【工业4.0案例分析之四八】FZI智能自动化/服务机器人Living Lab

卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心（FZI）致力于工业4.0信息通信技术领域的研究，研究课题主要针对数字化生产及工作流程中的最佳人-技术组织。在“生产与物流”以及“自动化与机器人辅助生产”领域，众多研究团队正合作研究跨领域信息技术应用。FZI的工业4.0研究重点是：嵌入式系统和嵌入式信息安全、商业流程管理和软件管理、工业自动化、服务机器人制造、虚拟原型和生命周期管理。

卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心（FZI）简介

    卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心（FZI）是一个致力于信息技术应用研究与技术转移的非盈利机构。它为企业和公共部门提供了最前沿的信息技术知识，并使对年轻人进行相关资格培训，使他们有能力追求更高的学术和经济成就。在来自不同学科的教授的带领之下，卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心的跨学科研究团队为委托人制定具体计划以及软件、硬件、系统解决方案，并将得出的解决方案作为范例付诸实践。卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心设有一个欧盟应用创新实验室“Living Lab”，这为应用研究提供了无与伦比的研究环境。研究中心本部在卡尔斯鲁厄，在柏林有一办事处。

欧盟应用创新实验室网络Living Lab简介

Living Lab是欧盟“知识经济”中最具激发性的模式之一，它强调以人为本、以用户为中心和共同创新。Living Lab并不仅仅是简单的为生产者和使用者提供一个试验床，它关键是提供一个促使用户积极参与创新解决方案开发的条件与环境。欧盟将Living Lab的建设作为信息社会、知识社会条件下重塑其科技创新能力和全球竞争力的重要举措，并正致力于将Living Lab网络向全球延伸。Living Lab通过网络化的方式来发展，是欧盟运作LivingLab的一项很值得关注的创新。Living Lab 作为一种社会创新工具与区域创新平台整合了多种资源，使得研发机构、企业、相关社会组织以及个人用户与用户群体都可以从丰富的资源及区域环境中受惠。

FZI智能自动化Living Lab

卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心的智能自动化Living Lab致力于研究和开发应用于工业的、智能高效的自动化系统。在研究应用于自动化和生产过程的新型工具、应用与技术方面，该实验室使跨学科合作成为了可能。除此之外，该实验室是PROFIBUS官方认证的过程现场总线标准化通信技术的事务中心与测试实验室。该实验室的研究挑战包括：

• 通过创新的自动化架构与现场设备（例如：智能传感器/执行器）改善生产与加工：对比目前在生产中使用的传统解决方案与新型方案。
• 机器人在设备生产过程中的应用：研究与开发移动协作机器人和创新型控制系统，以实现未来人力操作型工作部分自动化的目标。  
• 环保型生产：调查工业资源的使用，在实验室中研究高能效的生产模式。

FZI智能自动化Living Lab的研究主题

• 带有智能传感器与执行器的新型自动化架构，其能使生产系统更灵活地适应各种要求。
• 嵌入式系统的信息技术安全，也就是所谓的“嵌入式安全”。该主题研究如何保护仪器、软件、硬件以及生产数据的知识产权。
• 制定网络中仪器与用户的身份验证及完整性保护的方案。
• 开发一个仿真与评估平台，以评价产品与运行方式转变对流程产生的影响；并且研究“先应式工厂”。   
• 开发实时监控与语义诊断技术，旨在通过状态监控与复杂事件处理对自动化系统及自动化网络中的复杂事件做出反应。

该实验室是PROFIBUS官方认证的PROFIBUS Basic与PROFIBUS PA标准化通信技术的事务中心与测试实验室。为达到研究、测试的目的，该实验室为合作伙伴提供以下方法、技术与设备：

• 为评估和测试生产设备的能量参数、能量优化和载荷提供理想的条件；
• 提供跨生产商的设备，作为研究与应用开发项目必备的测试工具；        
• 提供大量研究开发工作所需的技术支持（CoDeSys、Freelance、Fieldcare、PROFIBUS-DP与-PA、HART、虚拟现实环境以及产品生命周期管理系统、 SematicGuide、ETALIS、能量监控等）。

具体的合作研究课题领域如下：

• 低功耗与多核智能传感器
• 网络化
• 工业自动化信息安全性
• 产品生命周期的虚拟现实
• 监控及科学诊断
• 高能效生产

FZI智能自动化Living Lab的项目与合作伙伴

ReApp：该项目旨在通过标准化接口、可再次使用的应用程序与牢固网络提供小批量生产所需的灵活性，同时也使机器人的应用符合中小企业需求。

EffektiV：该项目旨在使信息物理系统的开发过程更加高效。其中真实的物体将与虚拟世界相结合。借助虚拟仿真开发复杂的技术产品。

EmbOSYST：EmbOSYST项目的目标是研究与开发相应的保护机制，以确保嵌入式实时运行系统能在一个开放的网络环境中机密、规范而安全地运行。

RAN: 基于射频识别技术（RFID）的车联网项目（RAN）旨在更好地控制复杂的全球生产网络与物流网络。

SkillPro：欧盟项目“SkillPro”旨在开发提高信息物理系统可变性的方法与系统。 

iCEP智能复杂事件处理：该项目致力于通过实时的、甚至有预见性的判断，实现对复杂新环境的实时反应。

Dillinger Hütte：在与Dillinger Hütte的合作项目，双方力求实现两个主要目标: 一是堆栈过程的精简；二是机器最优性能的发挥。

BASF：自2013年起，卡尔斯鲁厄理工学院信息技术研究中心就开始了与巴斯夫股份公司（BASF SE）的多年合作，其主题为工业供应链风险管理。具体合作目标为，基于企业使用的规划程序，利用数学的方法来确定供应链的风险。

FZI服务机器人Living Lab

FZI服务机器人Living Lab研究用于环境探知、机器人控制、抓取规划、人机交互的新型机器人基础技术。这些技术都将运用于研究中心后续不同的应用场景中。这些服务机器人可以辅助人类完成工作，减轻人类的负担。不仅可以承担常规作业，还可以承担费力或危险的工作。该实验室的目标是：

• 能在不同情况下借助服务机器人有效地帮助人；
• 将最先进的工业组件和新型传感系统与原来的机械电子系统以及感知、计划、运动控制的各项能力相结合；
• 将仿生的六足步行机器人、模块化检测机器人、不同移动平台（比如，智能购物车）、移动装配机器人、生产机器人以及双臂陪伴机器人、助理机器人等一系列机器人系统付诸实践；
• 以基础技术和新型软件硬件接口为基础开发最新型的传感系统与执行系统，并将这些系统集成到类似HoLLiE的陪伴、助理机器人。
• HoLLiE运用了多个传感系统的巧妙结合，以便理解与领会对面的人类和其自身周围环境。如此一来，人们在未来使用HoLLiE时，便不再会是通过电脑上的键盘或者鼠标，而是直接用语音和手势控制。

FZI服务机器人Living Lab的研究主题

• 针对无人驾驶运输系统（FTS）与移动式服务机器人应用的导航方案
• 针对多轴机器人手臂（KUKA、Schunk、DENSO、……）与移动平台的快速无碰撞轨迹规划
• 针对从抓取钳到五指机器人的基于模型的双臂抓取规划系统
• 针对自主机器人系统的基于行为的反应型控制计划
• 实时传感器加工以及全面2D/3D环境模型构建
• 智能机械电子系统的设计、建造与装配
• 为控制和集成传感系统与执行系统的软件组件开发  

牢固的轻量构造设计，专门的电力、电子控制组件以及颇具规模的软件库可用于控制不同执行系统，分析复杂传感器数据，同时也因此给予了研究中心的服务机器人较高的自主性与灵活度。

此外，研究中心开发出了模块化机器人框架MCA2，以供项目伙伴使用。该框架可使软件组件或是硬件组件在不同机器人系统之间快速进行交互，同时达成在不同平台、多个环境对其进行评估的目的。

还有大量应用场景可用于在尽可能真实的条件下，在一个安全的环境中对新型算法或者原型的测试与进一步开发。该实验室的主要工作包括：
开发：

• 统一模块化软件框架允许跨平台实验
• 开发新能力和扩展服务机器人概念
• 开发针对新型移动式服务机器人的应用场景

评估：

• 能够集成与评估新技术的服务机器人平台
• 新型传感系统与执行系统的评估

经验：

• 多年来在移动服务机器人专业应用领域累积的能力

FZI服务机器人Living Lab的项目与合作伙伴

LAURON：LAURON是一款以生物为灵感的六足步行机器人。

KAIRO：KAIRO是一款模块化蛇形检测机器人。 

HoLLiE：服务机器人HoLLiE是灵活可移动的日常好帮手。

iBOSS：iBoss项目致力于卫星的标准化与模块化研究。

ISABEL：ISABEL是“具有自主性和感知操纵能力的、高效的、新型操作与物流服务机器人”的首字母缩略。

FTS无人驾驶运输系统：研究中心不仅研究无人驾驶运输车（FTF）的智能导航方案，还研究相应基础设施的控制与车队管理。这样一来，研究中心就可以与工业合作伙伴一起通过基于OPC的基础设施控制扩展其无人驾驶运输车的应用范围。这种创新型无人驾驶运输车自主地在巴塞尔的一家医院中实际投入使用。

InBOT：InBOT是“交互操作型推车”的首字母缩略。其开发是为了研究在人类日常环境中机器人技术的使用，并加速其使用。

viEMA：在德国经济与能源部资助的项目viEMA中，五个研究合作伙伴建造了一个学习型机器人的小型工作站。在工作堆积较多的情况下，学习型机器人可灵活顶替工人，完成手动工作。                            

Human Brain Project（人类大脑项目）：这个欧盟未来和新兴技术计划（FET）下的旗舰项目旨在结合神经科学和数据方法，获得对大脑的新认知，研究脑部疾病的新型治疗方案，并开发新型仿生计算机技术。