摘要：随着工业4.0时代的到来，如何将传统工厂改造成为个性化、网络化、柔性生产的智能制造系统成为了当前的研究热点。本文从智能制造系统和智能机器人系统的相似性出发，构建了基于机器人组件技术的智能制造系统，对智能制造系统中各个生产单元进行组件化技术封装，实现了生产组件之间的信息互联和即插即用，通过个性化订单要求对各生产组件在线任务规划，达到柔性生产的目标。此外用多异构机器人模拟各工位生产单位搭建了一个可以根据用户订单生产的小型智能制造实验平台，实验结果验证了本研究构建系统的可行性。

关键词：机器人组件技术；智能制造；工业4.0；物理信息系统

随着物联网技术普及，市场环境也同时发生了变化，特别是对产品个性化、定制化、小批量、多品种的新需求给传统工业带来很多挑战，在很多国家和地区出现了问题，如欧洲正在发生的“工业退化”现象[1]、我国代工厂出现的倒闭潮[2]等。这些问题引起了各国的广泛关注，并纷纷提出适合自身工业发展特点的对策，如德国的“工业4.0计划”、中国的“中国制造2025”、美国“先进制造业国家战略”、日本“机器人新战略”等[3]。虽然对策内容侧重点各有不同，但是有一个共识就是第四次工业革命正在到来。

国外一些大型自动化设备企业走在了工业4.0化的前列，如德国的西门子旗下的安贝格电子制造工厂，是欧洲乃至全球最先进的数字化工厂，被认为最接近工业4.0概念雏形的工厂[4]，利用工业4.0技术使得产品合格率达到了99.998 8%。美国GE公司[5] 作为美国“工业互联网”主导企业，通过一个名为Predix的软件操作平台对GE的数据进行监测分析。该平台负责将各种工业资产设备和供应商相互连接并接入云端，从而为其提供资产性能管理和运营优化服务。

在国内，“中国制造2025”引起了强烈的共鸣，相关领域的大量学者对其开展深入的理论和实践研究。一方面从各个行业角度进行分析，提出工业4.0在不同行业中的现状、发展需求、机遇与挑战，以及研究开发方案。如家具产业[6]、航空制造业[7]、制药业[8]等。另一方面，一些研究者从国家层面出发进行研究，认为中国目前的制造业尚处于2.0到3.0之间[9-10]，不宜冒进否则会流于形式；并提出，我国的工业4.0发展必须站在国家高度充分认识工业4.0的全局性和战略性，充分发挥互联技术在制造业全产业链上的作用，同时重点关注和全面建设制造过程的系统化和标准化，重点提升高端制造业及能源产业。除了理论系统的分析、方案的研究及方针的制定，近年来，国内也建立了几个工业4.0示范生产线，如同济大学的“工业4.0——智能工厂实验室”[11]、沈阳自动化所的“工业4.0示范生产线”[12]等。

从工业4.0的理论研究及实践现状可以看到，工业4.0还有很多的核心问题需要研究，其中如何实现工厂中信息物理系统的建立是一个关键核心问题。工业4.0强调生产单元之间的互联、信息互通及相互协作，根据产品的生产状况对各生产单元进行在线任务规划，这个观点与目前智能机器人系统的研究发展观点一致。从这个角度来看，工业4.0中智能制造系统的设计可以在一定程度上，借鉴智能机器人领域的研究成果。

本文采用机器人组件技术来设计智能制造系统，给出一个面向智能制造系统的组件化系统框架。应用机器人组件技术来实现各种生产设备之间的互联，即插即用。通过异构智能机器人、机器视觉、自主运动规划、任务规划的组件化封装，实现智能制造系统的柔性定制化生产。

1 智能制造系统的组件化设计方法

组件化设计方法是以一种分而治之的思想，将一个大的系统划分为若干很小的组件，这些组件可以单独进行设计制造，然后通过使用严格定义的标准化接口相互连接组成一个完整功能的系统[13]。组件化设计方法对软硬件系统都适用，硬件组件化系统有汽车、太阳能板和风能发电机、电梯等；软件组件化系统更为广泛，如计算机处理系统、手机操作系统、机器人控制系统（如机器人组件系统（RTM）[14]、机器人操作系统（ROS）[15]）等。

组件化系统设计方法具有很多优势，如系统结构清晰、组件重用性好、系统管理方便、系统组建及扩展容易等。当然也有其不足之处，组件化系统在效率性能等方面并不一定是最优的，因为组件的接口、系统管理等都会引入额外的系统开销。比如在组件化技术应用成功的汽车行业就有一些研究者观察到，组件化设计的车辆总体重量，随设计版本更新不断增加的现象。

随着工业4.0化的不断发展，新加工制造工艺的不断创新（如增材制造技术等），有可能将来在一些关键产品上会取代组件化的设计方法。但是在工厂系统的设计与管理方面，组件化的方法依然会保持明显优势。

1.1 智能制造系统的组件构成

如前所述，组件化系统可以有硬件和软件两类，本文主要涉及智能制造系统软件控制系统的组件化设计。首先，一个智能制造系统中的功能组件由两部分组成，即基本组件和功能部分（如图1所示）。其中基本组件包括接口和基本功能。接口是组件间实现通讯的基础，为了实现各种通讯模式，组件支持多种接口，如单向发布信息的数据接口、提供双向通信的服务接口等。基本功能包括一些对组件的运行状态控制所需要的通用功能，如组件初始化、终止、注销、注册等。可以看到，利用基本组件即可以组建一个能够正常运行的组件化系统，而对基本组件进行功能性扩展后即可以组建特定的功能系统。

基本组件一般由组件化系统平台提供，在搭建组件化系统时需要开发者实现的是组件的功能部分。对于智能制造系统的功能组件，其功能部分由属性和服务构成。属性又包括静态和动态属性，静态属性是该组件的一系列不随时间改变的信息，如组件ID号、设备组件的设备型号、仓储组件的容量信息等；动态属性是该组件相关的一些随时间变化的信息，如设备的运行状态及维护状态、仓库的存储状态等。服务是指组件可以提供的一些功能动作服务，如组件属性的查询、修改等。另外一些设备组件可以提供加工服务，仓库组件则可以提供物品出入库服务等。

在对功能部分的属性和服务进行定义时，同样需要使用组件化的思路，尽量抽取一类组件中共性的内容，如设备ID、设备分类等，这些信息能够方便系统对组件的管理。以一类设备组件为例，其属性和服务可以定义如下。

利用各种功能组件即可以构成一个智能制造系统。当然根据不同类型的智能制造系统可有不同功能组件及系统结构，这里只是给出一个示例，如图2所示。

1.2 智能制造系统组件化实施方法

对上述的组件化智能制造系统的实施是一项复杂的软件工程，因此在实际实施阶段采用较为成熟的机器人组件技术系统，实现智能制造系统的组件化平台搭建。目前，机器人组件技术系统有很多[16]，总体的特点大同小异，在具体系统应用方面略有差异。经对比，我们选择利用RTM和ROS两种组件化系统组合来搭建我们的智能制造系统。其中，RTM由日本产业技术综合研究提出，是基于CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共对象请求代理体系结构）软总线技术的机器人中间件设计标准；而ROS，是由美国Willow Garage公司专为机器人软件开发所设计出来的一套系统架构，当前ROS的首要设计目标是在机器人研发领域提高代码复用率。选择这两种组件化技术是因为RTM的基本组件功能上更加完善，其在跨平台、分布式构架上有优势；而ROS具有开源资源丰富的特点，在组件功能部分开发上占优势。因此，智能制造系统的开发将采用两种系统结合的方法。

2 基于机器人组件技术的智能制造系统演示

下面介绍利用上述的智能制造系统组件化方法搭建的一个小型智能制造系统的实例，并通过定制化产品的加工来对该设计方法做一个定性的验证。

首先如图3（a）所示设定该智能制造系统的产品，它是一个双臂机器人的模型，共有6个关节组成，各个关节之间有活动的卡扣连接，装配后具有一定的活动度。为了体现定制化，各个关节的颜色可以由用户设定。因为项目采用增材制造技术，因此，整个系统的输入为用户的订单和3D打印材料，经过加工装配后，即可输出得到产品。

该智能制造系统正常工作流程为：下单→3D打印→打磨→装配，其中零件在工位间的流转由自由移动物流机器人和传送带物流组成；同时由于3D打印速度慢，测试时会将零件预先打印好放在一个仓库中，这样会有一个出入库的动作。整个系统的工厂布局图如图4所示。

2.1 智能制造系统的构架

智能制造系统的组件系统架构，如图5所示。在底层是一些设备组件，它们可以在工厂系统中“即插即用”，并且能够根据不同的制造工艺被重复使用和重新调整。在中间层中，我们搭建了一个内部的云服务器，并开发部署了一系列的功能组件，如人机交互接口、产品货物仓储管理系统、任务规划、虚拟制造，以及大数据采集等。在最上层，是一些更为系统化的组件，如制造执行系统、销售管理系统及设计支持系统等。这些系统组件都是工业生产的关键元素，但是在本文中不对这些大系统进行介绍，而主要对中层的任务规划组件和底层的智能机器人组件进行介绍。

在对各个功能组件进行实现时，其中底层组件使用RTC实现，用于和中层功能组件如任务规划组件间的相互通信协作；而底层组件本身也是由多个子组件组成，如视觉组件、定位导航组件、机械臂路径规划组件等，这些具体的算法组件使用ROS编制而成。

2.2 智能制造系统的核心组件

本智能制造系统包含很多组件，其中核心组件包括任务规划组件、3D打印组件、无示教打磨组件、自动装配组件、流水线组件、移动抓取组件等。我们利用通用智能机器人技术来实现这些组件。各组件的实物图如图6所示。

3 实验演示

本系统实验主要是测试由组件化技术搭建的智能制造系统的运行是否稳定，以及能否达到预期的产品定制的目标。系统的运行场景截图如图7所示。经过多次下订单测试结果显示如下所述。

(1) 将机器人组件技术运用在智能制造系统中的方法是可行的。各组件之间相互调用稳定可靠，数据传输正常。同时，智能机器人技术的在各个加工制造工位的运用大大提高了工厂的柔性程度。

(2) 以太网络的稳定性对系统影响很大。在最初试验中，我们的系统采用普通家用无线网络搭建，导致组件连接由于高延时而不稳定，后改为采用有线网络连接则消除了延时的问题。在将来在实际工业环境下，应该采用如沈阳自动化研究所搭建的智能制造系统示范平台中，使用的工业级别的网络架构。

(3) 因为目前采用的两种组件化技术均为非实时性的组件化技术，无法用于实时性要求高的场合。

4 结束语

本文从工业4.0的核心问题之一的信息互联问题入手，分析了智能机器人组件技术如何运用到智能制造系统的搭建中，通过定义的基本组件和功能部分，给出了智能制造系统的组件化框架。在实践环节，本文设定了该小型智能制造系统的目标产品、功能，组合利用RTM和ROS技术实现了多个智能机器人工位组件和智能制造系统系统。系统运行结果表明，智能机器人技术在智能制造系统搭建过程中同样适用。

本文在实践过程中也有很多不足之处：①提出的智能制造系统组件化框架，还需要进一步完善。后续需深入研究各类组件的特性，定义出一般组件的属性及服务特性。②基于智能机器人技术搭建的智能制造系统，虽然最后的试验结果显示达到了预期的功能效果，但是也仅为定性的分析，未来需要进一步对实时性、鲁棒性等做定量的实验测试。③目前智能制造系统仅处理特定的产品模型，实际上由于采用了3D打印技术，以及智能机器人技术，在将来可以将工厂定制化功能从颜色扩展到不同形状的产品模型。