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看完這篇文章,你能想象歐美航空機器人發展到什麼程度了!

目前,航空製造商正在越來越多地採用機器人來替代以往由人類和笨重裝置來承擔的單調工作和複雜任務,絕大部分機器人本質上與汽車裝配流水線上的工業機器人一樣。然而近年來,空客、波音、洛馬等製造商正在研究將新概念機器人引入裝配線,從事更加有挑戰性的工作。未來,航空製造中的工業機器人將向新構型靈巧機器人和自主式協作機器人等新概念機器人發展。

來源:空天防務觀察 作者:劉亞威

一、新概念機器人及其關鍵技術

航空製造的特點決定了必須針對特定部件和工藝定製開發製造機器人,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

面向航空製造的新構型靈巧機器人主要包括柔性關節機器人和並聯運動機器人,它們最大的特徵就在於不同於傳統工業機器人的構型,以獲得更大的運動自由度。

柔性關節也被稱為“蛇形臂”,一般可以驅動30倍於直徑的臂長,其挑戰在於如何輸送能量,以及在緊湊的結構中實現高動力輸出。就像胳膊中筋把肌肉連線到骨關節一樣,蛇形臂採用不鏽鋼線纜連線機器人的各個關節,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,在產生足夠扭矩的同時讓每個關節可以獨立旋轉90度角。

典型的蛇形臂(OC機器人公司)

並聯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方式得到的限制,也解決了以往並聯構型無效自由度多、關節結構複雜、製造困難、剛性要求高、無間隙以及成本高等挑戰。並聯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個並聯執行器依次連線2個串聯執行器和1個末端執行器,以6個節點形成10個自由度,更好地了實現了柔性與剛性的結合。

並聯運動概念(艾克斯康公司)

2、自主式協作機器人

美國國防部認為下一代機器人就是自主式協作機器人,主要包括固定位置協作機器人和自由移動協作機器人,它們的重要特徵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。具備更高階功能的自主式協作機器人還可以通過觀察操作演示來學習並調整其功能,敏捷地變換用途,任務適應性的提升將使航空製造商以高生產率的柔性機器人系統,應對多品種、小批量生產。

人機協作機器人概念發展(KUKA公司)

協作環境為協作機器人開發和應用帶來的全新挑戰。協作機器人與人類和其它機器發生接觸是難免的,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避行動的能力,從而快速響應其路徑規劃、自主移動,並且在預定路線上能夠敏捷地規避障礙。除了先進的自適應控制技術外,隨著機器人自由度的增加,程式設計變得越發複雜和費力,將人工智慧(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)裝置也是一個主要挑戰。

典型協作機器人平臺(KUKA公司)

針對其能力要求以及挑戰,協作機器人需要突破六項關鍵技術(1)總體設計技術,包括面向協作的機器人設計,人機/機機互動功能設計,監督下的執行保證功能設計;(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感測器,下一代末端執行器,面向物件的演算法;(4)自主導航與機動技術,包括導航、動態路徑規劃、障礙察覺和規避,機動性使能硬體和基礎設施;(5)洞察與感知技術,包括感知模式分析和融合,智慧監測與狀態感知;(6)系統測試、驗證和確認技術。

二、航空製造逐步應用新概念機器人

航空製造商正越來越多地利用工業機器人提升自動化水平,尤其是裝配環節的大量需求,讓眾多美歐研究機構、機器人廠商、創新技術公司紛紛加入,與空客、波音、洛馬、BAE系統公司等航空製造巨頭一同開發各類新構型靈巧機器人和自主式協作機器人,並且眾多成果已經通過技術驗證或生產驗證,即將或已經用於先進航空產品的製造中。

1、柔性關節機器人

英國OC機器人公司2001年就開發出了蛇形臂機器人原型,根據任務需求不同,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後,其餘關節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了用於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行密封和墩粗等裝配任務,讓傳統工業機器人無法達到的地方實現了自動化。德國弗勞恩霍夫機床與成形技術研究所2014年開發出了一種專用於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個關節段以及最多重達15kg的末端執行器或檢測攝像頭,獨特的齒輪系統總計可產生500Nm扭矩的電機以及線纜-主軸驅動系統。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複雜任務,比如每個翼盒約3000次的鑽鉚和密封操作。

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年演示了一種基於蛇形臂機器人的遠端進入無損評價系統,機器人的末端是一個多軸操作頭,包括多盞燈、小型攝像頭和一個埠,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(美國空軍研究實驗室)

2、並聯運動機器人

瑞典艾克斯康2004年起就開始利用專利技術開發X系列並聯運動機器人,目前已經用在了空客A350機翼壁板鑽孔中。2016年,在英國航宇技術研究院支援下,英國謝菲爾德大學波音先進製造研究中心(AMRC)通過“未來飛行器工廠”專案,聯合空客和艾克斯康開發了一個輕量化和模組化版本的機器人,具有3個g的加速度,以及10μm的定位精度。新型機器人使用複合材料製造,包括5個模組,可以由2個人輕鬆拆卸和移動,並且工廠溫度變化對執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酋艾克斯康有限公司將這款機器人定名為XMini並正式推出,機器人可以被分開並在機翼翼盒內部等狹小空間內重新組裝,已經交付空客直升機公司,並可能用於F-35戰鬥機製造。2018年6月,空客A330neo、A350等飛機裝配線交鑰匙整合商Ascent航宇公司表示已經在自動化解決方案中引入了XMini機器人。

XMini機器人(埃克斯康公司)

XMini細節(艾克斯康公司)

並聯運動機器人用於A350機翼裝配(空客公司)

3、固定位置協作機器人

一是執行簡單協作任務的雙機器人系統,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、鑽孔等任務。空客A340機身D-Nose鑽孔採用了基於尼康測量公司自適應機器人控制概念的定位系統,在光學座標測量機的控制下,兩臺機器人合力將工件搬運至精確的鑽孔位置。美國空軍研究實驗室組織聯合開發了F-35戰鬥機進氣道機器人鑽孔單元並於2010年投入使用,一臺帶有視景導引功能的機器人執行鑽孔任務,另一臺加裝鐳射跟蹤系統的機器人測量鑽頭位置幫助鑽孔機器人定位,使鑽孔定位精度達到14μm。2017年,英國謝菲爾德大學波音先進製造研究中心(AMRC)聯合庫卡公司開發的鍃孔單元應用於F-35製造,一臺集成了非接觸測量功能的鍃孔機器人對預製孔進行精確定位,另一臺機器人則代替昂貴的夾具支撐元件並利用增強現實進行輔助裝夾,加工效率可提升10倍。此外,薩伯公司牽頭、空客、龐巴迪、阿萊尼亞、達索航空等企業聯合於2012年啟動的歐盟框架計劃“複合材料和混合結構的低成本製造和裝配”(LOCOMACHS)專案,也針對複合材料和金屬疊層結構件鑽孔開發了創新的解決方案,一臺機器人監測鑽孔操作或在鑽孔點增加系統區域性剛度,同時結構件另一邊的機器人執行鑽孔操作,該方案可降低疊層鑽孔成本達50%。

F-35進氣道雙機器人裝配單元(諾斯羅普·格魯門公司)

壁板雙機器人裝配單元(BAE系統公司)

二是執行復雜協作的多機器人系統,整合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,包括與人的協作。2015年,達索系統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設定了由9臺ABB機器人組成的多機器人先進製造協作示範線,可謂世界之最。其中,4臺機器人安裝在空間兩側的地面軌道上,2臺機器人安裝在其中一側的龍門軌道上,還有3臺在空間外部,可以3D列印短切纖維複合材料,還可以執行銑削、掃描操作以及其它多種先進製造技術,加速生產、減少零件數量並消除製造浪費。在中心啟動當天,3臺機器人展示了3D列印複合材料無人機機翼的過程,龍門下面的地面機器人夾持機翼,龍門上和另一側的地面機器人執行製造任務;之後還用6臺機器人驗證了機翼翼盒掃描任務,2臺地面機器人200秒就完成了檢測。此外,波音在777X飛機機翼翼樑檢測單元中使用了一字排開的近12臺庫卡機器人,共同夾持部件以使1臺超聲檢測機器人完成自動檢測,同時在另一個單元中使用了近20臺機器人,與工人配合完成手工檢測。

多機器人單元(美國國家航空研究院)

三是執行人機協作的類人機器人,一般採用基於人類手臂設計的7軸結構,在每段結構內都集成了防撞功能和關節力矩感測器,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慧工業作業輔助輕量化機器人(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於1995年開發並用於人機協作研究,之後聯合庫卡於2004年將其推向市場,並且獲得2016年紅點設計獎,目前DLR正將其用於A350熱塑性複合材料構件的製造研究。歐盟LOCOMACHS專案就在LBR iiwa和安川電機莫託曼機器人基礎上執行了“裝配過程中的自動化與人協作”研究,包括4項任務:人機互動概念,在共享相同裝配任務的人附近放置機器人,基於微軟Kinect視覺系統驗證安全區域的動態安排,可移動安全區域的分配方案。專案開發了人機互動軸上力/扭矩感測器、接近感測器、機器人速度限制引數、整合鐳射掃描裝置的反饋功能、整合視覺系統的動態路徑規劃功能,這些技術將在提升自動化水平的同時確保協作安全性,降低30%的成本。2018年,在AMRC的幫助下,BAE系統公司將開始在“颱風”戰鬥機生產中採用協作機器人,公司開發了一個基於LBR iiwa的協作機器人工作站,能夠識別並避免碰撞操作員,使用無線技術自動載入最佳的個人配置檔案並且自動傳輸定製的提示和指令,通過實際任務來指導同等專業技能水平的人員。

協作機器人輔助翼肋安裝(薩伯公司)

固定式協作機器人(BAE系統公司)

4、自由移動協作機器人

一是基於大型移動平臺的傳統機器人系統,全向平臺具備高剛度、高定位精度和動態穩定性,其上安裝高精度機器人和可互換的多功能末端執行器,不同系統之間可以協作並且具備持續工藝監測功能,防止錯誤和碰撞發生。2013年起,弗勞恩霍夫製造技術與先進材料研究所通過“大型複合材料結構高效高生產率精密加工”(ProsihP II)專案開發了一個模組化、自適應、可移動機器人智慧銑削系統,並且2016年成功地在空客A320垂尾整體壁板上進行了試驗,多個系統同時操作可以加工30m的機翼和機身主結構。2016年,波音787後機身47和48段裝配開始使用與Electroimpact公司合作開發的Quadbots多機器人協同裝配系統,系統由4臺裝配機器人組成並且採用防撞功能支撐協作,每個機器人都可以鑽孔、鍃孔、檢測孔質量、塗覆密封劑和安裝緊韌體,可將裝配效率提升30%,波音正考慮引入第5臺機器人以便執行測試和預先維修不會影響生產。此外,2016年波音還獲得了一項“機身自動化製造廠”專利,車間地板以RFID標識出六個裝配單元,鑽鉚機器人、柔性簡易工裝都是可移動的,平時存放在等候區,中央控制檯基於生產速度和訂單分派任務,通過運送部件的AGV控制工作和運動時間,AGV可自主地根據任務在等候區和各單元之間搬運機器人和工裝,實現更廣泛意義上的機機協作以及裝配的自主化。

ProsihP II機器人(弗勞恩霍夫研究院)

Quadbots機器人(波音公司)

二是基於靈巧移動平臺的類人機器人系統,類人機器人直接整合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複雜任務,可以說代表了協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的自主工業移動機械手(AIMM)對omniRob進行了優化,安裝了整合立體攝像頭的傾轉盤單元和圖案投影儀、基於FPGA的立體視覺處理器,能夠在未知地形工作並且響應多種任務,實現自主化執行。2016年,英國GKN航宇旗下福克航空結構和起落架業務部分別基於omniRob開展了人機協作研究,航空結構部針對A350外襟翼,讓機器人拾起自動鑽孔單元並將其插入鑽孔夾具,從這類簡單任務中解放老員工去從事更加複雜的任務;起落架部利用機器人在套管上均勻塗覆無泡沫的密封劑滴,減少操作時間並提升可重複性。2015年,由弗勞恩霍夫工廠執行與自動化研究所聯合空客和FACC等開展的歐盟框架計劃“工業用先進協作機器人驗證”專案對其開發的原型移動機器人系統進行了真實條件下的試驗,系統基於ominRob開發並增加了抬升樞軸單元,使其自由度達到了12個,可以自由地執行多種裝配任務,比如塗覆密封劑、搬運、檢測等,極大減輕工人壓力;系統還集成了3對立體攝像頭監測系統和帶緩衝層的觸覺感測器,能夠感知並避免任何碰撞,進一步提升安全性。空客在“未來裝配”計劃中與安川電機合作,利用其HIRO雙臂擬人機器人來執行A380方向舵樑的人機協作裝配,實施抓取、插入和預裝鉚釘等鉚接任務,成為歐洲工業中首個與人類並肩工作的擬人機器人,讓人機協作看起來更具人工智慧,這種機器人目前擴充套件到了A350平尾翼盒裝配線。

ominRob機器人(KUKA公司)

HIRO機器人輔助A380方向舵樑裝配(空客公司)

三、結語

新概念機器人將是未來航空智慧工廠的重要基礎設施,是解決航空產品多品種、小批量柔性製造的重要使能手段,也是提高生產效率、降低製造成本的重要實現途徑。空客、波音、洛馬等航空製造商不僅之前積極投身聯合開發,而且均加入了2017年美國國防部牽頭組建的先進機器人制造創新機構,進一步集合全美的學術力量、技術人才和工業資源加快協作機器人的開發與航空應用,在大型部件裝配線等環境中實現更廣泛應用。不遠的將來,“機器人總動員”就將在航空工廠中成為現實。

Reference:科技日報

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