雙機(jī)器人協(xié)同精準(zhǔn)鋪絲技術(shù)*

陳力嘯，傅 云，朱偉東

（1. 浙江大學(xué)，杭州 310027；2. 浙江西子勢必銳航空工業(yè)有限公司，杭州 310018）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高和抗腐蝕的優(yōu)異特性，在航空航天、車輛、風(fēng)力發(fā)電等諸多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步增長[1]。傳統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件采用手工鋪放的方式，存在很多缺點(diǎn)，如材料浪費(fèi)嚴(yán)重、制造周期長、產(chǎn)品質(zhì)量較差等，并且手工鋪放過程無法重復(fù)[2]。相比于手工鋪放技術(shù)，自動鋪放成型技術(shù)不僅可以節(jié)省時(shí)間、減少材料浪費(fèi)，而且能夠提高復(fù)合材料的鋪放速度和鋪放質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料高質(zhì)量和高性價(jià)比的制造[3–4]。自動鋪放成型技術(shù)包括自動鋪帶技術(shù)和自動鋪絲技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)的成型效率很高，主要用于大平面或低曲率構(gòu)件的制造；自動鋪絲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對預(yù)浸絲束的控制，具有較強(qiáng)的曲面適應(yīng)能力，適合加工大曲率復(fù)雜零部件。

機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)具有靈活性好、成本低、安裝便利的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地用于加工復(fù)雜回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，已成功應(yīng)用于制造機(jī)身、機(jī)翼和進(jìn)氣道等飛機(jī)構(gòu)件[5]。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，多機(jī)器人系統(tǒng)受到了研究人員的關(guān)注，相比較于單機(jī)器人系統(tǒng)不僅可以節(jié)省工作空間、提高生產(chǎn)效率并且通過機(jī)器人之間協(xié)調(diào)工作可以完成更加復(fù)雜的加工任務(wù)，具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力[6]。

雙機(jī)器人系統(tǒng)具有冗余自由度，為機(jī)器人柔性化加工提供了更加靈活的優(yōu)化方法。多機(jī)器人協(xié)同鋪絲系統(tǒng)在未提升單機(jī)鋪絲性能的情況下可以顯著提高整體鋪絲效率，為大型回轉(zhuǎn)體復(fù)合材料構(gòu)件制造提供了重要技術(shù)途徑。

目前，國內(nèi)外對多機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)的研究取得了一定的成果，其中雙機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)較為成熟并已經(jīng)開始應(yīng)用。本文將介紹雙機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上做出展望。

1 研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80年代以來，多臂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)受到了廣泛重視，并隨著機(jī)器人自動鋪放技術(shù)的發(fā)展成為研究熱點(diǎn)之一。面對實(shí)際生產(chǎn)中復(fù)雜多變的任務(wù)需求，使用多個(gè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)配合可以同時(shí)鋪放不同寬度、不同數(shù)量的絲束，能夠完成單個(gè)機(jī)器人所無法完成的工作，提高了生產(chǎn)效率和靈活性。進(jìn)入21 世紀(jì)，國內(nèi)外學(xué)者對于多機(jī)器人鋪放系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了很大程度的進(jìn)展，其中雙機(jī)器人鋪放系統(tǒng)的技術(shù)目前最為成熟，已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料零部件的制造。

2009年德國航空航天中心 （簡稱DLR）啟動了GroFi 項(xiàng)目，旨在設(shè)計(jì)開發(fā)一種多機(jī)器人系統(tǒng)用于提高復(fù)合材料鋪放效率，已取得了一系列成果，其在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了兩臺機(jī)器人在重疊、動態(tài)工作區(qū)鋪放碳纖維[7]。在翼展為8 m 的機(jī)翼上進(jìn)行了生產(chǎn)演示，結(jié)果顯示相比于單機(jī)器人系統(tǒng)可以節(jié)省近38%的生產(chǎn)時(shí)間。空客A350 部分機(jī)型已經(jīng)采用DLR 測試的技術(shù)鋪放飛機(jī)機(jī)翼，生產(chǎn)效率得到顯著提高，如圖1所示。此外在該項(xiàng)目中還實(shí)現(xiàn)了8 個(gè)機(jī)器人單元在多腔工具上同時(shí)進(jìn)行自動鋪放。8 個(gè)機(jī)器人分別安放在一個(gè)軌道系統(tǒng)中并可以自由移動，具有高度的靈活性，對碳纖維的使用量可以達(dá)到150 kg/h，八機(jī)器人系統(tǒng)目前還處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，如圖2所示。

圖1 纖維鋪放和膠帶鋪放結(jié)合的機(jī)器人系統(tǒng)Fig.1 AFP system combined usage of fiber placement and tape laying technology

圖2 GroFi 平臺Fig.2 GroFi platform

2010年美國Electroimpact 公司（簡稱EI）開發(fā)了一款雙機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)[8]，其部分控制程序是獨(dú)立的，可以在任意一臺機(jī)器上運(yùn)行，允許兩臺機(jī)器人同時(shí)或獨(dú)立工作。系統(tǒng)使用線性數(shù)值求解器進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，從而使編程具有很高的靈活性。末端執(zhí)行器采用可拆卸的模塊化鋪絲頭，可在120 s 內(nèi)完成拆卸更換，減少停機(jī)時(shí)間以提高機(jī)器的利用效率。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在大型飛機(jī)主結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造。

加拿大康考迪亞大學(xué)開發(fā)了一種雙機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)[9]，由串聯(lián)機(jī)器人攜帶鋪絲頭，并聯(lián)機(jī)器人承載芯模，使用攝像測量儀對并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，不斷修正路徑中的碰撞點(diǎn)和奇異點(diǎn)，可以連續(xù)不間斷進(jìn)行鋪放，實(shí)現(xiàn)了小型復(fù)雜構(gòu)件的鋪絲制造。

近年來，國內(nèi)對于雙機(jī)器人鋪放系統(tǒng)的理論研究也取得了一定的突破。南京航空航天大學(xué)對回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的制造問題進(jìn)行了研究，在雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲的軌跡規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制、后處理算法等方面取得了一系列進(jìn)展[10]。

浙江大學(xué)開發(fā)了一套由兩臺具有6–DOF 的Comau 機(jī)器人和一個(gè)冗余自由度的回轉(zhuǎn)芯模組成的雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲系統(tǒng)。系統(tǒng)中的芯模底座固定在地面上，但是芯模本身可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，兩臺機(jī)器人可以在導(dǎo)軌上進(jìn)行移動，具有很高的靈活性，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲。與現(xiàn)有的AFP 系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以制造具有更高軌跡規(guī)劃要求的復(fù)雜復(fù)合材料零部件，如圖3所示。

圖3 浙江大學(xué)雙機(jī)器人自動鋪絲系統(tǒng)Fig.3 Cooperative robots automatic fiber placement machine from ZJU

2 機(jī)器人協(xié)同鋪放任務(wù)分配及運(yùn)動規(guī)劃方法

在機(jī)器人協(xié)同工作時(shí)需要進(jìn)行任務(wù)分配和運(yùn)動規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用協(xié)調(diào)，這是多機(jī)器人系統(tǒng)中的兩個(gè)基本問題[11]。任務(wù)分配是將復(fù)雜的任務(wù)分解，然后將任務(wù)分配給每個(gè)機(jī)器人。任務(wù)分配決定了機(jī)器人要完成的任務(wù)，因此也被稱為決策問題。機(jī)器人在同一空間中協(xié)調(diào)工作時(shí)，對其進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃以找到無死鎖、無碰撞路徑和距離最短、易于規(guī)劃的軌跡同樣是非常必要的。

2.1 雙機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配

多機(jī)器人任務(wù)分配問題是多機(jī)器人系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。在鋪絲過程中，機(jī)器人的任務(wù)分配方式不僅決定了機(jī)器人能否最大限度發(fā)揮自身能力，而且多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作可以使多機(jī)器人系統(tǒng)完成單個(gè)機(jī)器人無法完成的復(fù)雜任務(wù)。?blad 等[12]提出了最小化時(shí)間周期的算法，將工作空間進(jìn)行分區(qū)，使每個(gè)機(jī)器人的工作空間與其他機(jī)器人分開，提高完成任務(wù)的效率。Zhou 等[13]提出了基于多機(jī)器人系統(tǒng)的區(qū)域分配算法，根據(jù)機(jī)器人的分布和運(yùn)動限制為每個(gè)機(jī)器人分配工作區(qū)域，并基于遺傳算法迭代求解。

悉尼科技大學(xué)自動化系統(tǒng)研究中心與武漢理工大學(xué)聯(lián)合開展研究，提出了一種雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲兩階段任務(wù)分配方法[14]，該方法針對雙機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)進(jìn)行建模，假設(shè)模具位置固定且機(jī)器人關(guān)節(jié)與移動底座不聯(lián)動，并且未考慮更換料卷、鋪絲系統(tǒng)故障等導(dǎo)致機(jī)器人數(shù)量動態(tài)改變的情況。DLR 提出在GroFi 多機(jī)器人協(xié)同鋪絲平臺中采用一種動態(tài)再規(guī)劃與調(diào)度機(jī)制[15]，當(dāng)某臺鋪絲機(jī)器人需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，由空閑的機(jī)器人代替繼續(xù)完成鋪絲任務(wù)。南京航空航天大學(xué)王顯峰等[16]提出了一種針對回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的雙機(jī)器人鋪絲軌跡分配算法，以機(jī)器人可達(dá)性為約束，通過定義主機(jī)器人和路徑配對，將問題簡化為兩個(gè)單機(jī)器人的鋪絲后處理問題。

在雙機(jī)器人鋪放過程中，由于構(gòu)件形狀復(fù)雜并且同時(shí)要鋪放兩條路徑，所以要考慮機(jī)器人的運(yùn)動可達(dá)性和鋪絲工藝要求，需要對兩臺機(jī)器人進(jìn)行合理的任務(wù)分配，并且對鋪層順序和鋪放路徑進(jìn)行規(guī)劃以避免相互間產(chǎn)生干擾或碰撞。在鋪放絲束過程中，兩臺機(jī)器人具有獨(dú)立性，其中一臺機(jī)器人出現(xiàn)異常不影響另一臺機(jī)器的程序執(zhí)行，對工作異常的機(jī)器人采取糾錯(cuò)措施后，故障機(jī)器人可以按照程序繼續(xù)完成鋪放任務(wù)[17]。Zhang 等[18]提出了一種在線順序任務(wù)分配方法，在機(jī)器人并行運(yùn)動相互干擾的情況下，能夠?qū)⑷蝿?wù)不斷地分配給機(jī)器人使其正常工作。

2.2 雙機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃

雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲時(shí)，每臺機(jī)器人要分別生成各自的路徑規(guī)劃，根據(jù)前期任務(wù)分配的結(jié)果確定模具表面一系列路徑點(diǎn)的位置和姿態(tài)，采用逆解算法[19–20]將路徑規(guī)劃階段給定的模具上的路徑點(diǎn)坐標(biāo)和姿態(tài)映射到多軸系統(tǒng)的關(guān)節(jié)空間，然后由數(shù)控系統(tǒng)給路徑賦予時(shí)間信息，對機(jī)器人的速度和加速度進(jìn)行規(guī)劃。雙機(jī)器人在共享工作空間內(nèi)協(xié)調(diào)工作時(shí)，在互為運(yùn)動障礙的工作區(qū)域內(nèi)要進(jìn)行無碰路徑規(guī)劃，也就是說要讓機(jī)器人在起點(diǎn)和終點(diǎn)位置找到一條路徑，不僅能夠避免與模具等障礙物發(fā)生碰撞而且也能避免兩臺機(jī)器人發(fā)生碰撞。

無碰路徑規(guī)劃大體分為兩種：一種是機(jī)器人相對于模具或者操作人員的無碰路徑規(guī)劃；另一種是機(jī)器人之間的無碰路徑規(guī)劃。Tian等[21]提出了基于遺傳算法的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃，可以在任務(wù)空間中搜索路徑的有效解和最優(yōu)解。Wang 等[22]提出了基于遺傳算法和粒子群算法的雙全局最優(yōu)算法，以無碰撞路徑最短原則進(jìn)行優(yōu)化。

對于多機(jī)器人路徑規(guī)劃有兩種求解方法，即耦合和解耦[23]。耦合適用于協(xié)同路徑規(guī)劃，解耦不僅可用于協(xié)同路徑規(guī)劃，也可用于分布式路徑規(guī)劃，所以基于解耦方法的研究更加廣泛。Chiddarwar 等[24]提出了兩相解耦算法，分兩步進(jìn)行路徑規(guī)劃：第1 步對機(jī)器人與模具等靜態(tài)物體進(jìn)行無碰撞路徑規(guī)劃；第2 步避免機(jī)器人之間產(chǎn)生路徑?jīng)_突，當(dāng)機(jī)器人同步啟動時(shí)，可以將無碰路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換成高維空間的路徑搜索問題，通過調(diào)整運(yùn)動序列避免機(jī)器人之間發(fā)生路徑?jīng)_突[25]。但是在高維空間中搜索路徑比較困難且計(jì)算量較大。

關(guān)英姿等[26]提出了一種基于優(yōu)先級的路徑協(xié)調(diào)策略：首先需要指定機(jī)器人的優(yōu)先級，對高優(yōu)先級的機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后將之視為障礙物再對低優(yōu)先級的機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，這種方法將復(fù)雜的多機(jī)器人路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換成較為簡單的單機(jī)器人路徑規(guī)劃，降低了規(guī)劃難度。Monta?o 等[27]提出了一種機(jī)器人在線協(xié)調(diào)算法，不僅能使運(yùn)動軌跡能量最優(yōu)，也能減少路徑規(guī)劃所需的計(jì)算時(shí)間。對于雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲系統(tǒng)在某些情況下因?yàn)樾枰苊馀鲎埠推娈慄c(diǎn)而沒有合適的路徑進(jìn)行鋪絲，Zhang 等[28]提出了一種半離線軌跡同步算法，使用攝影測量傳感器檢測機(jī)器人位姿，并計(jì)算出修正值，在線對預(yù)先規(guī)劃的路徑進(jìn)行修正。

3 雙機(jī)器人系統(tǒng)鋪絲精度控制

3.1 末端執(zhí)行器精準(zhǔn)定位與基坐標(biāo)標(biāo)定

在雙機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)中，會出現(xiàn)兩條相鄰絲束分別由不同機(jī)器人鋪放的情形，此時(shí)相鄰絲束路徑中心的相對位置誤差由兩臺機(jī)器人的定位誤差疊加而成，導(dǎo)致鋪層產(chǎn)生間隙或重疊等鋪放缺陷。由于幾何誤差和非幾何誤差的存在，使用機(jī)器人控制器來描述機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型會產(chǎn)生較大的定位誤差[29]。在雙機(jī)器人系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位和控制，在線獨(dú)立測量兩臺機(jī)器人的末端姿態(tài)是必要的。

傳統(tǒng)的方法是使用D–H 矩陣求解機(jī)器人的末端位姿數(shù)學(xué)模型[30–31]。El 公司的機(jī)器人鋪絲系統(tǒng)在機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸上安裝光學(xué)編碼器并開發(fā)了一種高階動力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)高精度補(bǔ)償，有效提高了機(jī)器人末端執(zhí)行器的精度[32]。

使用激光干涉技術(shù)對機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)測量是目前比較常用的一種方法，具有精度高、跟蹤識別范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在絲束鋪放過程中利用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方位角和仰角位移可以定位末端執(zhí)行器的位置，并且可以使用雙位置敏感二極管對其進(jìn)行姿態(tài)測量。Shirinzadeh等[33]利用激光干涉技術(shù)對機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行高精度定位制導(dǎo)，沿著激光束的軌跡將機(jī)器人的末端執(zhí)行器引導(dǎo)至期望位置以提高定位精度，試驗(yàn)結(jié)果顯示可將機(jī)器人的絕對定位精度提高到±0.1 mm 以內(nèi)。

在雙機(jī)器人鋪放系統(tǒng)中，機(jī)器人不僅需要獲得各自的末端姿態(tài)，還需要得到另一臺機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的位姿信息，以此避免機(jī)器人之間發(fā)生碰撞并且保證鋪絲質(zhì)量。因此雙機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)是使得鋪放系統(tǒng)能夠正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同于單機(jī)器人標(biāo)定，雙機(jī)器人鋪放系統(tǒng)的標(biāo)定需要得到兩臺機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的位姿變換矩陣，進(jìn)而確定兩個(gè)機(jī)器人的位置關(guān)系。

紀(jì)慧君等[34]提出了一種基于“三點(diǎn)定圓”的改進(jìn)雙機(jī)器人基坐標(biāo)標(biāo)定方法，操作簡單并且成本較低，但是該方法沒有考慮機(jī)器人自身誤差所產(chǎn)生的影響。燕浩等[35]提出了一種基于視覺的機(jī)器人標(biāo)定方法，通過相機(jī)對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，完成基坐標(biāo)標(biāo)定的同時(shí)得到手眼標(biāo)定參數(shù)，從而得到系統(tǒng)完整的標(biāo)定參數(shù)。

向勇等[36]使用激光跟蹤儀結(jié)合單位四元數(shù)法對雙機(jī)器人的基坐標(biāo)進(jìn)行精確定位，為了消除機(jī)器人運(yùn)動學(xué)誤差，在完成初定位后，利用激光跟蹤儀測量誤差進(jìn)行二次定位，這種方法的精度很高，但是操作復(fù)雜、所需設(shè)備昂貴。魏振忠等[37]通過將工業(yè)相機(jī)固定在一臺機(jī)器人末端，記錄另外一臺機(jī)器人末端圖像并進(jìn)行手眼標(biāo)定求解，得到了基坐標(biāo)變換矩陣，該方法避免了遮擋等問題，具有較高的標(biāo)定精度。

不借助外部測量設(shè)備的接觸式標(biāo)定雖然操作簡單、成本低廉，但是標(biāo)定精度較低，不適合航空復(fù)合材料零部件的制造。使用激光測量儀或者工業(yè)相機(jī)等輔助設(shè)備的非接觸式標(biāo)定設(shè)備價(jià)格昂貴、操作較為復(fù)雜，但是精度很高，適合應(yīng)用在雙機(jī)器人系統(tǒng)的鋪放過程。

3.2 鋪放路徑精準(zhǔn)規(guī)劃

在機(jī)器人絲束鋪放過程中，不僅需要對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，而且需要對末端執(zhí)行器即鋪絲頭進(jìn)行精準(zhǔn)路徑規(guī)劃，鋪絲路徑規(guī)劃的好壞很大程度上決定了復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放質(zhì)量和鋪放效率。對鋪絲頭進(jìn)行路徑規(guī)劃的目標(biāo)是計(jì)算出軌跡方向、鋪放成型的約束條件以及鋪層方向。目前，路徑規(guī)劃一般被分為路徑生成、路徑評估和運(yùn)動仿真3 個(gè)階段，路徑生成之后需要依次進(jìn)行評估和運(yùn)動仿真來確定路徑是否合適。但是在路徑評估和運(yùn)動仿真階段可能會由于規(guī)劃參數(shù)選擇不合理或者表面曲率變化引起路徑偏移，最終導(dǎo)致規(guī)劃的路徑并不合適，需要重新生成新的路徑再次重復(fù)上述步驟。

浙江大學(xué)Qu 等[38]提出在生成路徑之前增加一個(gè)鋪放可行性分析階段，確定一些必要的規(guī)劃參數(shù)，包括絲束寬度、壓輥規(guī)格等。雖然增加了路徑規(guī)劃的周期，但是減少了規(guī)劃參數(shù)選擇不當(dāng)帶來的迭代次數(shù)，降低了路徑規(guī)劃的耦合性和復(fù)雜性。Jiang 等[39]建立了基于路徑誤差的理論評價(jià)模型，在鋪放前對路徑精度進(jìn)行評價(jià)，并優(yōu)化壓輥沿路徑的方向，能夠減少路徑誤差。

比較常用的路徑規(guī)劃算法是平行等距偏移算法[40–42]。首先定義一條參考曲線，將其投影到模具曲面得到一條相交線 （稱為初始路徑），然后沿曲面平行于初始路徑偏移相同距離生成其他路徑，并將生成的路徑擴(kuò)展至模具邊界，如圖4所示。路徑規(guī)劃方法可被分為固定角度路徑規(guī)劃算法和變角度路徑規(guī)劃算法。當(dāng)鋪放路徑與選擇的基準(zhǔn)線之間的夾角為定值時(shí)為固定角度路徑算法，當(dāng)夾角數(shù)值可變時(shí)為變角度路徑算法，并且越來越多的研究表明變角度算法更能減少絲束之間的間隙和重疊[43]。

圖4 平行等距偏移算法步驟Fig.4 Parallel offset algorithm steps

在開放輪廓曲面和圓柱曲面的研究基礎(chǔ)之上，Hély 等[44]提出了兩種路徑規(guī)劃算法：一種是以恒定的鋪放角度生成連續(xù)路徑；另一種則是在此基礎(chǔ)上考慮曲率約束，這兩種算法的目的是消除間隙和重疊，保證鋪絲質(zhì)量。

對于一些復(fù)雜輪廓結(jié)構(gòu)，單獨(dú)使用一種路徑算法性能較差，邵忠喜等[45]結(jié)合固定角度法和等偏距法，提出了一種新的路徑規(guī)劃算法。該算法使用固定角度算法確定初始路徑，然后通過平行等距偏移算法得到下一條路徑，當(dāng)鋪放角度超過閾值時(shí)，使用固定角度算法對路徑進(jìn)行修正，之后對路徑進(jìn)行等距偏移生成新的路徑。該算法提高了鋪放效率和質(zhì)量，但是沒有考慮不同的工藝要求在鋪放效率和質(zhì)量之間有著不同的平衡。

Jiang 等[46]提出了一種基于效率和質(zhì)量評價(jià)的機(jī)器人纖維放置路徑規(guī)劃算法，在特定工藝要求下根據(jù)質(zhì)量和效率之間的平衡生成路徑。Vijayachandran 等[47]將機(jī)器學(xué)習(xí)和遺傳算法相結(jié)合建立最優(yōu)導(dǎo)向路徑，實(shí)現(xiàn)了對間隙和重疊偏差的控制，以此保證鋪絲質(zhì)量。

3.3 鋪放缺陷在線檢測

Rudberg 等[48]提出，在使用機(jī)器人自動鋪絲技術(shù)制造飛機(jī)構(gòu)件的時(shí)間分布中，46%的時(shí)間用于檢查和糾正工藝錯(cuò)誤，這個(gè)結(jié)果意味著僅提高機(jī)器人的運(yùn)動速度只能提升較少的生產(chǎn)效率，更重要的是要盡量避免出現(xiàn)缺陷或者縮短缺陷的檢測時(shí)間。

機(jī)器人自動鋪絲具有高度的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，但是在制造過程中依舊會產(chǎn)生缺陷問題。在實(shí)際鋪放過程中，絲束很容易出現(xiàn)間隙、重疊、褶皺等位置缺陷，其中間隙和重疊是主要的缺陷問題。鋪放路徑與設(shè)計(jì)規(guī)劃路徑不匹配是出現(xiàn)間隙和重疊最主要的原因[49–50]。Shirinzadeh 等[40]提出了一種機(jī)器人纖維鋪放曲面算法以產(chǎn)生均勻的復(fù)合材料鋪層，使后續(xù)絲束之間不產(chǎn)生間隙。Wang 等[51]使用弧長參數(shù)對復(fù)雜的開放輪廓結(jié)構(gòu)進(jìn)行路徑規(guī)劃，可以將絲束偏移量控制在誤差范圍內(nèi)。

在機(jī)器人自動鋪放過程中可能會產(chǎn)生各種各樣的缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致碳纖維預(yù)浸料固化后維修成本極大提高，并且會降低零部件的質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至?xí)?bào)廢，造成材料浪費(fèi)和成本提高。所以需要研究人員對復(fù)合材料零部件生產(chǎn)過程進(jìn)行缺陷檢測和質(zhì)量控制，發(fā)現(xiàn)缺陷后分析產(chǎn)生原因并及時(shí)糾正，保證鋪放質(zhì)量。

傳統(tǒng)的方法是操作人員進(jìn)行目視檢測，檢查鋪層邊界位置的準(zhǔn)確性、絲束間的間隙和重疊程度是否符合標(biāo)準(zhǔn)、有無異物、褶皺等，每次檢查都需要中斷鋪絲過程，極為耗時(shí)并且操作人員負(fù)擔(dān)很大。法國先進(jìn)工業(yè)工程學(xué)院提出了一種混合控制方案提高絲束鋪放精度[52]，該方案使用力伺服系統(tǒng)控制壓輥的壓實(shí)力和力矩，使用視覺伺服系統(tǒng)控制絲束鋪放的橫向位置，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)校正定位誤差，提高絲束的鋪放精度進(jìn)而改善構(gòu)件的質(zhì)量。

Schmidt 等[53]使用熱成像系統(tǒng)在誤差范圍內(nèi)對絲束間隙寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并基于此系統(tǒng)對路徑進(jìn)行優(yōu)化。新鋪放的絲束與底層表面會存在較為明顯的熱對比，使用邊緣檢測方法檢測絲束位置和幾何形狀，進(jìn)而可以確定每條絲束的邊緣，計(jì)算出絲束間隙的寬度，還需要進(jìn)行表面檢測來檢查有無異物和其他缺陷。

機(jī)器學(xué)習(xí)在先進(jìn)制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其適用性正擴(kuò)展到復(fù)合材料制造領(lǐng)域。在質(zhì)量控制中利用可視化監(jiān)測系統(tǒng)對鋪放缺陷和異常進(jìn)行檢測和分類，并將相關(guān)信息進(jìn)行參數(shù)化和可視化以方便操作人員。使用熱圖過程監(jiān)控系統(tǒng)觀察整個(gè)鋪絲過程，并將所有工藝信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對信息進(jìn)行分析以優(yōu)化工藝參數(shù)[54]。文立偉等[55]基于機(jī)器視覺檢測技術(shù)研發(fā)出一種用于零部件表面缺陷的檢測系統(tǒng)來提高鋪絲精度。Sacco 等[56]開發(fā)出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺的缺陷自動檢測系統(tǒng)，不僅可以對缺陷進(jìn)行分類識別，還可以對缺陷特征進(jìn)行精確描述。

由于復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層表面具有非均勻光線反射和復(fù)雜的紋理特征，這會導(dǎo)致利用視覺檢測技術(shù)獲得精準(zhǔn)的信息變得困難。熱成像系統(tǒng)克服了視覺檢測可能產(chǎn)生的誤差，利用絲束的熱輻射進(jìn)行缺陷檢測，但是還需要不斷改進(jìn)缺陷檢測算法和對溫度異常的預(yù)測，提高鋪層表面缺陷檢測的靈敏度。

EI 公司設(shè)計(jì)了一種缺陷自動檢測解決方案，將激光投影儀、攝像機(jī)和激光輪廓儀集成到用戶界面中，可以將識別到的缺陷投影到復(fù)合材料構(gòu)件表面位置，減少了工作人員的檢測時(shí)間，如圖5所示[57]。DLR 的研究人員開發(fā)了一種新的缺陷檢測工藝，根據(jù)制造的復(fù)合材料部件尺寸，在機(jī)器人上安裝一個(gè)或者多個(gè)熱成像攝像頭，可以有效檢測復(fù)合材料固化過程中是否發(fā)生泄漏，并通過軟件自動評估是否繼續(xù)固化，確保部件的順利制造，節(jié)省資金、時(shí)間和人力。

圖5 EI 公司開發(fā)的缺陷自動檢測方案[57]Fig.5 Automatic defect detection scheme developed by EI[57]

隨著自動化檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，激光投影儀、激光輪廓儀、照相機(jī)等一系列用于機(jī)器人自動鋪絲的新一代檢測設(shè)備開始普及并使用，能夠有效縮短生產(chǎn)時(shí)間。

4 結(jié)論與展望

機(jī)器人鋪絲設(shè)備運(yùn)動靈活、經(jīng)濟(jì)高效，在波音、空客等公司的產(chǎn)品制造中已得到了大規(guī)模應(yīng)用。雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲系統(tǒng)因?yàn)槟軌蝻@著提高生產(chǎn)效率成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，目前國內(nèi)外研究都取得了一定的進(jìn)展，但仍需要不斷改進(jìn)和完善，建議從以下5 個(gè)方面進(jìn)一步開展研究。

（1）雙機(jī)器人鋪放系統(tǒng)利用冗余且兼容的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效且自我調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程，需要考慮裝備的可行性以及工藝要求的工作步驟，確定最合適的解決方案及其實(shí)施方法。這個(gè)過程必須在不停機(jī)的情況下在線進(jìn)行，而基于人工智能的運(yùn)籌學(xué)或應(yīng)用程序的優(yōu)化方法可用于此目的。

（2）工業(yè)機(jī)器人的自主性和智能化程度有較大的提升空間，需要賦予機(jī)器人信息共享能力和適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知處理技能。機(jī)器人之間要能夠共享位置信息避免發(fā)生碰撞干涉，在鋪放復(fù)雜型面時(shí)能夠自動糾錯(cuò)以提高鋪絲精度，減少人為干涉以保證鋪絲質(zhì)量。

（3）在雙機(jī)器人協(xié)同鋪絲過程中，機(jī)器人的任務(wù)分配方式對于協(xié)作效率有著重要影響。鋪絲過程中需要考慮復(fù)雜的絲束鋪疊關(guān)系和頻繁的絲束剪切動作等，需要對機(jī)器人進(jìn)行更為合理的任務(wù)分配，避免機(jī)器間產(chǎn)生相互干擾和沖突。在未知環(huán)境或者動態(tài)環(huán)境下進(jìn)行鋪絲時(shí)需要進(jìn)行動態(tài)任務(wù)分配和再分配，提高絲束鋪放效率。

（4）為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量精準(zhǔn)鋪絲，還需要為雙機(jī)器人鋪放過程的分析、建模和仿真提供配套的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃、后置處理、三維建模、運(yùn)動仿真以及質(zhì)量控制等功能。國內(nèi)對于自動鋪絲技術(shù)的研究起步較晚，缺乏成熟的設(shè)備和工藝技術(shù)支撐，相關(guān)的軟件系統(tǒng)仍處于初步探索階段，還需要從系統(tǒng)的運(yùn)算效率、準(zhǔn)確性和魯棒性等方面進(jìn)行不斷完善。

（5）增加鋪放系統(tǒng)中機(jī)器人的數(shù)量可以制造結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的零部件，并且能夠極大提高鋪放效率，是未來重要的研究方向之一。雙機(jī)器人鋪絲技術(shù)已在一些復(fù)雜零部件制造上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，但是基于兩臺機(jī)器人以上的多機(jī)器人協(xié)同鋪絲系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜程度顯著提高，運(yùn)動規(guī)劃難度增大，對控制算法提出了更高的要求，需要國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行更深入的研究。