伺服運動控制。

最后，我們還必須知道機器人的技術特征：

機器人的高速—快速移動大于10m/s,加速度大于10g；

機器人的高精—重復定位精度大于10—30μm；

機器人的高載—能在1噸重載下穩定工作(最大可達5噸)；

機器人的高可靠性—平均失效時間大于7萬小時；

機器人的高安全性—無需機器人防護網,可與人協同工作。

 

三，工業機器人的發展與我國現狀

國際上工業機器人的發展，特別像工業機器人最發達的德國、日本與美國,其發展成功離不開三個要素，一是勞動力短缺是工業機器人產業發展的核心原動力；二是強勁的下游需求是工業機器人發展的推進劑；三是國家政府政策的支持與引導是工業機器人發展的強力后盾。

自1954年美國喬治·德沃爾和約瑟夫·恩格爾伯格成立UNIMATION機器人公司，1960年制造出第一臺機器人用于福特汽車制造以來，到今天機器人的研究已經有60多年的歷史，這60多年取得了豐碩的成果，除了機器人在工業、醫學、農業、建筑業、軍事等領域得以廣泛應用以外，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機器人的主要產地，ABB(瑞士)、發那科（日本FANUC）、庫卡（德國KUKA）、安川電機（日本YASKAWA）和川奇重工(日本)這五家企業是工業機器人的五大家族，成為全球主要的工業機器人供貨商，五大家族年工業機器人收入合計要占據全球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的制造戰略形勢下，他們看好中國機器人市場,紛紛到中國投資建廠，研究和生產制造機器人，見表一和表二。

表一   全球機器人五大品牌投資建廠一覽

表二   全球機器人五大品牌的研究方向一覽

我國現狀與日、德兩國工業機器人發展初期極其相似：①人口老齡化加劇，勞動力供給下降而成本攀升，我國勞動力成本已與工業機器人成本相當；②隨著我國人口結構發生變化，下游行業亟需升級，包括工業制造、汽車、3C、金屬加工、家電、食品等行業產線自動化改造和升級需求巨大；③我國提出制造2025 頂層設計及配套文件支持工業機器人發展和產業轉型升級。“天時、地利、人和”，我國工業機器人產業將進入高速發展期。經過十多年特別近幾年來的發展，我國國內著名的機器人品牌公司有：新松機器人、博實股份、天奇股份、廣州數控、埃斯頓及新三板公司有伯朗特、林克曼、拓斯達、珞石等等。其中新松機器人為國內最大的系統集成商，主要從事工業機器人及自動化成套裝備系統的研發、制造。
 
根據2018年統計，我國現在工業機器人應用密度(每萬名職工占有數)只有68臺/萬人，遠遠落后于韓國、新加坡、德國和日本，見圖九。

圖九　工業機器人應用密度對比

經過近幾年努力，我國國產機器人相關零部件生態初步形成，以前生產制造不了的RV減速器和諧波減速器現在已經可以生產制造了。目前國產輕型機械臂80%全部采用國產諧波減速器，正因為如此，輕型機械臂小六軸機器人，銷售價格已經突破 5 萬元一臺套，還有一些廠商殺價突破了 3 萬元，這樣意味著一個機器人成本大致可以替代 2 個工人，所以從這里可以看出機器人未來需求的旺盛。
 
我國工業機器人應用密度從現在68臺/萬人到2020 年將超過200 臺/萬人，根據賽迪顧問預測，未來三年需求量增速將維持在10%以上，2019-2021 年機器人市場規模將分別達到超過382.2億元、422.1 億元、478.8 億元，見圖十。

圖十   我國2017-2022年機器人市場規模

 

四，機器人在服裝制造企業的應用

1）機器人介入服裝縫制的過程

1954年美國發明第一臺機器人用于汽車制造；1964年德國南部的凱爾曼特(KSL)公司發明首臺用于尼龍塔夫綢服裝加工的專用縫紉機器人，該機器人縫制技術獲得的專利屬于KUKA公司；2004年德國又提出“成衣加工自動化”研究課題，該課題采用機器人圍繞一件夾克加工進行自動化加工研究；2012年美國佐治亞洲工學院及一家服裝技術公司共同推出“機器人裁縫”研發計劃，該計劃由五角大樓國防部出資1250萬美元支持，以推出無人全自動服裝加工廠為目標，發展到現在項目加入了人工智能技術、機器人技術、數字化設備制造技術，目前在進一步實踐中；2012年日本發明女性機器人模特，服裝秀場可由機器人模特替代；2012年德國也研發推出ALTIN  RN50型三維雙針鎖式線跡縫紉機器人；從2013年以后，我國蘇州澳拓美盛公司、北京珞石公司、杭州指南車機器人公司、鮑麥克斯公司、特別是上工申貝集團公司收購德國KSL公司等均開始研發和制造服裝加工用機器人，這標志著我國服裝行業進入機器人時代；2018年美國Softwear Automation公司計劃在未來1到2年內在美國推出首條智能自動化T恤生產線，主要使用智能機器人技術和智能縫制設備技術來實現，在智能自動化T恤生產線實現以后,將繼續進軍牛仔褲和襯衫等更復雜的服裝產線；2020年初，日本Mujin機器人初創公司和優衣庫公司合作，發明智能雙臂機器人，這種機器人可以撿起柔軟的T恤衫進行折疊，整齊地把它們放在盒子里運給顧客，實現折疊包裝全智能化自動化。

2）機器人在服裝智能制造中的應用

機器人在服裝工廠和車間的主要服務形式是衣料抓取搬運服務和替代人的操作服務。眾所周知，機器人在服裝制造中如何抓取和精準傳送衣料是一個世界性難題，如果這個問題不解決就談不上機器人換人，經過近幾年的研究創新，現在已經出現了機器人抓取和精準傳送衣料的辦法，見圖十一，例如：圖十一中的(a)機械手抓取輸送模板、(b)機器人吸附衣片在工作臺面移動輸送、(c)工藝固化機器人真空吸附、(d)機器人靜電吸附、(e)臺面氣流移動衣片、(f)機器人靈巧手抓、折、送、(g)機器人協同縫制系統等等。

圖十一   機器人各種抓取、傳送及縫制協同

3）現實少人或無人的服裝智能制造為期不遠

由上可知，在解決機器人抓取和精準傳送衣料以及機器人和縫制機械協同加工時均用到了人工智能AI技術，使機器人成為智能機器人，縫制機械成為智能縫制機械，這樣它們就具備了自感知、自決策、自執行能力，可靠地完成以上任務。如圖十二所示，我們現在服裝制造企業在忙于數字化、網絡化轉型之后，主要忙于智能化和機器人換人。

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器人換人就要實現制造過程模塊化，也就是要打造設計制板模塊、裁剪模塊、縫制模塊、整燙模塊、折疊包裝模塊、倉儲物流模塊，而且這些模塊必需是智能化的。現在智能裁剪模塊、襯衫、T恤、西褲、牛仔褲智能縫制模塊、智能倉儲物流模塊發展較快,可以實現少人或無人生產。還有整燙模塊和折疊包裝模塊，只有在機器人的機器手發展成為智能靈巧手，才有可能實現少人或無人生產。

五，工業機器人今后的發展

根據中國工業機器人市場AMC模型提供，我國工業機器人的發展腳步已經從啟動期向高速發展期發展，并向成熟期展望，見圖十三。

圖十三  中國工業機器人的發展期

工業機器人作為產品，也由一般工業機器人向協作機器人(柔性機器人)和擬人靈巧手方向發展。所謂協作機器人，根據ISO10218-2標準的定義是這樣的：協作機器人（Collaborative Robot）指被設計成可以在協作區域內與人直接進行交互的機器人，見圖十四。

圖十四  協作機器人

協作機器人具有輕巧、安全、易用、成本低、智能性強等特點，現在全球最大的協作機器人公司有丹麥優傲（UNIVERSAL ROBOTS）、日本DENSO WAVE（電裝）機器人公司，我國有珞石（北京）科技有限公司、臺灣達明（Techman Robot）機器人公司、北京鎂伽機器人科技有限公司等。

圖十五　機械手類型

機器人的末端機械手十分重要，機械手通常分為三種等級，即工業夾持器、靈巧手和欠驅動手，見圖十五。大家都知道工業夾持器是最簡單的機械手，主要用在對剛性物件的抓取和傳送； 靈巧手自由度多，要用多電機控制其運動，它的動作靈巧、能抓取和傳送各種較小柔性物件，適應范圍廣，但由于它機構復雜，所用傳感器也復雜，它要應用多電機控制，其控制程度難、成本高所以其應用又受到極大限制；欠驅動手是不用電機驅動，而引入智能自適應技術，可對各種物件進行抓取和傳送，欠驅動手是當前全球研究創新的前沿技術。服裝制造用機器人機械手也十分重要，沒有它的成功應用，服裝衣料的抓取和傳送實現不了！機器人替代人的操作實現不了！服裝企業實現少人或無人的智能制造也實現不了！