發(fā)表時間：2019-02-26 次數(shù)：580 作者：航空制造網(wǎng)
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、波音、洛馬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。
一、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。本文以簡單原則將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。
1、新構型靈巧機器人
面向航空制造的新構型靈巧機器人主要包括柔性關節(jié)機器人和并聯(lián)運動機器人，它們最大的特征就在于不同于傳統(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(xiàn)高動力輸出。就像胳膊中筋把肌肉連接到骨關節(jié)一樣，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(chǎn)生足夠扭矩的同時讓每個關節(jié)可以獨立旋轉90度角。
典型的蛇形臂（OC機器人公司）
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，更好地了實現(xiàn)了柔性與剛性的結合。
并聯(lián)運動概念（艾克斯康公司）
2、自主式協(xié)作機器人
美國國防部認為下一代機器人就是自主式協(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，它們的重要特征就是能像工友一樣與其它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(chǎn)率的柔性機器人系統(tǒng)，應對多品種、小批量生產(chǎn)。
人機協(xié)作機器人概念發(fā)展（KUKA公司）
協(xié)作環(huán)境為協(xié)作機器人開發(fā)和應用帶來的全新挑戰(zhàn)。協(xié)作機器人與人類和其它機器發(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（自適應學習、推理等）裝入機器人使其成為擁有“具身認知”（Embodied Cognition）的“親密計算”（IntimationComputing）設備也是一個主要挑戰(zhàn)。
典型協(xié)作機器人平臺（KUKA公司）
針對其能力要求以及挑戰(zhàn)，協(xié)作機器人需要突破六項關鍵技術（1）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；（2）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；（3）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；（4）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；（5）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；（6）系統(tǒng)測試、驗證和確認技術。
二、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、波音、洛馬、BAE系統(tǒng)公司等航空制造巨頭一同開發(fā)各類新構型靈巧機器人和自主式協(xié)作機器人，并且眾多成果已經(jīng)通過技術驗證或生產(chǎn)驗證，即將或已經(jīng)用于先進航空產(chǎn)品的制造中。
1、柔性關節(jié)機器人
英國OC機器人公司2001年就開發(fā)出了蛇形臂機器人原型，根據(jù)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(xiàn)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(chǎn)生500Nm扭矩的電機以及線纜-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。
翼盒內裝配機器人概念（OC機器人公司）
翼盒內裝配機器人演示（OC機器人公司
此外，美國空軍研究實驗室2017年演示了一種基于蛇形臂機器人的遠程進入無損評價系統(tǒng)，機器人的末端是一個多軸操作頭，包括多盞燈、小型攝像頭和一個端口，讓檢查人員很容易放置各種可互換的無損檢測工具，包括渦流探針。系統(tǒng)為無損檢測工程人員和檢查人員提供了一種新型、更好部署的解決方案，減少了檢查時間、降低了人力和停飛成本，提升了安全性。
無損評價系統(tǒng)（美國空軍研究實驗室）
2、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(jīng)用在了空客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，具有3個g的加速度，以及10μm的定位精度。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，機器人可以被分開并在機翼翼盒內部等狹小空間內重新組裝，已經(jīng)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(jīng)在自動化解決方案中引入了XMini機器人。
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