智能工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)的應(yīng)用

殷 俊

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610091）

智能工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)的應(yīng)用

殷 俊

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610091）

航空制造業(yè)具有多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的編程示教方式也不適用。智能工業(yè)機(jī)器人具備智能感知和規(guī)劃功能，能夠適應(yīng)航空制造業(yè)的非結(jié)構(gòu)化操作環(huán)境，并解決操作過(guò)程中的不確定性問(wèn)題，是航空制造業(yè)的發(fā)展方向。通過(guò)裝配機(jī)器人和噴涂機(jī)器人的典型應(yīng)用分析了智能感知和智能規(guī)劃技術(shù)。

智能工業(yè)機(jī)器人；航空制造；智能測(cè)量；智能規(guī)劃

0　引言

近年來(lái)，一方面中國(guó)資源紅利和人口紅利逐漸消失，另一方面東南亞發(fā)展中國(guó)家低端制造業(yè)的分流，迫使中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從低端制造業(yè)向高端制造業(yè)升級(jí)，從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

作為智能制造核心技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)過(guò)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。工業(yè)機(jī)器人的使用不僅可以降低勞動(dòng)成本，而且還能夠提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人不僅可以將工人從簡(jiǎn)單、重復(fù)、繁瑣、單調(diào)的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)（如拾取操作），而且可以完成人類無(wú)法完成的精密操作任務(wù)（如精密裝配）。因此，近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人在汽車、電子、機(jī)械等行業(yè)越來(lái)越多地應(yīng)用，極大地提高了自動(dòng)化生產(chǎn)程度。尤其汽車行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人使用密度最高的行業(yè)，不僅拾取、包裝、碼垛等簡(jiǎn)單操作由工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，而且打磨、裝配、噴涂等復(fù)雜操作也由工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人也逐漸被用到航空制造行業(yè)中來(lái)［1，2］，相對(duì)于手工操作，機(jī)器人作業(yè)首先提高了產(chǎn)品質(zhì)量，比如美國(guó)Electro impact公司設(shè)計(jì)的ONCE（One Sided Cell End-eEffector）機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)保障了孔的垂直度，提高了鉚接質(zhì)量和壽命［3］，如圖1所示。

其次提高了生產(chǎn)效率，比如：B-2轟炸機(jī)采用傳統(tǒng)的人工噴涂大約需要10萬(wàn)小時(shí)，F(xiàn)-22采用采用傳統(tǒng)的人工噴涂大約需要1萬(wàn)小時(shí)，而用機(jī)器人自動(dòng)噴涂?jī)H僅需要1000小時(shí)［4］；洛克希德·馬丁公司研制的機(jī)器人飛機(jī)精整系統(tǒng)（Robotic aircraft finishing system， RCFC）用于F-35自動(dòng)化噴涂極大地提高了噴涂效率［5］，如圖2所示。

圖1　ONCE機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)

圖2　F-35機(jī)器人飛機(jī)精整系統(tǒng)

最后還擴(kuò)展了操作能力，比如，英國(guó)OC Robotics開(kāi)發(fā)的蛇形機(jī)器人可以進(jìn)入機(jī)翼狹小空間進(jìn)行檢測(cè)、緊固和密封［5］，如圖3所示。

相比于傳統(tǒng)的汽車行業(yè)，一方面航空制造業(yè)的產(chǎn)品尺寸大、載荷重；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊；精度高，性能和可靠性高給工業(yè)機(jī)器人的帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)；另一方面航空制造業(yè)的多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)又給機(jī)器人柔性制造模式帶來(lái)了機(jī)遇。傳統(tǒng)的航空制造需要大量的工裝夾具，一旦產(chǎn)品發(fā)生改變，相應(yīng)的工裝夾具必須要做相應(yīng)的更改，一方面延長(zhǎng)了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，另一方面也增加了產(chǎn)品成本。因此，傳統(tǒng)的航空制造業(yè)方式很難滿足現(xiàn)代化的柔性制造需求。本文將針對(duì)航空制造業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)，介紹智能工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)并給出智能工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)中的典型應(yīng)用，并講述智能感知與規(guī)劃技術(shù)。

圖3　OCRobotics研發(fā)的蛇形臂機(jī)器人

1　智能工業(yè)機(jī)器人

從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人于1959年在美國(guó)誕生以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷了三個(gè)階段：

第一階段示教再現(xiàn)機(jī)器人，操作者將完成該作業(yè)的所需的運(yùn)動(dòng)軌跡等指令通過(guò)直接或間接的示教方式存儲(chǔ)起來(lái)，機(jī)器人工作時(shí)將相應(yīng)的指令讀取出來(lái)并重復(fù)示教的動(dòng)作。針對(duì)航空制造業(yè)而言，一方面每一架次的飛機(jī)狀態(tài)都存在一定的差別，無(wú)法直接利用以前的作業(yè)指令；另一方面一些復(fù)雜的操作（如裝配）無(wú)法示教。因此，示教再現(xiàn)機(jī)器人無(wú)法直接應(yīng)用于航空制造業(yè)的復(fù)雜操作。

第二階段感知機(jī)器人，機(jī)器人具備了一定傳感器（如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等）能夠感知操作過(guò)程中某些狀態(tài)（如裝配過(guò)程中接觸力）并完成相應(yīng)的操作。由于航空制造業(yè)中的尺寸大，品種多，需要智能規(guī)劃操作路徑（如噴涂）。因此，感知機(jī)器人還無(wú)法應(yīng)用于航空制造業(yè)的某些特定操作。

第三階段智能機(jī)器人，機(jī)器人不僅具有感知功能，還有一定的規(guī)劃和決策能力。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人是機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的重要方向。

智能機(jī)器人是眼、腦、手有機(jī)結(jié)合體。首先具備感知要素來(lái)認(rèn)識(shí)環(huán)境狀態(tài)（眼的功能）；然后具備思考要素能根據(jù)所得信息做出相應(yīng)的規(guī)劃（腦的功能），最后還具備運(yùn)動(dòng)要素對(duì)外界環(huán)境做出相應(yīng)的反應(yīng)（手的功能）。智能機(jī)器人最重要的是具備學(xué)習(xí)能力和邏輯推理能力，使得機(jī)器人更加聰明。因此，操作者往往只需告訴機(jī)器人做什么，而不需要告訴它具體怎么做，智能機(jī)器人就能夠依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行執(zhí)行操作。由于航空制造業(yè)產(chǎn)品在制造過(guò)程中的非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境，狹窄的操作空間以及大量的不確定因素，智能工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)感知與規(guī)劃技術(shù)顯得尤為重要。

2　典型應(yīng)用與智能技術(shù)

智能感知與規(guī)劃是智能工業(yè)機(jī)器人的兩個(gè)顯著特征，智能感知使得工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)獲取環(huán)境信息，智能規(guī)劃使得工業(yè)機(jī)器人對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行最優(yōu)決策并做出相應(yīng)的操作。將智能工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在小批量、多品種的航空制造業(yè)中可以顯著提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。下面分別從智能裝配機(jī)器人，智能噴涂機(jī)器人在航空制造業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2.1智能裝配機(jī)器人

裝配作業(yè)是形成產(chǎn)品的后置工序， 裝配作業(yè)質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品性能有著直接影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)電產(chǎn)品的裝配工作量，占整個(gè)產(chǎn)品制造工作量的20%～70%，裝配費(fèi)用占總成本的1/3～1/2。隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人越來(lái)越多地被應(yīng)用到汽車、電子等行業(yè)的裝配作業(yè)中。機(jī)器人不僅可以通過(guò)力傳感器和力控技術(shù)避免零件損傷，還可以通過(guò)視覺(jué)傳感器和伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位。

目前，機(jī)器人在大部件裝配中很少應(yīng)用，正如機(jī)器人專家王天然院士所說(shuō)“現(xiàn)在的造船、造飛機(jī)企業(yè)的零部件都是高精度生產(chǎn)系統(tǒng)加工出來(lái)的，但是在裝配的時(shí)候，相當(dāng)多的情況下需要人親歷親為”，一方面人工裝配過(guò)程中不可避免的碰撞降低了產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面人工裝配生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大部件自動(dòng)化裝配，可以提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

飛機(jī)大部件裝配具有大載荷、大尺寸、高精度的特點(diǎn)，比如，飛機(jī)大部件載荷大，微小的路徑誤差都有可能引起極大的裝配接觸力，造成部件微小的損傷。微小的損傷會(huì)對(duì)高速運(yùn)行的飛機(jī)留下致命的安全隱患。因此，如何高精度路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤是飛機(jī)大部件裝配機(jī)器人所要解決的兩大核心問(wèn)題：

第一，路徑規(guī)劃精度要求高。飛機(jī)大部件尺寸大，一方面由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在遮光問(wèn)題，測(cè)量?jī)x器（如激光跟蹤儀）可能需要擺放在不同位置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，然后將不同地方測(cè)量結(jié)果進(jìn)行拼接，形成完整的測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行智能優(yōu)化［7］；另一方面需要對(duì)測(cè)量?jī)x器獲取的路徑進(jìn)行優(yōu)化以獲得最優(yōu)路徑［8］。

第二，軌跡跟蹤精度要求高。飛機(jī)大部件載荷大，造成裝配機(jī)器人不可避免地存在一定變形，一方面需要離線地對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償［9］；另一方面由于飛機(jī)大部件的確切載荷和擺放位置未知無(wú)法建立變形模型，這就需要機(jī)器人具備在線地對(duì)變形進(jìn)行智能學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償以便實(shí)現(xiàn)高精度軌跡跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)大部件無(wú)應(yīng)力、無(wú)損傷裝配［8］。

2.2智能噴涂機(jī)器人

噴涂作業(yè)主要在產(chǎn)品表面涂覆作業(yè)，是航空制造產(chǎn)品的最后一道工序，直接影響產(chǎn)品的外觀和性能，噴涂作業(yè)的重要指標(biāo)是保證涂層厚度和均勻度。相比于人工噴涂，一方面機(jī)器人噴涂可以實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)均勻噴涂，提高噴涂質(zhì)量；另一方面可以將工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)，避免對(duì)工人身體健康的傷害。因此，噴涂機(jī)器人在汽車行業(yè)取得了廣泛應(yīng)用，一般工作流程是專業(yè)操作人員耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，測(cè)試；然后機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行噴涂。由于汽車行業(yè)每一種型號(hào)的汽車產(chǎn)量都是成千上萬(wàn)量，所以相應(yīng)的編程時(shí)間是可以接受的。對(duì)于航空制造業(yè)產(chǎn)品而言，涂層厚度和均勻度要求更為嚴(yán)格，一方面產(chǎn)品批量小，品種多；另一方面同一型號(hào)產(chǎn)品之間狀態(tài)也略有差別（如機(jī)翼下垂程度不一致）。所以對(duì)每一架飛機(jī)都進(jìn)行編程是無(wú)法接受的。因此，如何縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和獲取最優(yōu)路徑是飛機(jī)噴涂機(jī)器人所要解決的兩大核心問(wèn)題：

第一，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間?，F(xiàn)有噴涂需要利用工裝對(duì)飛機(jī)進(jìn)行定位，然后利用測(cè)量技術(shù)測(cè)出飛機(jī)和周圍障礙物的實(shí)際狀態(tài)并進(jìn)行建模，然后離線規(guī)劃的路徑與仿真。針對(duì)每一架次飛機(jī)都要重復(fù)進(jìn)行上述工作是一件及其耗費(fèi)精力和時(shí)間的事情。高精度三維成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速建模，并映射到數(shù)模上對(duì)路徑進(jìn)行修正的重要前提，映射的最大難點(diǎn)在于局部的測(cè)量區(qū)域和全局的CAD模型進(jìn)行快速配準(zhǔn)，基于仿生學(xué)原理的基于多尺度幾何特征的智能配準(zhǔn)算法是一個(gè)解決方案。首先模擬人眼對(duì)邊界等高頻信號(hào)敏感的特點(diǎn)，可以計(jì)算測(cè)量點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的曲率；然后，模擬人眼多層信息融合的特點(diǎn)，利用多尺寸的特征（不同尺度范圍內(nèi)的曲率）的概念，避免了二義性問(wèn)題，這就好比有時(shí)候僅僅觀察人的某一個(gè)面部特征（如鼻子）很難精確識(shí)別，往往需要將多個(gè)面部特征（如，鼻子，嘴巴，眼睛，耳朵等）結(jié)合起來(lái)綜合識(shí)別；最后，根據(jù)人眼分類識(shí)別的特點(diǎn)，利用基于支持向量機(jī)（SVM，Support Vector Machine）的分類識(shí)別算法，極大地提高了識(shí)別速度，這就好比識(shí)別某一個(gè)人的時(shí)候，第一眼先根據(jù)人特征將待識(shí)別對(duì)象分類，如高個(gè)矮個(gè)等，然后再進(jìn)行精確識(shí)別，這樣提高識(shí)別的效率［10］。

第二，獲取最優(yōu)路徑。噴涂路徑規(guī)劃首先考慮機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)特性避免奇異點(diǎn)；其次考慮與航空產(chǎn)品無(wú)碰撞，然后還要考慮噴涂工藝參數(shù)最優(yōu)［11，12］；最后還要考慮噴涂效率［13］。這是一個(gè)多參數(shù)、非線性的優(yōu)化問(wèn)題，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，專家系統(tǒng)等人工智能等知識(shí)是獲取最優(yōu)路徑的重要方法。

3　結(jié)論

我國(guó)航空制造業(yè)面臨著人力成本上漲，資源使用率低，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力大等多種不利因素，以智能工業(yè)機(jī)器人為代表的“智能制造”是航空制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向。“智能工業(yè)機(jī)器人”具有智能感知與決策能力，對(duì)制造產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，滿足航空制造業(yè)小批量、多品種的生產(chǎn)模式。大力發(fā)展我國(guó)智能工業(yè)機(jī)器人，可以促進(jìn)航空制造業(yè)的結(jié)構(gòu)升級(jí)，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)我國(guó)航空制造業(yè)的跨越式發(fā)展。

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Intelligent industrial robot applied in aeronautical manufacturing industry

YIN Jun

TP27

A

1009-0134（2016）10-0105-03

2016-06-21

殷?。?985 -），女，四川成都人，碩士，主要從事生產(chǎn)自動(dòng)化方面的研究。