航空航天制造领域工业机器人发展趋势

近来年

在航空航天制造领域中,工业机器人不仅需要执行常规的贴片、焊接、喷涂等工艺操作,还需承担特种工艺作业.相较于传统制造行业,航天器制造具有规模较大、结构复杂、性能指标精度要求高以及载荷重量大等特点,对工业机器人的结构设计、性能参数以及动作流程等方面提出了更高的技术标准.此外,由于航天器产品采用多种型号的小批量生产特点,对工业机器人提出了适应性强和可扩展性的更高要求,通过快速重构系统的能力可形成适应新工作环境及新任务的应用模式

国内外发展情况

针对行业的特种需求，在2012年底欧盟第七框架计划(FP7) "未来工厂"项目的资助下[2] ，德国等国家组成的联盟启动了VALERI计划 ，该计划旨在在未来三年内提升机器人先进识别能力并推动人机协作技术的发展 ，使机器人能够直接参与航空部件生产中的协作工作 ，实现人机协同作业而不受防护隔离的限制 ，从而将人类从繁琐重复性工作中解放出来 ，使其能够从事更具创造性和价值的工作 。参与该计划的核心研究机构包括弗劳恩霍夫工业操作与自动化研究院 、KUKA实验室 、FACC 、Profactor 、IDPSA 、PRODINTEC以及空客公司飞机制造部门等多个领域的研究与制造企业 。此外 ，英国复合材料中心NCC与GKN等航空航天企业合作投资400万美元研发双机械臂式自动纤维铺放系统 ，这一系统不仅提高了材料利用率并替代了龙门式工装设备 ，还显著降低了研发成本 。在国际层面 ，美国 、加拿大以及日本等 nations投入巨资研发适用于航空制造领域的工业机器人系统项目 。

21世纪以来, 我国企业积极研发或与科研机构协作开发工业机器人, 已逐步进入产业化阶段[3]。目前, 我国工业机器人的总体技术水平与国外先进水平相比仍存在明显差距, 大约相当于90年代中期国外先进水平的七成左右。由于高性能交流伺服电机和高精密减速器等关键部件长期依赖进口采购, 因此我国工业机器人产品的制造成本居高不下。瑞典ABB公司、日本FANUC、YASKAWA、MOTOMAN公司、德国KUKA公司以及美国Adept Technology等国际知名品牌的工业机器人占据了我国应用市场的90%份额。受此影响, 针对航空航天领域的产品制造与装配需求, 我国专用工业机器人系统研发仅处于起步阶段, 目前尚未形成规模化的完整产品系列。

尽管我国工业机器人技术及产品在航空部件装配、航天产品生产线以及卫星产品批量研制等领域的应用逐步在相关领域得到应用和推广，在国外技术发展已经取得显著成就的情况下仍面临着巨大的技术差距和发展挑战。本文通过系统分析近年来国内外相关领域的研究进展和发展趋势重点探讨其在非传统制造领域的主要技术需求以及我国工业机器人技术发展过程中面临的关键技术和突破性创新需求

技术需求分析

1 移动式工业机器人

在汽车电子及食品等行业的广泛应用中

一种典型的配置是将工业机器人系统安装于移动轨道上。基于安装位置的不同情况,该结构可分为龙门布置型（如图1(a)所示）和地轨布置型（如图1(b)所示）。

工业机器人的精度是由地面参考系至末端执行器间的所有关节与连杆误差积累的结果决定的。在轨道式配置中往往会被工作载荷、结构受力等因素所困扰而导致机构变形，并进一步影响加工精度。由于轨道变形具有随机性特点，在进行位置精度补偿时也会面临诸多困难。另外值得注意的是该轨道结构占用了较大的工作空间及基础区域因而必然会导致厂房建设投入及维护费用上升

采用轮式或履带式移动平台布置工业机器人是一种典型的配置方案。该布置方案以实现零件的环绕运动制造为目标，在围绕零件运动的同时完成加工制造任务。相较于气动辅助或轨道导向型移动平台而言，这种布置方式显著提升了装置的柔性和灵活性，并且对厂房基础建设和气源供应的要求相对较低，在节省外部设备投入和维护成本方面具有明显优势。通过使用大尺寸定位系统获取无接触位置数据的方法来解决机器人末端执行器与加工工件之间的误差问题，在实时补偿的基础上能够有效提高加工精度。美国西南研究机构(Southwest Research Institute, SwRI)基于商用或军用飞机喷涂任务需求，在其研发的商业用途全向轮动 platforms上集成Vetex公司麦卡纳姆全向轮式移动平台、莫托曼工业机器人及尼康iGPS系统构建了一套新型工业机器人系统MR ROAM 2.该系统末端执行器精度可达到0.5英寸(1英寸=25.4毫米)，满足当前喷涂作业的技术要求，并且如果采用惯性传感器技术，则有望将精度提升至1毫米甚至更高水平。奥地利航空公司则采用了KUKA公司的全向无轴（omniMove）系统来更换大型飞机引擎，在缩短作业时间的同时实现了精确控制（从16小时降至5小时）。此外该系统还能够实现毫米级定位精度并避免有害物质排放及环境污染问题。卡内基梅隆大学国家机器人工程中心(NREC)与CTC公司等多家机构合作开发了一套基于不同机型灵活组态的移动式工业机器人辅助涂装系统（如图）。该系统根据具体机型大小自动组合不同规格的机器人不仅可以取代传统的机械摩擦或化学腐蚀去污方法还避免了有害废弃物产生以及空气污染问题同时大幅降低了涂装工作量和操作时间从而减少了所需专用支架车的数量并降低了维护成本最终满足了多工位多时段多种卫星装配的需求[4]

移动式工业机器人在航空航天领域的潜在应用不仅限于大部件装配技术，并涵盖了多种表面处理技术如喷涂喷砂无损检测等；此外还涉及焊接铆接工艺；同时涵盖核技术生物技术及化工领域的表面清洁工艺以及快速成型技术等多种先进制造工艺

2 多臂协同工业机器人

虽然单臂工业机器人在自动化制造方面展现出显著的优势,但它在空间分布特性,功能分布特性,任务并行能力和作业容错度等关键方面仍存在明显的不足.特别是在航空领域的大规模零部件制造与装配过程中,它所展现出的灵活性,可靠性,抗振能力和负载能力等方面的限制尤为突出.由此可见,80年代以来多臂工业机器人系统受到了越来越广泛的重视.

多臂工业机器人系统主要可分为松耦合型与紧耦合型[5]。松耦合型系统常见于汽车制造等自动化装配场景中，在这种架构下, 每个工业机器人均具备独立的操作目标, 且彼此之间并未构成完整的闭环结构;而紧耦合型系统则要求各个机器人直接接触操作对象, 并通过相互作用力形成内力支持, 进而构建出具有内部约束力的闭环机构。在实际应用中, 通过部署多个紧耦合型工业机器人进行协同作业能够显著地抑制振动现象, 减少机械变形程度的同时, 还可取代传统固定工装 fixture systems的应用场景, 其优势在于能够高效完成大型物体搬运、精确调姿以及复杂零件对接装配等多种任务需求。

双臂机器人属于多臂协作机器人的一种常见类型，在仿生学原理指导下设计制造。它通常模仿人体的双臂结构以及交互行为模式，在受限空间内能够高效执行装配与检测任务，并通过图示辅助理解流程（图）。面向航空制造领域的双臂协同机器人系统则具备两类核心功能：一类是遥操作功能，在此过程中系统能够精准且稳定地执行远距离操作指令；另一类是基于力觉反馈感知和任务流程信息自主规划动作序列完成装配与检测。前者注重动作执行的精确性和可靠性，后者则强化了动作灵活性及协调性

两个以上工业机器人的协同控制问题相较于双臂机器人系统的应用范围虽已未及其实现水平但其在处理更为复杂的操作方面展现出显著潜力。目前的研究重点主要集中在多自由度工业机器人的协同作业机制上日本研究人员通过配置5个配备力学传感器与视觉感知装置的先进设备开发出了具备弯曲与缠绕线缆能力的新一代多臂机器人系统该系统特别适用于航空产品自动化线路布置工作为了探索此类机器人的协作特性日本东北大学韩国首尔国立大学等高校致力于研究多自由度工业机器人的协作构型及其控制策略成功实现了具备人机协作能力的新一代多自由度机器人系统能够实现对同一部件的搬运及姿态调节操作

此外还可以用于航空复合材料的自动铺放生产系统中

3 末端伺服工业机器人

航空航天产品的制造与装配过程中最为关键的就是产品的加工精度问题；尤其是大尺寸部件制造中对绝对定位和运动轨迹精确度的要求更为苛刻；当前工业机器人的重复点对点准姿度较高；但在总体点对点准姿度上仍存在明显差距；这已无法满足飞机数字化装配对总体点对点准姿度低于0.5毫米的要求[6]；工业机器人大都采用开环式串联结构；这种结构受负载力、重力加速度、环境温度等因素的影响；导致各连杆均会产生累积误差；而各零部件及工夹具与固定基座之间由于加工过程中的形变也会带来额外误差；通过提升关节系统的准姿度以及减小连杆变形的方法虽然能有所改善；但作用十分有限；因此必须采取精确引导末端执行器的方式来实现运动轨迹的伺服控制；目前国际上有三种主要采用的方法：

(1)采用光学测量仪器，如激光跟踪仪，iGPS;

(2)采用立体视觉测量系统，如双目或多目视觉;

(3)采用力觉检测系统，如加速度计等。

Premium航空技术公司在A350飞机碳纤维增强复合材料机身制造过程中，在激光跟踪仪的指导下实现两台工业机器人同步完成弦杆粘贴作业。该弦杆长度为18米，在径向方向上允许的最大偏差为±0.3毫米。FANUC America公司通过集成多摄像头、可远程定位的iRVision视觉引导系统、配备学习振动控制功能的学习振动控制系统(LVC)以及次级编码器等技术手段构建了高精度解决方案。不仅通过数据修正优化了末端执行器的振动控制效果至最低水平，并且实现了对不同位置同型工件的一键式加工工艺应用。在提升机器人生产效率的同时实现了地面作业空间的合理节约。

除了利用高精度测量仪器之外，在构建定位误差模型及相应的补偿算法方面也是提高定位精度的关键措施之一。

4 灵巧关节工业机器人

航空产品通常具有复杂的结构和紧凑的空间配置，并且对清洁度有较高的要求；其可执行装配、检测及清洁操作的空间十分有限；因此人工操作难度大且效率低下；传统的工业机器人由于其关节尺寸较大，在狭小空间内难以完成此类任务；模仿生物如大象鼻子与章鱼触须等具有柔韧多节特性的灵巧关节设计而发展出的一类新型工业机器人应运而生；英国OC Robotics公司为其开发了一款专门用于空中客车维护作业的系列蛇形臂机器人设备（如图8所示），该设备具备钻入机翼内部的能力，并能执行必要的检测、紧固和密封作业。

OC Robotics公司蛇形臂机器人

航空大部件产品制造、装配和维护流程有时需要依靠敲击振动过程（图7），例如铆接操作有时也需要避免与作业环境或人产生碰撞。传统刚性关节工业机器人因受限于传感器测量带宽及计算速度等因素，在面对快速冲击时无法及时响应[7]（德国内部报告），因而难以适应瞬时加速或较大力矩的工作场景，并且其工作空间必须保持封闭以确保安全运行。工业机器人的灵巧性还体现在采用柔性关节设计上：其内部包含弹性环节，在测控关节输出力矩的基础上实现了力控制精度与稳定性的提升（较传统关节更高水平）。这种弹性环节不仅能够存储能量，在必要时刻还能快速释放以产生较大的作用力矩。采用柔性关节设计的工业机器人不仅具备较高的安全性（可与人直接交互），还能够实现作业现场的最大开放性和移动灵活性（便于多环境适应）。德国宇航中心DLR、美国Meka Robotics公司以及瑞典ABB公司等在柔性关节技术领域已开展了深入研究工作，并逐渐推出了相关产品。

亟需解决的关键技术

1 工业机器人末端执行器精确伺服

多采用谐波减速器作为串联结构工业机器人的主要传动机构具有显著优势。由于其关节刚度较低的特点，在提高定位精度方面面临着诸多挑战：首先需对机器人的关节刚度、位置误差以及由温度引起的变形等关键参数进行精确辨识以建立相应的误差模型或误差矩阵；其次需通过精度补偿算法对末端执行器的位置进行伺服修正这一过程可采用离线或在线两种方式进行实现：离线方式则需将空间网格误差、刚度误差以及温度误差等补偿数据预置于控制算法中；而在线方式则需结合激光跟踪仪、立体视觉系统等传感器技术对末端位置进行实时监测并实施闭环控制以确保较高的定位精度要求；此外在制造过程中大尺寸部件的振动及其移动平台产生的振动也会影响机器人加工精度及产品质量因此亟需提出一种快速高效辨识关节刚度及温度补偿方法同时融合多种光视力觉传感器实现空间布局优化以及开发一种动态抑制振颤的技术以提升末端执行器的伺服精度

2 冗余自由度机器人运动规划与力/位控制

移动式工业机器人及紧耦合多臂协同 industrial robot 均属于拥有冗余自由度的 robotic 系统。针对移动式 industrial robot, 不仅要求其移动部件的定位与局部运动轨迹规划, 还有必要对末端执行器的轨迹实施精确规划。在喷涂与检测等动态应用场景中, 移动式 industrial robot 必须实现上下部实时规划与协同运动控制。在制孔及铆接等力/位伺服应用领域, 由于底端支承结构缺失, 机器人在单边载荷操作过程中的力反馈控制成为关键问题。当 robotic 系统具备高度冗余自由度时, 会引起运动学上的不确定性（不同姿态下的操作对象空间位置重叠）以及动力学上的不确定性（同一对象被不同 robot 手段施加的作用力不唯一）。传统单 robot 控制体系无法直接适用于冗余自由度 robotic 系统的协调控制问题, 因此必须深入解析多 robot 系统的运动学特性及其动力学行为特征, 建立能够完整描述整体协调系统动力学特性的数学模型方程组, 才能实现精确的目标协调控制策略设计。基于此, 多冗余自由度 robotic 系统的动力学建模方法研究、多种约束条件下的广义坐标求解算法设计、负载分配策略优化、闭链内力平衡协调机制构建以及动态环境下的逆向动力学控制方案制定等问题构成了影响该类 robotic 系统性能的关键技术挑战。

3 工业机器人灵巧结构与柔性关节

包含法向检测装置、切削清理系统、刀具润滑组件以及工具夹具快速更换设备等在内的末端执行机构通常具有较大的总体积与重量。为此串联式结构工业机器人各节杆件的总体积与功耗也随之逐步增大。为了实现较大的刚度与自振频率以及降低非线性干扰问题工业机器人通常配备有臂杆平衡机构配置因此导致整套制造系统具备较大的体积重量消耗较高的能耗较低的负载-自重比且在工装布置空间有限的情况下不利于多机器人协同作业及效率提升。目前面向航空领域复杂狭窄部件装配检测的串联多关节仿生机械臂仍需进一步提高其负载能力与刚性性能。此外加工对象为复合材料或薄壁型件容易产生变形现象在制造过程中为防止接触应力过高导致机器人或工件损坏需对机器人与其加工对象之间施加柔性控制策略随着制造环境趋于开放化人机协作作业模式逐渐成为主流趋势而其中的安全性保障也成为亟待解决的关键问题因而机器人的碰撞感知功能必不可少基于这些需求工业机器人必须从结构设计驱动优化入手大幅降低能耗并提高负载-自重比同时要求关节机构具备模块化集成特性以充分考虑碰撞力感知与主动柔顺控制需求为此新型机器人结构设计轻量化模块化架构设计弹性环节集成化的柔性关节设计及其配套的先进传感器集成方案智能避碰实时检测与快速响应控制方案成为实现航空航天领域工业机器人高度智能化的关键技术

4 机器人全向移动平台

移动式平台是提升工业机器人柔性制造能力的关键基础设施。此外，作为半自动机器人系统的一部分，在航空航天制造过程中发挥着关键作用，在总装对接和工序流转中不可或缺。它能够取代大尺寸设备在运输与装配过程中使用的轨道、气垫以及轮式专用运输车等设施，并引领了载重运输领域的趋势。KUKA公司在高端制造业中率先推出了全向移动平台系统，并成功应用于Premium AEROTEC公司用于机身成型模具的转运工作。德国CFT公司则开发出一系列全向移动解决方案：包括MC-Drive TP 200、MC-Drive TP 60以及MC-drive PT 200-WHT型号的产品线，在英国、美国与德国等地得到了广泛应用，在飞机机身、机翼转运以及发动机加工领域发挥着重要作用。这类全向移动运输系统通常需满足以下技术条件：

(1)平面全向移动能力，包括任意方向平移和任意定点回转，作业空间要求低;

(2) 承载能力及支撑尺度显著提升；设备在应对大型部件的运输与作业工况时展现出卓越的稳定性。

该系统具备三维调节性能及定位效能，并展现出卓越的调节精确度（位置精确度达±1毫米，在俯仰与偏航方向上的调节精确度均高于0.02度，在水平度方向上的调节精确度超过每米0.2毫米）

(4)运动速度快，调速范围宽，流转效率高;

(5)能源、控制、执行等系统集成度高，结构紧凑;

(6)拓展性好，能够承载多种作业装备;

(7)操控简便，自动化程度高，减少人工干预。

为此

5 工业机器人智能工艺规划

随着航空航天装备向着小型化、轻量化和精密化方向演进，在满足填充密度及装配精度要求的同时也面临着较高的装配难度。多采用虚拟装配技术以提高一次性成功率及装配质量。工业机器人需配备规格多样化的末端执行器，在面对不同型号产品时仍需完成相似类型的制造与装配作业。当运用工业机器人进行柔性自动化装配时，则必须对操作流程中的关键参数进行精确规划并借助离线编程完成干涉检测与指令输出等基础工作。此外，在处理复杂的零部件配合关系时不仅需要考虑其间的尺寸衔接问题还需实时掌握前道工序的信息以便及时调整后续加工安排以确保整体生产协调性。基于此，在开发面向航空航天复杂装备的柔性生产系统时，工业机器人需解决快换装置设计、离线编程优化以及柔性装配工艺规划等问题以实现更高效率下的精确控制

结束语

针对航空航天制造领域的大规模、高精度、多品种以及小批量的特点，
企业亟需实现产品质量提升与成本降低的目标，
并迅速适应市场竞争环境的变化。
工业机器人作为推动企业生产模式转型升级的重要技术手段，
将在提升装备先进制造能力方面发挥关键作用。
当前新型材料的应用需求与高精加工技术的发展趋势，
对工业机器人的技术性能提出了更高要求；
与此同时，
复杂的装配工艺也对机器人的人机协作能力提出了新的挑战。
因此，
只有通过制造企业和机器人研发团队的紧密合作，
针对实际应用中的关键技术进行深入研究与突破，
才能使工业机器人技术在航空航天领域持续创新与发展