新概念機器人助推航空制造業(yè)的發(fā)展

劉亞威

目前，航空制造商正在越來越多地采用機器人來替代以往由人類和笨重設備來承擔的單調工作和復雜任務，絕大部分機器人本質上與汽車裝配流水線上的工業(yè)機器人一樣。然而近年來，空客公司、波音公司、洛克希德·馬丁公司等制造商正在研究將新概念機器人引入裝配線，從事更加有挑戰(zhàn)性的工作。未來，航空制造中的工業(yè)機器人將向新構型靈巧機器人和自主式協(xié)作機器人等新概念機器人發(fā)展。

新概念機器人及其關鍵技術

航空制造的特點決定了必須針對特定部件和工藝定制開發(fā)制造機器人，當前還有一些領域亟待新型機器人解決方案以提升效率和精度，如狹小空間裝配、極端尺寸裝配;同時，還存在一些不能完全由機器人替代人類完成的任務，需要人類和機器人在同一區(qū)域共同工作。新概念機器人分為兩類，即新構型靈巧機器人和自主式協(xié)作機器人，兩者之間依具體任務也可能存在交叉。

新構型靈巧機器人

面向航空制造的新構型靈巧機器入主要包括柔性關節(jié)機器人和并聯(lián)運動機器人，它們最大的特征在于不同于傳統(tǒng)工業(yè)機器人的構型，以獲得更大的運動自由度。

柔性關節(jié)也被稱為“蛇形臂”，一般可以驅動30倍于直徑的臂長，其挑戰(zhàn)在于如何輸送能量，以及在緊湊的結構中實現高動力輸出。蛇形臂采用不銹鋼線纜連接機器人的各個關節(jié)，將機器人基座內多達50個無刷換向直流電機的機械動力輸送進蛇形臂，在產生足夠扭矩的同時讓每個關節(jié)可以獨立旋轉90。。

并聯(lián)運動機器人是一項專利技術，突破了以往機器人自由度只能以串聯(lián)方式得到的限制，也解決了以往并聯(lián)構型無效自由度多、關節(jié)結構復雜、制造困難、剛性要求高、無間隙以及成本高等挑戰(zhàn)。并聯(lián)運動機器人實際上構成了一個金字塔形移動的三腳架，通過3個并聯(lián)執(zhí)行器依次連接2個串聯(lián)執(zhí)行器和1個末端執(zhí)行器，以6個節(jié)點形成10個自由度，更好地實現了柔性與剛性的結合。

自主式協(xié)作機器人

美國國防部認為下一代機器人是自主式協(xié)作機器人，主要包括固定位置協(xié)作機器人和自由移動協(xié)作機器人，它們的重要特征是能像工友一樣與其他機器人或人類在一起工作，無需圍欄的防護。具備更高級功能的自主式協(xié)作機器人還可以通過觀察操作演示來學習并調整其功能，敏捷地變換用途，任務適應性的提升將使航空制造商以高生產率的柔性機器人系統(tǒng)應對多品種、小批量生產。

協(xié)作環(huán)境為協(xié)作機器人開發(fā)和應用帶來全新挑戰(zhàn)。協(xié)作機器人與人類和其他機器發(fā)生接觸是難免的，因此機器人必須設計得足夠安全，具備識別潛在物理接觸以及計劃規(guī)避行動的能力，從而快速響應其路徑規(guī)劃、自主移動，并且在預定路線上能夠敏捷地規(guī)避障礙。除了先進的自適應控制技術外，隨著機器人自由度的增加，編程變得越發(fā)復雜和費力，將人工智能裝入機器人使其成為擁有“具身認知”的“親密計算”設備也是一個主要挑戰(zhàn)。

針對其能力要求以及挑戰(zhàn)，協(xié)作機器人需要突破6項關鍵技術：總體設計技術，包括面向協(xié)作的機器人設計，人機/機機交互功能設計，監(jiān)督下的運行保證功能設計;機器人控制技術，包括學習與決策，自適應能力，快速改變用途;靈巧操作技術，包括接近人類觸覺陣列密度的傳感器，下一代末端執(zhí)行器，面向對象的算法;自主導航與機動技術，包括導航、動態(tài)路徑規(guī)劃、障礙察覺和規(guī)避，機動性使能硬件和基礎設施;洞察與感知技術，包括感知模式分析和融合，智能監(jiān)測與狀態(tài)感知;系統(tǒng)測試、驗證和確認技術。

航空制造逐步應用新概念機器人

航空制造商正越來越多地利用工業(yè)機器人提升自動化水平，尤其是裝配環(huán)節(jié)的大量需求，讓眾多美歐研究機構、機器人廠商、創(chuàng)新技術公司紛紛加入，與空客公司、波音公司、洛克希德-馬丁公司、BAE系統(tǒng)公司等航空制造巨頭一同開發(fā)各類新構型靈巧機器人和自主式協(xié)作機器人，并且眾多成果已經通過技術驗證或生產驗證，即將或已經用于先進航空產品的制造中。

柔性關節(jié)機器人

英國OC機器人公司2001年開發(fā)出蛇形臂機器人原型，根據任務需求不同，臂的直徑可從12.5mm到150mm不等，長度可從1m到10m，直徑越大負載能力越高。操作員通過“頭部跟隨”原理控制機器人蜿蜒行進，當指令傳遞到蛇形臂尖端后，其余關節(jié)將按特定路徑跟蹤尖端行進。2006年，公司與空客英國和庫卡合作開發(fā)了用于狹小空間裝配的蛇形臂機器人，其柔性足以將所需工具輸送到機翼翼盒內部執(zhí)行密封和墩粗等裝配任務，讓傳統(tǒng)工業(yè)機器人無法達到的地方實現了自動化。德國弗勞恩霍夫機床與成形技術研究所2014年開發(fā)出了一種專用于機翼翼盒內部裝配的蛇形臂機器人，機器人重60kg，包括總長2.5m、重15kg的8個關節(jié)段以及最多重達15kg的末端執(zhí)行器或檢測攝像頭，獨特的齒輪系統(tǒng)總計可產生500Nm扭矩的電機以及線纜一主軸驅動系統(tǒng)。機器人可以安裝在移動平臺或固定軌道上，在工作時沿著機翼移動從事復雜任務，比如每個翼盒約3000次的鉆鉚和密封操作。

并聯(lián)運動機器人

瑞典艾克斯康2004年起就開始利用專利技術開發(fā)X系列并聯(lián)運動機器人，目前已經用于空客A350機翼壁板鉆孔中。2016年，在英國航宇技術研究院支持下，英國謝菲爾德大學波音先進制造研究中心（ AMRC）通過“未來飛行器工廠”項目，聯(lián)合空客和艾克斯康開發(fā)了一個輕量化和模塊化版本的機器人，加速度為39，以及定位精度10μm。新型機器人使用復合材料制造，包括5個模塊，可以由2個人輕松拆卸和移動，并且工廠溫度變化對執(zhí)行器精度的影響更小。2017年，由洛克希德·馬丁公司等合資成立的阿聯(lián)酋艾克斯康有限公司將這款機器人定名為XMini并正式推出，機器人可被分開并在機翼翼盒內部等狹小空間內重新組裝，已經交付空客直升機公司，并可能用于F-35戰(zhàn)斗機制造。2018年6月，空客A330neo、A350等飛機裝配線交鑰匙集成商Ascent航宇公司表示已經在自動化解決方案中引入了XMini機器人。

固定位置協(xié)作機器人

一是執(zhí)行簡單協(xié)作任務的雙機器人系統(tǒng)，兩臺機器人在固定位置或在軌道上有限移動，共同完成夾持、定位、鉆孔等任務?？湛虯340機身D-Nose鉆孔采用了基于尼康測量公司自適應機器人控制概念的定位系統(tǒng)，在光學坐標測量機的控制下，兩臺機器人合力將工件搬運至精確的鉆孔位置。此外，薩伯公司牽頭空客、龐巴迪、阿萊尼亞、達索航空等企業(yè)聯(lián)合于2012年啟動的歐盟框架計劃“復合材料和混合結構的低成本制造和裝配”（ LOCOMACHS）項目，也針對復合材料和金屬疊層結構件鉆孔開發(fā)了創(chuàng)新的解決方案，一臺機器人監(jiān)測鉆孔操作或在鉆孔點增加系統(tǒng)局部剛度，同時結構件另一邊的機器人執(zhí)行鉆孔操作，該方案可降低疊層鉆孔成本達50%。

二是執(zhí)行復雜協(xié)作的多機器人系統(tǒng)，集成在固定位置或空間多軌道上的多臺機器人共同完成更多樣的任務，包括與人的協(xié)作。2015年，達索系統(tǒng)公司與美國威奇托州立大學國家航空研究院共同建立了3D體驗中心，在一個長方體空間內設置了由9臺ABB機器人組成的多機器人先進制造協(xié)作示范線。其中，4臺機器人安裝在空間兩側的地面軌道上，2臺機器人安裝在其中一側的龍門軌道上，還有3臺在空間外部，可以3D打印短切纖維復合材料，還可以執(zhí)行銑削、掃描操作以及其他多種先進制造技術，加速生產、減少零件數量并消除制造浪費。此外，波音在777X飛機機翼翼梁檢測單元中使用了一字排開的近12臺庫卡機器人，共同夾持部件以使1臺超聲檢測機器人完成自動檢測，同時在另一個單元中使用了近20臺機器人，與工人配合完成手工檢測。

三是執(zhí)行人機協(xié)作的類人機器人，一般采用基于人類手臂設計的7軸結構，在每段結構內都集成了防撞功能和關節(jié)力矩傳感器，在接觸到人時會自動遠離，具有很高的柔性、精度、靈敏度和安全性。此類機器人首推庫卡公司的智能工業(yè)作業(yè)輔助輕量化機器人（ LBR iiwa），它由德國航空航天中心（DLR ）機器人與機電一體化研究所于1995年開發(fā)并用于人機協(xié)作研究，聯(lián)合庫卡于2004年將其推向市場，并且獲得2016年紅點設計獎。目前DLR正將其用于空客A350熱塑性復合材料構件的制造研究。

自由移動協(xié)作機器人

一是基于大型移動平臺的傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)，全向平臺具備高剛度、高定位精度和動態(tài)穩(wěn)定性，該系統(tǒng)安裝了高精度機器人和可互換的多功能末端執(zhí)行器，不同系統(tǒng)之間可以協(xié)作并且具備持續(xù)工藝監(jiān)測功能，防止錯誤和碰撞發(fā)生。2013年起，弗勞恩霍夫制造技術與先進材料研究所通過“大型復合材料結構高效高生產率精密加工”（ ProsihPll ）項目開發(fā)了一個模塊化、自適應、可移動機器人智能銑削系統(tǒng)，并且2016年成功地在空客A320垂尾整體壁板上進行了試驗，多個系統(tǒng)同時操作可以加工30m的機翼和機身主結構。

2016年，波音787后機身47和48段裝配使用與Electroimpact公司合作開發(fā)的Quadbots多機器人協(xié)同裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)由4臺裝配機器人組成并且采用防撞功能支撐協(xié)作，每個機器人都可以鉆孔、锪孔、檢測孔質量、涂覆密封劑和安裝緊固件，可將裝配效率提升30%，波音正考慮引入第5臺機器人以便執(zhí)行測試和預先維修。此外，2016年波音還獲得了一項“機身自動化制造廠”專利，車間地板以RFID標識出6個裝配單元，鉆鉚機器人、柔性簡易工裝都是可移動的，平時存放在等候區(qū)，中央控制臺基于生產速度和訂單分派任務，通過運送部件的AGV控制工作和運動時間，AGV可自主地根據任務在等候區(qū)和各單元之間搬運機器人和工裝，實現更廣泛意義上的機機協(xié)作以及裝配的自主化。

二是基于靈巧移動平臺的類人機器人系統(tǒng)，類人機器人直接集成在一個小體積全向平臺上，提供至少10個自由度，與人類一起從事各種復雜任務，可以說代表了協(xié)作機器人的最高水平。庫卡公司自2008年起開始推廣其omniRob移動機器人，機器人能夠在未知地形工作并且響應多種任務，實現自主化運行。2016年，英國GKN航宇旗下福克航空結構和起落架業(yè)務部分別基于omniRob開展了人機協(xié)作研究，航空結構部針對空客A350外襟翼，讓機器人拾起自動鉆孔單元并將其插入鉆孔夾具;起落架部利用機器人在套管上均勻涂覆無泡沫的密封劑滴，減少操作時間并提升可重復性。

2015年，由弗勞恩霍夫工廠運行與自動化研究所聯(lián)合空客和FACC等開展的歐盟框架計劃“工業(yè)用先進協(xié)作機器人驗證”項目對其開發(fā)的原型移動機器人系統(tǒng)進行了真實條件下的試驗，使其可以自由地執(zhí)行多種裝配任務，比如涂覆密封劑、搬運、檢測等，極大減輕工人壓力;系統(tǒng)還集成了3對立體攝像頭監(jiān)測系統(tǒng)和帶緩沖層的觸覺傳感器，能夠感知并避免任何碰撞，進一步提升安全性?？湛驮凇拔磥硌b配”計劃中與安川電機合作，利用其HIRO雙臂擬人機器人來執(zhí)行空客A380方向舵梁的人機協(xié)作裝配，實施抓取、插入和預裝鉚釘等鉚接任務，成為歐洲工業(yè)中首個與人類并肩工作的擬人機器人，讓人機協(xié)作看起來更具人工智能，這種機器人目前擴展到了空客A350平尾翼盒裝配線。