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工业互联网  •  gaosheng  •  发表于12天前  •  22次阅读

科技是推动社会发展核心驱动力,人类社会也随着一轮又一轮的科技革命,逐渐迈向更为智能化的时代。在检验检测行业,人工智能和机器人技术同样是促进产业实现转型升级的有效推动力。

近年来,机器人的核心技术突破明显。以往,传统工业机器人主要依从一系列控制指令完成任务,随着人工智能技术在感知、人机交互、行动控制、智能决策等领域的发展,机器人在也逐步升级。例如通过机器人视觉能够让分拣机器人更的识别,传感系统可以感知周边环境等。

根据国家工信部的统计数据显示,2020年我国工业机器人完成产量237068台,同比增长19.1%;全国规模以上工业机器人制造企业营业收入531.7亿元,同比增长6%,实现利润总额17.7亿元,同比下降26.9%,降幅较去年前三季度收窄24.4个百分点。2020年12月,全国工业机器人完成产量29706台,同比增长32.4%。随着人工智能等先进技术的快速发展,机器人迅速从工业领域向服务行业渗透,服务机器人展现出比工业机器人更为广阔的市场空间。

此外,人工智能也正以的速度向前发展。近期美国的IT和互联网公司都加大了对机器人和人工智能领域的投入,包括Google、FaceBook、微软等跨国企业。我国把“人工智能”一词也写入国了家“十四五”规划纲要。人工智能进入爆发式增长的拐点。

那么,机器人与人工智能与检验检测行业有什么必然联系呢?从发展现状来看,我国的检验检测市场化机制正在形成,国内第三方检测也逐步放开,一切都呈现出键入佳境的趋势。但与此同时,相关人士也发现,检验检测行业的集中度较低,国有、外资、民营检测检测机构三分市场,检验检测行业亟需通过机制改革和技术创新进行资源整合,劳动密集型、自动化、智能化和标准化程度也有待进一步提高。

随着劳动力价格的上涨,中国制造业的“人口红利”正在不断消失,同时,技术进步和产业升级导致“机器”成本逐渐降低,“机器换人”已经成为一种新的发展趋势。SGS等检测机构已经陆续开发了基于机器人的智能化检测系统。利用机器人的优势,可达到极高的效率、精度和一致性,同时有效降低人工操作及人为错误对检测质量和效率的影响。

此外,在劳动强度大,环境恶劣的情况下,智能机器人的使用显得尤为重要。例如在集装箱检验检疫熏蒸处理上,基于智能移动机器人平台能够取代人力完成溴甲烷、磷化氢、乙酸乙酯等熏蒸剂的投放、浓度检测、环境残留检测等工作,把作业人员从有毒有害危险及恶劣的环境中解放出来。

在人工智能与检验检测行业的结合上,人们利用VR、AR、MR等技术形成全新的检验检测培训认证体系。基于人工智能全新模式的检验检测培训认证模式将为检验检测行业带来的发展契机,在观察性学习、操作性学习、社会性学习和研究性学习中都具有广阔的应用前景。广阔的检验检测市场前景更凸显了引领行业走向智能化的必要性,通过智能协作机器人操作提高检测准确度和效率,借助智能化延伸第三方检测的价值链条,为相关行业决策提供第一手生产资料,都将有力促进检验行业的变革和崛起。在未来检验检测互联网大数据时代,要想成为时代的弄潮儿,必须打造“人无我有、领先一步,人有我专、技高一筹”的核心竞争力,才能立于不败之地。

当今检验实验室智能化可选方案、路径大致有三种:

A、任务单一、所用仪器设备品种不多,且有相关仪器设备厂家,提供多种可选的整合系统方案,构建整合型的实验室智能化;

B、由实验室智能化机器人/系统,代替工作人员,按智能化的测试方法、程序、流程,由机器人实现仪器设备运行,构成智能化实验室;

C、AI技术已融合、赋能于所用的仪器设备,由一个人工智能机器人/系统,完全代替工作人员,甚至于代替研究人员、专家,构成和达到完全人工智能化实验室。

机器人一般分为服务类机器人和工业机器人,服务类机器人多指用来服务人类生活需求的机器人,而工业机器人一般是用于生产需求的。本文中的机器人指工业机器人,虽然形态不同外貌各异,却都是实现实验室自动化的非常重要的工具。通常情况我们会用自由度/关节来对机器人进行标记,类同人类的手臂一样,自由度/关节越多,灵活度越好。而在国内实验室中,我们也时常可以看到机器人的身影。在科学仪器领域,也有多家企业推出了不同功能的机器人,我们将举例介绍并进行简要分析。

Tecan的全自动液体处理工作站备注2中使用的液体处理机械臂,是临床中常见的三个自由度的机器人形式,其优点就是高通量移液,一次处理很多样本,甚至可以增加3个机械臂(机械抓手)来提升样品处理速度,可以大幅提高工作效率和移液准确性。

移液机械臂 图片来自:Tecan官网

Thermofisher的SCARA机械臂不同于上图中的机械手只有3个维度的自由度,该SCARA机械臂有4个自由度备注3。值得一提的是该机械臂上配置了视觉部分,可以进行视觉示教,这对于实验员的操作是非常友好的。

Spinnaker 图片来自:Thermofisher 官网

除了少数厂商开发自有的专用机械手外,更多的企业选择使用市面上技术非常成熟的通用型机械手。像前文中提到的机器人研究员,是采用的7轴机器人,机器人的下方是可定位控制柜,该机器人有7个自由度,灵活性非常好,价格也较为昂贵。

岛津前不久也推出了直读/荧光仪自动化系统中使用了通用型机械手备注4。XYZ机械手有三个自由度,这对于实验室中部分流程而言已足够,且性价比较高,可以用于样品在既定位置的搬运、移动等工作。六轴机械手拥有6个自由度,因此拥有很好的灵活度和速度,应用范围也更为广泛,可以完成更为复杂的流程和工作,一般可达速度在2m/s。

六轴机械手 图片来自:岛津官网

XYZ机械手 图片来自:岛津官网

除了分析仪器企业,很多设备集成商也在积极布局实验室机械手。例如去年艾法史密斯在海螺水泥集成的智能实验室,使用六轴机械手完成样品的传送过程,最终完成样品的检测。

海螺水泥智能集成实验中心

Instron的试验机也使用了六轴机械手来组建全自动测试系统。

Instron 的机械臂测试系统 图片来自:Instron 官网

有些机器人已经在不同的领域大放异彩,虽还为应用于实验室,但对于未来的智能实验室拥有很大的应用前景,下面我们来简单举例介绍。

ABB的双臂机器人YuMi,是一款人机协作型机械臂,不同于普通的机器人,该机器人有14个自由度,在协作型机器人中速度很快,也非常灵活。这在未来实验室中处理一些复杂的动作较有优势。

ABB的YuMi 图片来自:ABB官网

并联机器人,俗称蜘蛛手,一般会用来分拣流水线上的产品,配合视觉系统后,蜘蛛手如虎添翼,分拣速度非常快。这款机器人适用于未来第三方检测机构流水线式检测的分拣中,可以大幅减少人工成本。

Fanuc的并联机器人 图片来自:Fanuc官网

大型物流仓库中的满地奔忙的几百个AGV小车,也是当前机器人中炙手可热的类型。类似的传送式机器人已经才部分的第三方检测机构中布局,从仓储、耗材、样品到检测的流程可以全部由这类机器人来完成,准确性和效率都会有大幅提升。实验室内部传统的标本传递一般都由人工搬运,这种方式效率较低,而且需要消耗人力,对于一些TAT时间要求比较短、有频繁的标本传送要求以及空间比较大的实验室,应用智能机器人运送系统则能有效解决这类问题,有利于提高工作效率,保证TAT。智能机器人标本运送系统集中了传感器技术、移动技术、操作控制技术、人工智能等技术,相当具有人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器,通过这些系统感知环境、进行动态决策与规划、实施行为控制与任务执行。

实验室内智能标本运输机器人 图片来源:CGTN

此外,还有水下机器人、倒装机器人、高/低温机器人、食品用机器人等等用于各种行业的各种特殊需求。

高低温实验协作机器人 图片来源:中科院

福特汽车“Robutt”模拟机器人测试座椅耐久度装置,是一款能够模仿人类臀部动作的机器人测试装置,它能代替传统老式的上下移动的气压缸测试设备,可有效的进行相关的座椅寿命耐久性测试项目,它能够完美模拟驾乘人员进出车辆时的运动状态,以及就座时的各种姿势。

“Robutt”依据中等身材男性的臀部尺寸打造,可以模拟大部分驾乘者的体验效果。并且可进行多达25,000次的就座起身动作,以此测试座椅使用10年的损耗程度,整个测试过程仅需3周即可完成。这种频率,对于真人来说是不可能完成的,即使是超人,也得望而却步。

它的工作原理和流程简单来说是这样的:工程师利用一种能够感应压力的特制垫子,分析并确定最适合消费者的坐姿。通过这个压力垫收集的数据,“Robutt”便可模拟最常见的上下车动作和乘坐姿势,测试座椅面料耐磨损程度。福特也表示,该测试已经开始应用于福特汽车在欧洲的所有车型。

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