1 工業(yè)機器人技術(shù)概述

　　1.1 工業(yè)機器人的定義與功能特征

　　工業(yè)機器人是一種自動控制、可重新編程的多功能機械設(shè)備，其運動可以由預先編程或?qū)崟r控制來實現(xiàn)，主要用于生產(chǎn)線上的焊接、裝配、搬運、噴涂以及其他制造工序。由于其多軸式設(shè)計，使其能夠執(zhí)行各種復雜的操作，而高精度的傳感器和先進的控制系統(tǒng)則保證了機器人能夠以極高的精確度執(zhí)行每一個程序任務(wù)，并能夠反復地進行相同操作而不出差錯。

　　工業(yè)機器人的核心組成部分主要為控制、機械和傳感三大部分，它們各自涵蓋兩個子系統(tǒng)以增強整體功能。控制部分由人 - 機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，前者提供操作界面，便于用戶編程和監(jiān)控，而控制系統(tǒng)負責解釋用戶指令，動態(tài)管理機器人的行為;機械部分則包括驅(qū)動系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這一部分負責機器人的移動和操縱等物理動作，以確保執(zhí)行具體的生產(chǎn)任務(wù);傳感部分的感受系統(tǒng)賦予機器人感知外部世界的能力，而機器人 - 環(huán)境交互系統(tǒng)則使得機器人能夠根據(jù)環(huán)境變化作出適應(yīng)性反應(yīng)，確保操作的準確性。

　　1.2 工業(yè)機器人的種類及其在家具制造業(yè)中的應(yīng)用場景分析

　　1.2.1 工業(yè)機器人在家具制造中的種類

　　在家具制造過程中，應(yīng)用的工業(yè)機器人按其具體功能分類，包括但不限于搬運機器人、噴涂機器人和打磨機器人等。搬運機器人高效地運輸重型和大件家具部件，減少人工勞動強度和誤差;加工機器人在木材切割、雕刻、鉆孔和打磨等精細加工過程中保證產(chǎn)品高度一致，滿足智能制造家具靈活多變的個性化定制需求;噴涂機器人均勻、快速地噴涂油漆或其他涂料，提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時減少材料浪費和環(huán)境污染;裝配機器人在自動裝配過程中快速、準確地完成螺釘擰緊、膠合和組裝等工序，降低人工裝配的錯誤率;檢測機器人通過視覺和觸覺傳感器進行質(zhì)量檢測，確保產(chǎn)品符合標準;包裝機器人則提高成品包裝的效率和質(zhì)量，減少勞動和材料浪費。

　　1.2.2 工業(yè)機器人在家具制造業(yè)中的主要應(yīng)用場景

　　在家具制造過程中，搬運機器人用于從存儲區(qū)迅速準確地轉(zhuǎn)移原材料到生產(chǎn)線，以及各工段的上下料操作、工序銜接和零部件分揀等，自動導引運輸車(AGV 機器人)加強了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的零部件搬運，優(yōu)化了廠內(nèi)的整體物流輸送。

　　噴涂機器人應(yīng)用于家具的涂裝過程，使每一部分家具都獲得均勻且無瑕疵的涂層，能迅速切換不同的涂料和不同顏色以滿足多樣化的產(chǎn)品需求，減少工人接觸有害物質(zhì)的風險，提高涂裝的效率和精度。

　　在制造以金屬為主材料的家具時，焊接機器人能夠保證焊接的準確性和一致性，在多個不同的角度和位置完成精確焊接，避免工人直接暴露在有害環(huán)境中。

　　裝配機器人主要應(yīng)用于各種制造環(huán)境中的裝配工作，打磨機器人專門用于材料表面的打磨、拋光和修整，碼垛機器人在工業(yè)生產(chǎn)線末端對生產(chǎn)出的產(chǎn)品進行快速準確的分類、堆疊和包裝。

　　2 工業(yè)機器人在家具制造中的技術(shù)短板

　　2.1 高度定制化趨勢下靈活性的局限

　　家具生產(chǎn)工藝繁多，在高度定制化趨勢的推動下，工業(yè)機器人的技術(shù)靈活性經(jīng)受著嚴峻考驗。機器人技術(shù)最初為大規(guī)模標準化生產(chǎn)而設(shè)計，在面對美式家具、定制高端產(chǎn)品和手工雕刻等個性化需求時，效率顯得不足。如生產(chǎn)定制櫥柜時，機器人需要針對不同的尺寸和款式進行復雜的調(diào)整和間隙編程，導致生產(chǎn)成本和時間的增加。同樣，在單件或小批量制造如定制沙發(fā)和特殊書架時，機器人在任務(wù)切換上的低效率限制了其應(yīng)用范圍。對于復雜或不規(guī)則的家具部件，現(xiàn)有機器人在保證精度和處理方面也面臨挑戰(zhàn)。

　　2.2 人機協(xié)作能力的不足

　　在家具制造業(yè)的現(xiàn)代生產(chǎn)線上，工業(yè)機器人的人機協(xié)作能力成為提高效率的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)行的機器人系統(tǒng)在自動化交互界面方面存在缺陷，這限制了操作人員的效率，尤其是那些沒有專業(yè)技術(shù)背景的工人。他們在需要快速調(diào)整機器人路徑或參數(shù)時，往往會遇到不必要的復雜性。此外，機器人在動態(tài)工作環(huán)境中的安全系統(tǒng)也未能達到理想狀態(tài)，在處理重型家具組件時往往缺乏高度靈活和預測性的安全措施，可能給操作人員帶來風險。

　　2.3 信息采集識別技術(shù)的挑戰(zhàn)

　　家具制造業(yè)面臨的材料多樣性對工業(yè)機器人的應(yīng)用提出了更高的要求。工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)中已實現(xiàn)自動化，但對于實木、人造板材、金屬等多種家具材料來說，要求機器人具備高精度的操作能力和靈活的處理策略，該技術(shù)仍處于起步階段。特別是在定制化生產(chǎn)中，機器人在訂購材料和品種調(diào)整相應(yīng)操作步驟上的能力有限。例如，在處理木材和金屬混合的零件時，機器人可能無法準確地區(qū)分兩種材料，并可能采取錯誤的處理方式，導致產(chǎn)品質(zhì)量下降;在加工不同厚度的木材時，機器人需要為硬木和軟木調(diào)整加工壓力和速度，目前的技術(shù)尚未能夠完全滿足這一需求。

　　2.4 智能監(jiān)控與質(zhì)量控制的缺失

　　在家具制造業(yè)質(zhì)量控制至關(guān)重要，需要實時監(jiān)控和及時修正生產(chǎn)過程中的任何差錯，以滿足全面質(zhì)量管理(TQM)的高標準。當前，工業(yè)機器人在這方面的能力有限，特別是在自動均勻噴涂等任務(wù)中，通常缺乏對涂層進行實時檢測和調(diào)整的能力。為實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化，需要將先進的傳感器和圖像識別技術(shù)集成到機器人系統(tǒng)中，但現(xiàn)有的機器人系統(tǒng)在收集和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及優(yōu)化操作方面仍需要進一步的技術(shù)發(fā)展。例如，機器人在連續(xù)切割任務(wù)中應(yīng)能夠自動識別錯誤并調(diào)整參數(shù)以避免重復問題，這對于提升生產(chǎn)效率和維持質(zhì)量一致性至關(guān)重要。

　　3 家具智能制造領(lǐng)域工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用框架的構(gòu)建

　　技術(shù)框架的主要目的是解決上述分析的工業(yè)機器人在家具制造業(yè)的技術(shù)短板問題，具體包括精密操作的局限性、定制化生產(chǎn)的自適應(yīng)性問題，以及提高生產(chǎn)效率和控制成本的需求。通過集成和優(yōu)化硬件層、軟件層、傳感器、控制策略以及技術(shù)整合和交互，框架能夠提高機器人的操作精度、提升生產(chǎn)靈活性，并提高整體的生產(chǎn)效率。

　　3.1 針對定制化轉(zhuǎn)型的技術(shù)創(chuàng)新策略

　　根據(jù)家具制造業(yè)向定制化快速轉(zhuǎn)型的需求，面對工業(yè)機器人技術(shù)的革新變成當務(wù)之急。從硬件層面來看，符合家具制造智能化進程趨勢的機器人硬件平臺必須具備高度的定制化能力，以適應(yīng)家具制造業(yè)多變的產(chǎn)品設(shè)計和尺寸要求。

　　定制化轉(zhuǎn)型的核心在于快速響應(yīng)客戶需求的變化。技術(shù)框架的構(gòu)建重點在于開發(fā)適應(yīng)性算法，使軟件模塊中的自適應(yīng)編程和 AI 算法取得突破，從而讓機器人能夠直接從 CAD 設(shè)計文件中學習和調(diào)整，無需煩瑣的手動編程。同時，機器人的物理架構(gòu)應(yīng)該基于快速換裝系統(tǒng)，允許機械臂在不同任務(wù)之間快速切換工具頭。

　　3.2 提高人機協(xié)作交互能力

　　強化人機交互能力依賴于先進的傳感器和人工智能技術(shù)，使機器人能夠理解和預測操作人員的行為并作出反應(yīng)。為提升工業(yè)機器人在家具生產(chǎn)領(lǐng)域的人機協(xié)作能力，技術(shù)框架的創(chuàng)新關(guān)鍵在于開發(fā)技術(shù)整合和交互模塊。傳感器、軟件和硬件的緊密集成使機器人能夠?qū)ζ涔ぷ鳝h(huán)境有更深入的了解，并與控制策略進行有效協(xié)同。應(yīng)用增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)、觸摸屏和語音控制，構(gòu)建一個易于操作的交互界面，使非技術(shù)背景的人員也能夠有效地指導和調(diào)整機器人任務(wù)。此外，融合先進的傳感器和運動追蹤技術(shù)，實時監(jiān)控人機交互過程，確保操作安全。

　　3.3 基于多傳感器融合的信息采集處理技術(shù)

　　為滿足家具制造業(yè)中多種材料的加工要求，技術(shù)系統(tǒng)要求機器人能夠識別并根據(jù)不同材料的屬性調(diào)整其操作。機器視覺系統(tǒng)和傳感器技術(shù)在這一系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。視覺傳感器負責檢測和定位家具部件，而觸摸傳感器和深度傳感器則提供更豐富的工作環(huán)境信息。

　　通過集成 3D 掃描和材料特性感測器等高級感知技術(shù)，框架通過傳感器與軟件交互、軟件與硬件集成等方式賦予機器人智能識別各種材料的能力，并自動調(diào)整加工方法以適應(yīng)材料特性。

　　3.4 整合智能監(jiān)控與質(zhì)量控制技術(shù)

　　在本研究提出的工業(yè)機器人技術(shù)框架中，智能監(jiān)控和質(zhì)量控制模塊起著關(guān)鍵作用。框架集成了先進的圖像處理和機器學習技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控功能。該系統(tǒng)具備機器人即時識別和自動校正產(chǎn)品缺陷的能力，從而確保生產(chǎn)質(zhì)量的一致性和可靠性。此外，采用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和云計算技術(shù)，機器人能夠收集和分析大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中獲取洞察，實現(xiàn)流程的自我學習和持續(xù)優(yōu)化。

　　4 工業(yè)機器人應(yīng)用過程中面臨的挑戰(zhàn)和考量

　　4.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

　　在家具制造中引入工業(yè)機器人面臨的首要挑戰(zhàn)是技術(shù)適應(yīng)性。家具制造涉及從木材切割、金屬焊接到復合材料加工的多種材料和工藝，機器人需要具備強大的適應(yīng)性來應(yīng)對這些變化。此外，家具制造中的機器人常需與其他設(shè)備或人類工作者緊密協(xié)同，這要求機器人具備高度的協(xié)調(diào)能力和實時反饋機制。隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，軟硬件兼容性也成為關(guān)鍵，要確保機器人能與新的技術(shù)和系統(tǒng)無縫集成。

　　4.2 經(jīng)濟效益

　　在工業(yè)機器人應(yīng)用過程中，經(jīng)濟效益是至關(guān)重要的考量因素。盡管初始投資較高，包括購買、安裝和調(diào)試費用，運營和維護成本也需注意，但機器人能顯著提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，快速回收投資并獲得高回報。機器人在制造過程中能保持高度一致的質(zhì)量和精度，減少次品率，提高品牌形象和客戶滿意度。在勞動力成本較高的地區(qū)，機器人可降低人工成本，減少工傷風險。長期來看，機器人能降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。

　　4.3 社會和倫理考量

　　社會和倫理層面上，由于工業(yè)機器人在家具制造業(yè)的普及過程中，傳統(tǒng)的制造崗位正逐步被自動化所替代，迫使工人從體力勞動者轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苌a(chǎn)的管理者和監(jiān)督者。這種轉(zhuǎn)變要求社會提供適宜的培訓，幫助工人提升技能以適應(yīng)新的工作需求。同時，實現(xiàn)行業(yè)內(nèi) “無人工廠” 的愿景實際上是釋放勞動力從繁重的體力工作轉(zhuǎn)向運用科技和知識來優(yōu)化生產(chǎn)過程。在此過程中，確保機器人與人員之間的安全互動顯得尤為關(guān)鍵，需要精心策劃安全措施和預防策略，確保技術(shù)進步在提升效率的同時，也能夠保障工人的安全和職業(yè)發(fā)展。

　　5 結(jié)語

　　隨著技術(shù)的不斷進步，家具制造業(yè)的智能化成為趨勢，工業(yè)機器人在家具制造業(yè)中的應(yīng)用已不可忽視。本研究深入探討了工業(yè)機器人在家具生產(chǎn)中的應(yīng)用場景及局限性問題，發(fā)現(xiàn)雖然工業(yè)機器人在家具制造中已展現(xiàn)出巨大的潛力，但在智能制造轉(zhuǎn)型過程中，對快速響應(yīng)、個性化控制和按需定制等技術(shù)需求，工業(yè)機器人還存在工作效率提高、工序優(yōu)化等問題，特別是與木材加工設(shè)備的互動效率需要提高。另外，考慮到家具與金屬加工的技術(shù)差異，制造工藝的銜接和生產(chǎn)節(jié)拍的合理控制成為提高效率的關(guān)鍵。故針對此提出技術(shù)架構(gòu)以優(yōu)化現(xiàn)有的工業(yè)機器人技術(shù)，通過集成和優(yōu)化硬件層、軟件層、傳感器、控制策略以及技術(shù)整合和交互，使其更好地適應(yīng)家具制造業(yè)的特定需求。

　　展望未來，隨著家具制造業(yè)對生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制日益增長的需求，工業(yè)機器人的應(yīng)用將更廣泛。但同時，技術(shù)、經(jīng)濟、人力資源以及社會倫理等多方面的考量都需要得到適當解決。隨著技術(shù)的不斷進步和產(chǎn)業(yè)的深入融合，工業(yè)機器人將為家具制造業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和價值，為未來的智能制造奠定堅實的基礎(chǔ)。

余映月;熊先青,南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院,202503