2019年05月27日 | 刘亚威：航空制造推动新概念机器人发展（上）

目前，航空制造商正在越来越多地采用机器人来替代以往由人类和笨重设备来承担的单调工作和复杂任务，绝大部分机器人本质上与汽车装配流水线上的工业机器人一样。然而近年来，空客、波音、洛马等制造商正在研究将新概念机器人引入装配线，从事更加有挑战性的工作。未来，航空制造中的工业机器人将向新构型灵巧机器人和自主式协作机器人等新概念机器人发展。

一、新概念机器人及其关键技术

航空制造的特点决定了必须针对特定部件和工艺定制开发制造机器人，当前还有一些领域亟待新型机器人解决方案以提升效率和精度，如狭小空间装配、极端尺寸装配；同时，还存在一些不能完全由机器人替代人类完成的任务，需要人类和机器人在同一区域共同工作。本文以简单原则将新概念机器人分为两类，即新构型灵巧机器人和自主式协作机器人，两者之间依具体任务也可能存在交叉。

1．新构型灵巧机器人

面向航空制造的新构型灵巧机器人主要包括柔性关节机器人和并联运动机器人，它们最大的特征就在于不同于传统工业机器人的构型，以获得更大的运动自由度。

柔性关节也被称为“蛇形臂”，一般可以驱动30倍于直径的臂长，其挑战在于如何输送能量，以及在紧凑的结构中实现高动力输出。就像胳膊中筋把肌肉连接到骨关节一样，蛇形臂采用不锈钢线缆连接机器人的各个关节，将机器人基座内多达50个无刷换向直流电机的机械动力输送进蛇形臂，在产生足够扭矩的同时让每个关节可以独立旋转90度角。

典型的蛇形臂（OC机器人公司）

并联运动机器人是一项专利技术，突破了以往机器人自由度只能以串联方式得到的限制，也解决了以往并联构型无效自由度多、关节结构复杂、制造困难、刚性要求高、无间隙以及成本高等挑战。并联运动机器人实际上构成了一个金字塔形移动的三脚架，通过3个并联执行器依次连接2个串联执行器和1个末端执行器，以6个节点形成10个自由度，更好地了实现了柔性与刚性的结合。

并联运动概念（艾克斯康公司）

2．自主式协作机器人

美国防部认为下一代机器人就是自主式协作机器人，主要包括固定位置协作机器人和自由移动协作机器人，它们的重要特征就是能像工友一样与其它机器人或人类在一起工作，无需围栏的防护。具备更高级功能的自主式协作机器人还可以通过观察操作演示来学习并调整其功能，敏捷地变换用途，任务适应性的提升将使航空制造商以高生产率的柔性机器人系统，应对多品种、小批量生产。

人机协作机器人概念发展（库卡公司）

协作环境为协作机器人开发和应用带来的全新挑战。协作机器人与人类和其它机器发生接触是难免的，因此机器人必须设计得足够安全，具备识别潜在物理接触以及计划规避行动的能力，从而快速响应其路径规划、自主移动，并且在预定路线上能够敏捷地规避障碍。除了先进的自适应控制技术外，随着机器人自由度的增加，编程变得越发复杂和费力，将人工智能（自适应学习、推理等）装入机器人使其成为拥有“具身认知”（Embodied Cognition）的“亲密计算”（Intimation Computing）设备也是一个主要挑战。

典型协作机器人平台（库卡公司）

针对其能力要求以及挑战，协作机器人需要突破六项关键技术（1）总体设计技术，包括面向协作的机器人设计，人机/机机交互功能设计，监督下的运行保证功能设计；（2）机器人控制技术，包括学习与决策，自适应能力，快速改变用途；（3）灵巧操作技术，包括接近人类触觉阵列密度的传感器，下一代末端执行器，面向对象的算法；（4）自主导航与机动技术，包括导航、动态路径规划、障碍察觉和规避，机动性使能硬件和基础设施；（5）洞察与感知技术，包括感知模式分析和融合，智能监测与状态感知；（6）系统测试、验证和确认技术。

二、航空制造逐步应用新概念机器人

航空制造商正越来越多地利用工业机器人提升自动化水平，尤其是装配环节的大量需求，让众多美欧研究机构、机器人厂商、创新技术公司纷纷加入，与空客、波音、洛马、BAE系统公司等航空制造巨头一同开发各类新构型灵巧机器人和自主式协作机器人，并且众多成果已经通过技术验证或生产验证，即将或已经用于先进航空产品的制造中。

1．柔性关节机器人

英国OC机器人公司2001年就开发出了蛇形臂机器人原型，根据任务需求不同，臂的直径可从12.5mm到150mm不等，长度可从1m到10m，直径越大负载能力越高。操作员通过“头部跟随”原理控制机器人蜿蜒行进，当指令传递到蛇形臂尖端后，其余关节将按特定路径跟踪尖端行进。2006年公司与空客英国和库卡合作开发了用于狭小空间装配的蛇形臂机器人，其柔性足以将所需工具输送到机翼翼盒内部执行密封和墩粗等装配任务，让传统工业机器人无法达到的地方实现了自动化。德国弗劳恩霍夫机床与成形技术研究所2014年开发出了一种专用于机翼翼盒内部装配的蛇形臂机器人，机器人重60kg，包括总长2.5m、重15kg的8个关节段以及可重达15kg的末端执行器或检测摄像头，独特的齿轮系统、总计可产生500Nm扭矩的电机以及线缆-主轴驱动系统。机器人可以安装在移动平台或固定轨道上，在工作时沿着机翼移动从事复杂任务，比如每个翼盒约3000次的钻铆和密封操作。

翼盒内装配机器人概念（OC机器人公司）

翼盒内装配机器人演示（OC机器人公司）

此外，美空军研究实验室2017年演示了一种基于蛇形臂机器人的远程进入无损评价系统，机器人的末端是一个多轴操作头，包括多盏灯、小型摄像头和一个端口，让检查人员很容易放置各种可互换的无损检测工具，包括涡流探针。系统为无损检测工程人员和检查人员提供了一种新型、更好部署的解决方案，减少了检查时间、降低了人力和停飞成本，提升了安全性。

无损评价系统（美空军研究实验室）

2．并联运动机器人

瑞典艾克斯康2004年起就开始利用专利技术开发X系列并联运动机器人，目前已经用在了空客A350机翼壁板钻孔中。2016年，在英国航空技术研究院支持下，英国谢菲尔德大学波音先进制造研究中心（AMRC）通过“未来飞行器工厂”项目，联合空客和艾克斯康开发了一个轻量化和模块化版本的机器人，具有3个g的加速度，以及10μm的定位精度。新型机器人使用复合材料制造，包括5个模块，可以由2个人轻松拆卸和移动，并且工厂温度变化对执行器精度的影响更小。2017年，由洛克希德·马丁公司等合资成立的阿联酋艾克斯康有限公司将这款机器人定名为XMini并正式推出，机器人可以被分开并在机翼翼盒内部等狭小空间内重新组装，已经交付空客直升机公司，并可能用于F-35战斗机制造。2018年6月，空客A330neo、A350等飞机装配线交钥匙集成商Ascent航宇公司表示已经在自动化解决方案中引入了XMini机器人。

XMini机器人（埃克斯康公司）

XMini细节（艾克斯康公司）

并联运动机器人用语A350机翼装配（空客公司）

附：装备2018年军工装备技术交流会PPT（上半部分）

（中国航空工业发展研究中心  刘亚威）

本篇供稿：系统工程研究所

运 营：李沅栩