目前，航空制造商正在越來越多地采用機(jī)器人來替代以往由人類和笨重設(shè)備來承擔(dān)的單調(diào)工作和復(fù)雜任務(wù)，絕大部分機(jī)器人本質(zhì)上與汽車裝配流水線上的工業(yè)機(jī)器人一樣。然而近年來，空客、波音、洛馬等制造商正在研究將新概念機(jī)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(jī)器人將向新構(gòu)型靈巧機(jī)器人和自主式協(xié)作機(jī)器人等新概念機(jī)器人發(fā)展。

新概念機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)

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(jī)器人，當(dāng)前還有一些領(lǐng)域亟待新型機(jī)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(jī)器人替代人類完成的任務(wù)，需要人類和機(jī)器人在同一區(qū)域共同工作。新概念機(jī)器人分為兩類，即新構(gòu)型靈巧機(jī)器人和自主式協(xié)作機(jī)器人，兩者之間依具體任務(wù)也可能存在交叉。

新構(gòu)型靈巧機(jī)器人

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

柔性關(guān)節(jié)也被稱為“蛇形臂”，一般可以驅(qū)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(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高動力輸出。蛇形臂采用不銹鋼線纜連接機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)，將機(jī)器人基座內(nèi)多達(dá)50個無刷換向直流電機(jī)的機(jī)械動力輸送進(jìn)蛇形臂，在產(chǎn)生足夠扭矩的同時讓每個關(guān)節(jié)可以獨立旋轉(zhuǎn)90度角。

并聯(lián)運動機(jī)器人是一項專利技術(shù)，突破了以往機(jī)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(gòu)型無效自由度多、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)器人實際上構(gòu)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(xiàn)了柔性與剛性的結(jié)合。

自主式協(xié)作機(jī)器人

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

協(xié)作環(huán)境為協(xié)作機(jī)器人開發(fā)和應(yīng)用帶來全新挑戰(zhàn)。協(xié)作機(jī)器人與人類和其他機(jī)器發(fā)生接觸是難免的，因此機(jī)器人必須設(shè)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(yīng)其路徑規(guī)劃、自主移動，并且在預(yù)定路線上能夠敏捷地規(guī)避障礙。除了先進(jìn)的自適應(yīng)控制技術(shù)外，隨著機(jī)器人自由度的增加，編程變得越發(fā)復(fù)雜和費力，將人工智能裝入機(jī)器人使其成為擁有“具身認(rèn)知”的“親密計算”設(shè)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(jī)器人需要突破6項關(guān)鍵技術(shù)：總體設(shè)計技術(shù)，包括面向協(xié)作的機(jī)器人設(shè)計，人機(jī)/機(jī)機(jī)交互功能設(shè)計，監(jiān)督下的運行保證功能設(shè)計；機(jī)器人控制技術(shù)，包括學(xué)習(xí)與決策，自適應(yīng)能力，快速改變用途；靈巧操作技術(shù)，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?qū)ο蟮乃惴?；自主?dǎo)航與機(jī)動技術(shù)，包括導(dǎo)航、動態(tài)路徑規(guī)劃、障礙察覺和規(guī)避，機(jī)動性使能硬件和基礎(chǔ)設(shè)施；洞察與感知技術(shù)，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(rèn)技術(shù)。

航空制造逐步應(yīng)用新概念機(jī)器人

航空制造商正越來越多地利用工業(yè)機(jī)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(jī)構(gòu)、機(jī)器人廠商、創(chuàng)新技術(shù)公司紛紛加入，與空客、波音、洛馬、BAE系統(tǒng)公司等航空制造巨頭一同開發(fā)各類新構(gòu)型靈巧機(jī)器人和自主式協(xié)作機(jī)器人，并且眾多成果已經(jīng)通過技術(shù)驗證或生產(chǎn)驗證，即將或已經(jīng)用于先進(jìn)航空產(chǎn)品的制造中。

柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人

英國OC機(jī)器人公司2001年開發(fā)出蛇形臂機(jī)器人原型，根據(jù)任務(wù)需求不同，臂的直徑可從12.5毫米到150毫米不等，長度可從1米到10米，直徑越大負(fù)載能力越高。操作員通過“頭部跟隨”原理控制機(jī)器人蜿蜒行進(jìn)，當(dāng)指令傳遞到蛇形臂尖端后，其余關(guān)節(jié)將按特定路徑跟蹤尖端行進(jìn)。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(jī)器人，其柔性足以將所需工具輸送到機(jī)翼翼盒內(nèi)部執(zhí)行密封和墩粗等裝配任務(wù)，讓傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無法達(dá)到的地方實現(xiàn)了自動化。德國弗勞恩霍夫機(jī)床與成形技術(shù)研究所2014年開發(fā)出了一種專用于機(jī)翼翼盒內(nèi)部裝配的蛇形臂機(jī)器人，機(jī)器人重60千克，包括總長2.5米、重15千克的8個關(guān)節(jié)段以及最多重達(dá)15千克的末端執(zhí)行器或檢測攝像頭，獨特的齒輪系統(tǒng)總計可產(chǎn)生500Nm扭矩的電機(jī)以及線纜-主軸驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)器人可以安裝在移動平臺或固定軌道上，在工作時沿著機(jī)翼移動從事復(fù)雜任務(wù)，比如每個翼盒約3000次的鉆鉚和密封操作。

并聯(lián)運動機(jī)器人

瑞典艾克斯康2004年起就開始利用專利技術(shù)開發(fā)X系列并聯(lián)運動機(jī)器人，目前已經(jīng)用于空客A350機(jī)翼壁板鉆孔中。2016年，在英國航宇技術(shù)研究院支持下，英國謝菲爾德大學(xué)波音先進(jìn)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(jī)器人，具有3個g的加速度，以及10μm的定位精度。新型機(jī)器人使用復(fù)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(jī)器人定名為XMini并正式推出，機(jī)器人可被分開并在機(jī)翼翼盒內(nèi)部等狹小空間內(nèi)重新組裝，已經(jīng)交付空客直升機(jī)公司，并可能用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)制造。2018年6月，空客A330neo、A350等飛機(jī)裝配線交鑰匙集成商Ascent航宇公司表示已經(jīng)在自動化解決方案中引入了XMini機(jī)器人。

固定位置協(xié)作機(jī)器人

一是執(zhí)行簡單協(xié)作任務(wù)的雙機(jī)器人系統(tǒng)，兩臺機(jī)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(wù)?？湛虯340機(jī)身D-Nose鉆孔采用了基于尼康測量公司自適應(yīng)機(jī)器人控制概念的定位系統(tǒng)，在光學(xué)坐標(biāo)測量機(jī)的控制下，兩臺機(jī)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(dá)索航空等企業(yè)聯(lián)合于2012年啟動的歐盟框架計劃“復(fù)合材料和混合結(jié)構(gòu)的低成本制造和裝配”（LOCOMACHS）項目，也針對復(fù)合材料和金屬疊層結(jié)構(gòu)件鉆孔開發(fā)了創(chuàng)新的解決方案，一臺機(jī)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(jié)構(gòu)件另一邊的機(jī)器人執(zhí)行鉆孔操作，該方案可降低疊層鉆孔成本達(dá)50%。

二是執(zhí)行復(fù)雜協(xié)作的多機(jī)器人系統(tǒng)，集成在固定位置或空間多軌道上的多臺機(jī)器人共同完成更多樣的任務(wù)，包括與人的協(xié)作。2015年，達(dá)索系統(tǒng)公司與美國威奇托州立大學(xué)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(nèi)設(shè)置了由9臺ABB機(jī)器人組成的多機(jī)器人先進(jìn)制造協(xié)作示范線。其中，4臺機(jī)器人安裝在空間兩側(cè)的地面軌道上，2臺機(jī)器人安裝在其中一側(cè)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(fù)合材料，還可以執(zhí)行銑削、掃描操作以及其他多種先進(jìn)制造技術(shù)，加速生產(chǎn)、減少零件數(shù)量并消除制造浪費。此外，波音在777X飛機(jī)機(jī)翼翼梁檢測單元中使用了一字排開的近12臺庫卡機(jī)器人，共同夾持部件以使1臺超聲檢測機(jī)器人完成自動檢測，同時在另一個單元中使用了近20臺機(jī)器人，與工人配合完成手工檢測。

三是執(zhí)行人機(jī)協(xié)作的類人機(jī)器人，一般采用基于人類手臂設(shè)計的7軸結(jié)構(gòu)，在每段結(jié)構(gòu)內(nèi)都集成了防撞功能和關(guān)節(jié)力矩傳感器，在接觸到人時會自動遠(yuǎn)離，具有很高的柔性、精度、靈敏度和安全性。此類機(jī)器人首推庫卡公司的智能工業(yè)作業(yè)輔助輕量化機(jī)器人（LBRiiwa），它由德國航空航天中心（DLR）機(jī)器人與機(jī)電一體化研究所于1995年開發(fā)并用于人機(jī)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(shè)計獎。目前DLR正將其用于空客A350熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的制造研究。

自由移動協(xié)作機(jī)器人

一是基于大型移動平臺的傳統(tǒng)機(jī)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(jī)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(shù)與先進(jìn)材料研究所通過“大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高效高生產(chǎn)率精密加工”（ProsihPⅡ）項目開發(fā)了一個模塊化、自適應(yīng)、可移動機(jī)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(jìn)行了試驗，多個系統(tǒng)同時操作可以加工30米的機(jī)翼和機(jī)身主結(jié)構(gòu)。

2016年，波音787后機(jī)身47和48段裝配使用與Electroimpact公司合作開發(fā)的Quadbots多機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)由4臺裝配機(jī)器人組成并且采用防撞功能支撐協(xié)作，每個機(jī)器人都可以鉆孔、锪孔、檢測孔質(zhì)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(jī)器人以便執(zhí)行測試和預(yù)先維修。此外，2016年波音還獲得了一項“機(jī)身自動化制造廠”專利，車間地板以RFID標(biāo)識出6個裝配單元，鉆鉚機(jī)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(chǎn)速度和訂單分派任務(wù)，通過運送部件的AGV控制工作和運動時間，AGV可自主地根據(jù)任務(wù)在等候區(qū)和各單元之間搬運機(jī)器人和工裝，實現(xiàn)更廣泛意義上的機(jī)機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)，類人機(jī)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(fù)雜任務(wù)，可以說代表了協(xié)作機(jī)器人的最高水平。庫卡公司自2008年起開始推廣其omniRob移動機(jī)器人，機(jī)器人能夠在未知地形工作并且響應(yīng)多種任務(wù)，實現(xiàn)自主化運行。2016年，英國GKN航宇旗下?？撕娇战Y(jié)構(gòu)和起落架業(yè)務(wù)部分別基于omniRob開展了人機(jī)協(xié)作研究，航空結(jié)構(gòu)部針對空客A350外襟翼，讓機(jī)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(jī)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(fù)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(jìn)協(xié)作機(jī)器人驗證”項目對其開發(fā)的原型移動機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)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(wù)，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(jìn)一步提升安全性。空客在“未來裝配”計劃中與安川電機(jī)合作，利用其HIRO雙臂擬人機(jī)器人來執(zhí)行空客A380方向舵梁的人機(jī)協(xié)作裝配，實施抓取、插入和預(yù)裝鉚釘?shù)茹T接任務(wù)，成為歐洲工業(yè)中首個與人類并肩工作的擬人機(jī)器人，讓人機(jī)協(xié)作看起來更具人工智能，這種機(jī)器人目前擴(kuò)展到了空客A350平尾翼盒裝配線。

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