機器人在歐美航空領(lǐng)域的迅猛發(fā)展

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(shè)備來承擔的單調(diào)工作和復雜任務(wù)，絕大部分機器人本質(zhì)上與汽車裝配流水線上的沖壓機械手一樣。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(gòu)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、新構(gòu)型靈巧機器人

面向航空制造的新構(gòu)型靈巧機器人主要包括柔性關(guān)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(gòu)型，以獲得更大的運動自由度。

1.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。就像胳膊中筋把肌肉連接到骨關(guān)節(jié)一樣，蛇形臂采用不銹鋼線纜連接機器人的各個關(guān)節(jié)，將機器人基座內(nèi)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(guān)節(jié)可以獨立旋轉(zhuǎn)90度角。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(wù)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(guān)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(nèi)部執(zhí)行密封和墩粗等裝配任務(wù)，讓傳統(tǒng)工業(yè)機器人無法達到的地方實現(xiàn)了自動化。

2.并聯(lián)運動機器人是一項專利技術(shù)，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(gòu)型無效自由度多、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)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(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，更好地了實現(xiàn)了柔性與剛性的結(jié)合。2016年，在英國航宇技術(shù)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(nèi)部等狹小空間內(nèi)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。

二、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(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)率的柔性機器人系統(tǒng)，應(yīng)對多品種、小批量生產(chǎn)。

固定位置協(xié)作機器人分為三種：

1.執(zhí)行簡單協(xié)作任務(wù)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(wù)。空客A340機身D-Nose鉆孔采用了基于尼康測量公司自適應(yīng)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。美國空軍研究實驗室組織聯(lián)合開發(fā)了F-35戰(zhàn)斗機進氣道機器人鉆孔單元并于2010年投入使用，一臺帶有視景導引功能的機器人執(zhí)行鉆孔任務(wù)，另一臺加裝激光跟蹤系統(tǒng)的機器人測量鉆頭位置幫助鉆孔機器人定位，使鉆孔定位精度達到14μm。

2.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(wù)，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(nèi)設(shè)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，可謂世界之最。

3.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(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，之后聯(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A350熱塑性復合材料構(gòu)件的制造研究。

自由移動協(xié)作機器人分為兩種：

1.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，其上安裝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(shù)與先進材料研究所通過“大型復合材料結(jié)構(gòu)高效高生產(chǎn)率精密加工”（ProsihP II）項目開發(fā)了一個模塊化、自適應(yīng)、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(jié)構(gòu)。2016年，波音787后機身47和48段裝配開始使用與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(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臺機器人以便執(zhí)行測試和預先維修不會影響生產(chǎn)。

2.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(wù)，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，機器人在類似AVG的靈巧平臺上集成了LBR iiwa，DLR的自主工業(yè)移動機械手（AIMM）對omniRob進行了優(yōu)化，安裝了集成立體攝像頭的傾轉(zhuǎn)盤單元和圖案投影儀、基于FPGA的立體視覺處理器，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開展了人機協(xié)作研究，航空結(jié)構(gòu)部針對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，從這類簡單任務(wù)中解放老員工去從事更加復雜的任務(wù)；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。

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