工業(yè)機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)*

陳仁祥，張雁峰，楊黎霞，余騰偉，冉孟宇

（1.重慶交通大學(xué)交通工程應(yīng)用機(jī)器人重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)航空學(xué)院，重慶 400074；3.重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

工業(yè)機(jī)器人具有安裝使用靈活、工作自由度高、負(fù)載能力大、可在惡劣環(huán)境下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，能夠作為工業(yè)平臺(tái)搭配不同的末端執(zhí)行器完成鋪放、加工、裝配、測(cè)量等工序。近年來(lái)，隨著高精度執(zhí)行能力、多功能末端執(zhí)行器、人機(jī)交互、快速編程、多機(jī)協(xié)作等智能化技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人憑借其優(yōu)異的表現(xiàn)受到航空制造領(lǐng)域高度關(guān)注。據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)，2021年全球共交付3456架通用飛機(jī)，同比增長(zhǎng)9.2%[1-2]?？湛秃筒ㄒ粼?022年分別獲得820架和774架商用飛機(jī)凈訂單，截至2022年底，分別交付661架和480架新飛機(jī)。在國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域，C919累計(jì)獲得32家客戶(hù)1035架訂單，ARJ21獲得25家客戶(hù)690架訂單，CR929已完成首輪驗(yàn)證?？梢?jiàn)當(dāng)前全球航空制造業(yè)發(fā)展迅猛，面向航空制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人擁有巨大的市場(chǎng)潛力。

由于技術(shù)壁壘和以往的市場(chǎng)需求不明確，國(guó)內(nèi)面向航空制造的工業(yè)機(jī)器人研究起步較晚，成熟機(jī)型較少[3]，已成為制約我國(guó)航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型智能化發(fā)展的技術(shù)瓶頸。因此大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，促使機(jī)器人技術(shù)融入航空制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)防的發(fā)展具有重大意義。本文從飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工、裝配、噴涂、檢測(cè)等方面，總結(jié)了工業(yè)機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了航空制造領(lǐng)域機(jī)器人在智能制造背景下所需的關(guān)鍵技術(shù)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。

1 關(guān)鍵技術(shù)需求

在汽車(chē)、3C電子等制造領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已相當(dāng)成熟[4]，但與汽車(chē)和家電零件相比，航空零部件具有種類(lèi)繁多、生產(chǎn)批量小、工藝復(fù)雜、機(jī)翼及機(jī)身等大零件加工和裝配難度大、精度需求高的特點(diǎn)，因此面向航空制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)具有更優(yōu)異的性能，并需要依托以下關(guān)鍵技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需求。

1.1 高精度執(zhí)行能力

現(xiàn)代飛機(jī)追求長(zhǎng)壽命和安全性，因此對(duì)于制造過(guò)程中加工精度的要求越來(lái)越高，常見(jiàn)的指標(biāo)有制孔精度、連接精度、噴涂精度、檢測(cè)精度等。一般而言，對(duì)于制孔機(jī)器人，要求制孔法向精度達(dá)到±0.5°，位置精度達(dá)到±0.5 mm，深度偏差小于0.05 mm[5-7]。對(duì)于焊接機(jī)器人，需要不斷調(diào)整焊槍姿態(tài)的同時(shí)保證焊點(diǎn)始終處于規(guī)劃的路徑上，以達(dá)到最高的效率[8]。對(duì)于噴涂機(jī)器人，需嚴(yán)格控制噴嘴掃略軌跡和掃略時(shí)間，保證涂層厚度公差和表面質(zhì)量[9]。對(duì)于打磨機(jī)器人，需保持各方向打磨力度實(shí)時(shí)可控，以及運(yùn)動(dòng)軌跡的平穩(wěn)性[10]。對(duì)于檢測(cè)機(jī)器人，具有靈活性的同時(shí)還需要有一定負(fù)載能力，以適應(yīng)復(fù)雜狹小空間內(nèi)的檢測(cè)任務(wù)[11]。在航空零部件加工過(guò)程中，加工精度由機(jī)器人自身執(zhí)行精度和末端執(zhí)行器精度共同保障。由于末端執(zhí)行器受到結(jié)構(gòu)和重量的限制，其自身精度調(diào)整能力有限，工業(yè)機(jī)器人作為末端執(zhí)行器的搭載平臺(tái)，提高自身的執(zhí)行精度，可以降低對(duì)末端執(zhí)行器精度的要求，減少末端執(zhí)行器控制難度和研發(fā)成本。

現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度已達(dá)到±0.1 mm，但其絕對(duì)定位精度相對(duì)較低，通常僅能達(dá)到±1～2 mm[12]，無(wú)法直接滿(mǎn)足航空制造業(yè)的需要。由工作溫度變化引起的熱膨脹會(huì)使執(zhí)行器末端產(chǎn)生毫米級(jí)的尺寸偏差，其長(zhǎng)臂結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中受自身重力和慣性影響產(chǎn)生彈性變形與抖動(dòng)進(jìn)一步降低了機(jī)器人的定位精度[13]?，F(xiàn)有的末端伺服控制技術(shù)，是在末端執(zhí)行器上安裝先進(jìn)的光電力學(xué)傳感器獲取機(jī)器人的高精度位置狀態(tài)信息，再以精度補(bǔ)償技術(shù)減小末端執(zhí)行器的定位偏差和各關(guān)節(jié)的微小抖動(dòng)，可將工業(yè)機(jī)器人平均絕對(duì)定位精度控制在0.1 mm級(jí)別[14]，但當(dāng)前技術(shù)下，因刀具磨損、傳感器誤差、補(bǔ)償策略等因素帶來(lái)的系統(tǒng)誤差還無(wú)法避免。

1.2 多功能末端執(zhí)行器

工業(yè)機(jī)器人通過(guò)機(jī)械臂末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)功能，末端執(zhí)行器的性能對(duì)生產(chǎn)工藝、加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量有巨大影響。為滿(mǎn)足航空制造業(yè)需要，末端執(zhí)行器應(yīng)具有多功能模塊集成、多傳感器信息融合及基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的反饋調(diào)節(jié)三大核心功能[15]。

需根據(jù)工藝對(duì)末端執(zhí)行器的功能進(jìn)行集成，如制孔機(jī)器人應(yīng)具有高精度對(duì)刀、進(jìn)給、潤(rùn)滑冷卻、吸排屑、切削力檢測(cè)等功能。對(duì)于復(fù)合材料鋪放等加工過(guò)程，除滿(mǎn)足基本工藝需求外，還需要末端執(zhí)行器具有快換功能，使機(jī)器人在加工過(guò)程中能快速切換鋪設(shè)的材料類(lèi)型、寬度、縫合方式等。但高集成度會(huì)增加末端執(zhí)行器體積和重量，體積過(guò)大可能與加工區(qū)域產(chǎn)生干涉，增加機(jī)器人的工作路徑規(guī)劃難度，重量過(guò)大則對(duì)機(jī)器人剛度和負(fù)載提出更高的要求。此外，末端執(zhí)行器功能高度集成需要傳感器對(duì)加工過(guò)程的振動(dòng)、力矩、角度等多種物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，將采集的數(shù)據(jù)信息融合處理閉環(huán)反饋給控制系統(tǒng)，基于機(jī)器視覺(jué)引導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型等技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

1.3 人機(jī)交互與協(xié)作

面向航空制造的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)具備良好的人機(jī)交互 （Humanmachine interaction，HMI）功能，主要形式包括終端交互和人機(jī)協(xié)作（Human-robot collaboration，HRC），其核心在于高效、簡(jiǎn)單和安全地實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的交互過(guò)程[16]。終端交互指操作人員通過(guò)搭載示教系統(tǒng)和控制器管理軟件的終端實(shí)現(xiàn)機(jī)器人指令輸入與控制。對(duì)于交互終端的操作界面，要求功能布置清晰有邏輯性，并對(duì)常用功能提供快捷操作，具備急停、回撤和重寫(xiě)功能，支持在線(xiàn)數(shù)據(jù)更新。對(duì)不同的末端執(zhí)行器應(yīng)有專(zhuān)用的操作軟件模塊，并支持相應(yīng)的功能擴(kuò)展。由于目前工業(yè)機(jī)器人的自主性、智能化水平有限，為保障工作人員的人身安全，終端交互通常需要用柵欄將工業(yè)機(jī)器人隔離在規(guī)定的工作區(qū)域中，這限制了人機(jī)交互過(guò)程的工作效率。

人機(jī)協(xié)作指操作人員和自動(dòng)化機(jī)器人共享工作空間并協(xié)作完成同一任務(wù)的工作場(chǎng)景，可顯著提升機(jī)器人的認(rèn)知決策能力和靈活性[17]。為滿(mǎn)足避障和加工柔性，需要具有較高冗余自由度的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，當(dāng)前具有協(xié)同功能的工業(yè)機(jī)器人通常在6軸以上。對(duì)于人力引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的協(xié)作形式，其關(guān)鍵在于機(jī)械臂位姿柔順調(diào)整、對(duì)外力的快速響應(yīng)、對(duì)輸出力矩的精準(zhǔn)控制。現(xiàn)有人機(jī)協(xié)作研究工作主要聚焦于工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交互方式、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、安全性等方面[18-19]，而在工業(yè)機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境與操作人員意圖的感知、人機(jī)雙向協(xié)同過(guò)程的安全交互策略、協(xié)作過(guò)程的平滑柔順等方面的研究還有待完善。

1.4 快速編程

工業(yè)機(jī)器人有多種編程方式，目前使用最廣泛的是人工拖動(dòng)示教和離線(xiàn)編程方式。人工拖動(dòng)示教需要操作者拖動(dòng)機(jī)器人定位示教點(diǎn)，適用于點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)這類(lèi)簡(jiǎn)單任務(wù)，但由于人工拖動(dòng)示教過(guò)程需要操作人員克服機(jī)器人的重力和關(guān)節(jié)摩擦力，在定位時(shí)容易出現(xiàn)擾動(dòng)，需要通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型或末端伺服控制技術(shù)補(bǔ)償精度，因此對(duì)于日益復(fù)雜的航空裝備，人工拖動(dòng)示教的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差。離線(xiàn)編程技術(shù)借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，可以通過(guò)虛擬仿真對(duì)復(fù)雜零件曲面路徑精確規(guī)劃，但對(duì)于操作人員的技術(shù)水平、配套仿真系統(tǒng)有一定要求。

上述兩種方法需要對(duì)加工任務(wù)單獨(dú)編程，操作煩瑣且不具備跨任務(wù)適應(yīng)性，加工前準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，因此以簡(jiǎn)化編程難度、提高程序的泛用性為目的，開(kāi)發(fā)更高效的機(jī)器人編程方法成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)前研究進(jìn)展突出的是基于演示學(xué)習(xí)的編程方法[20]，可以從示教軌跡或任務(wù)語(yǔ)義中提取信息并構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型，使機(jī)器人學(xué)習(xí)理解示教過(guò)程的有效信息，在不同工業(yè)場(chǎng)景下具有較好的泛用性。此外，還有基于視聽(tīng)指令、虛擬現(xiàn)實(shí)、腦機(jī)接口等新快速編程方法被提出[21-23]，極大程度地減少編程操作，但這些方法尚處于驗(yàn)證階段，沒(méi)有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。

1.5 多機(jī)協(xié)作能力

相比單個(gè)機(jī)器人，多機(jī)器人系統(tǒng)（Multi-robot systems，MRS）布置更靈活，不同機(jī)器人之間協(xié)作配合，功能互補(bǔ)，降低了單個(gè)機(jī)器人末端執(zhí)行器功能集成度的需求，在大規(guī)模復(fù)雜任務(wù)中展現(xiàn)出更高的容錯(cuò)能力[24-25]。在航空領(lǐng)域大型零部件的并行柔性制造裝配中，尤其需要多機(jī)械臂協(xié)作來(lái)提升制造效率，但由于機(jī)器人數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制難度上升，因此當(dāng)前以雙臂協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)居多，三機(jī)械臂及以上的協(xié)作形式有待深入開(kāi)發(fā)。

2 航空制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)航空制造業(yè)中，大部分工序需要人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被逐漸應(yīng)用在航空零部件加工、裝配、噴涂、檢測(cè)等環(huán)節(jié)中。

2.1 復(fù)合材料零部件生產(chǎn)

近年來(lái)，全球航空工業(yè)大量使用復(fù)合材料制備航空零部件[26-27]。在復(fù)合材料零部件生產(chǎn)過(guò)程中，常用的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料自動(dòng)成型工藝需要通過(guò)設(shè)備將纖維鋪放或纏繞在模具上[28-29]，雖然市面上少數(shù)高端多軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備可以滿(mǎn)足工藝和精度的需求，但設(shè)備昂貴、體型笨重、柔性差[30]。工業(yè)機(jī)器人在航空領(lǐng)域復(fù)雜形狀部件的加工過(guò)程中展現(xiàn)出極高的適應(yīng)性，例如，Sorrentino等[31]在工業(yè)機(jī)械臂末端安裝結(jié)構(gòu)緊湊的連續(xù)纖維帶纏繞裝置以組成機(jī)器人單元，通過(guò)規(guī)劃適當(dāng)?shù)睦p繞路徑防止機(jī)器人單元與工件碰撞，直升機(jī)旋翼結(jié)構(gòu)件制造試驗(yàn)表明，機(jī)器人單元可以保證纖維帶從線(xiàn)軸上連續(xù)放卷而不損失張力；Cygnet Texkimp公司基于曼徹斯特大學(xué)西北復(fù)合材料中心開(kāi)發(fā)的9軸機(jī)器人，于2018年研發(fā)出世界上首款高速自動(dòng)3D碳纖維材料纏繞機(jī)，可以在一次加工中鋪層多條連續(xù)纖維，極大加快了纏繞成型效率，可用于燃料管、翼梁等航空輕質(zhì)復(fù)雜構(gòu)件的高自由度快速生產(chǎn)[32]；Automated Dynamics公司開(kāi)發(fā)的熱塑鋪絲設(shè)備采用機(jī)器人結(jié)構(gòu)，通過(guò)氮?dú)鉄崃鲗?duì)材料表面同步均勻加熱，可應(yīng)用于直升機(jī)壁板零件制造[33]；世界著名航空器生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商Electroimpact公司將6軸KUKA KR-1000L750高精度機(jī)器人與模塊化自動(dòng)纖維鋪放 （Automated fiber placement，AFP）頭相結(jié)合，在高精度鋪絲的同時(shí)兼具鋪放模組快速切換、纖維材料變更等功能，用以生產(chǎn)飛機(jī)機(jī)體、整流罩殼體等超大型復(fù)合材料工件，如圖1所示[34]。

圖1 高精度機(jī)器人與模塊化AFP末端執(zhí)行器[34]Fig.1 Accurate robot with modular AFP end-effector[34]

國(guó)內(nèi)關(guān)于復(fù)合材料的機(jī)器人鋪設(shè)研究起步較晚，還不具備大規(guī)模應(yīng)用能力。趙盼等[35]研究了熱塑性復(fù)合材料機(jī)器人鋪放的工藝過(guò)程，建立了工藝參數(shù)耦合與材料層間黏結(jié)強(qiáng)度的模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性；閻冬等[36]開(kāi)發(fā)了一種基于KUKA機(jī)器人的異形零件預(yù)浸帶纏繞裝備，建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型并提出配套系統(tǒng)的控制方法理論，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)證明了可行性，如圖2所示；孫守政等[37]以COMAU機(jī)器人為載體，設(shè)計(jì)了集成多種功能的輕量化鋪放頭，可以對(duì)不同寬度的熱塑性預(yù)浸帶/絲進(jìn)行鋪放；卜聰[38]針對(duì)直升機(jī)槳葉自動(dòng)化鋪疊預(yù)成型工序設(shè)計(jì)了桁架機(jī)器人，研發(fā)了專(zhuān)用操作系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)器人鋪疊軌跡進(jìn)行了優(yōu)化。

圖2 碳纖維預(yù)浸帶成型設(shè)備[36]Fig.2 Carbon fiber pre impregnated tape molding equipment[36]

機(jī)器人技術(shù)極大程度上替代了復(fù)合材料鋪放工藝中的人工操作，現(xiàn)階段國(guó)外學(xué)者的主要研究目標(biāo)是利用高軸數(shù)機(jī)器人的靈活性來(lái)增加機(jī)身、機(jī)翼、進(jìn)氣道等大曲率復(fù)雜回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)零件的生產(chǎn)效率，并且通過(guò)高集成度末端執(zhí)行器在一個(gè)生產(chǎn)任務(wù)中同時(shí)完成多道并行的工序，減少維護(hù)和更換模組產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間，具有大型化、高速化、智能化與集成復(fù)合化的優(yōu)勢(shì)，但由于機(jī)器人負(fù)載限制，末端執(zhí)行器功能增多勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致單個(gè)功能執(zhí)行性能下降，因此對(duì)末端執(zhí)行器功能分配和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。國(guó)內(nèi)關(guān)于中小型航空復(fù)合材料零件生產(chǎn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和工藝仍處于理論探索與少量試驗(yàn)階段，機(jī)器人的模塊化、自動(dòng)化、柔性化水平不足，配套的工藝軟件系統(tǒng)相對(duì)落后，對(duì)機(jī)身、整流罩等大型零件的一體成型試制能力尚不具備。

2.2 結(jié)構(gòu)件加工

除復(fù)合材料一體成型外，航空零部件主要的加工形式還有銑削、磨削、鉆銑及增材制造等，由于航空零部件的高精度標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人除了滿(mǎn)足基本功能需求外，更應(yīng)注重如何降低加工過(guò)程中因機(jī)器人剛度不足產(chǎn)生的加工誤差。Denkena等[39]構(gòu)建了KR-500機(jī)器人靜態(tài)柔度模型，可通過(guò)力檢測(cè)技術(shù)對(duì)切削過(guò)程中因關(guān)節(jié)及其軸承低剛度引起的位移誤差進(jìn)行在線(xiàn)補(bǔ)償，但在零件加工過(guò)程中載荷實(shí)時(shí)波動(dòng)，需要傳感器具有較高的精度和實(shí)時(shí)運(yùn)算速度，并且需要選擇合理的安裝位置以減少相鄰部件帶來(lái)的噪聲信號(hào)影響；美國(guó)南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)先進(jìn)制造研究中心針對(duì)復(fù)雜旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)零件的增材制造開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人控制的LBDMD系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)造如圖3所示[40]，將一個(gè)6軸機(jī)械臂與一個(gè)額外的2軸傾斜旋轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)耦合在一起，極大縮短了復(fù)雜零件多向沉積工藝的準(zhǔn)備時(shí)間，但多系統(tǒng)耦合增加了控制難度和系統(tǒng)誤差，對(duì)控制系統(tǒng)及傳感器性能提出更高的要求；Ayyad等[41]針對(duì)機(jī)器人鉆孔工藝提出了一種基于神經(jīng)形態(tài)的機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)，比傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)引導(dǎo)形式具有高時(shí)間分辨率、低延遲和大速度范圍的優(yōu)勢(shì)。

圖3 南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)輔助激光增材制造系統(tǒng)[40]Fig.3 Assisted laser additive manufacturing system by Southern Methodist University[40]

國(guó)內(nèi)方面，Xu等[42]基于混合機(jī)器人提出了一種在自由曲面上生成隨機(jī)打磨路徑的算法，以減少拋光過(guò)程中的軌跡重復(fù)，但無(wú)法修正建模誤差帶來(lái)的影響；Li等[43]研究了末端執(zhí)行器框架構(gòu)建方式對(duì)視覺(jué)傳感器測(cè)量誤差的影響機(jī)理，提出了一種利用視覺(jué)引導(dǎo)的誤差補(bǔ)償技術(shù)，并在基于KUKA機(jī)器人的鉆銑平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，但傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器仍然會(huì)受到加工環(huán)境中光線(xiàn)、煙霧、冷卻液等因素的遮擋影響；張歡等[44]設(shè)計(jì)了一種靈巧關(guān)節(jié)中壓壓氣機(jī)葉片原位打磨機(jī)器人，并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型正確性；蔡改貧等[45]提出一種基于改進(jìn)蟻群算法的打磨機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，可以獲得路徑長(zhǎng)度最短且平滑的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，有效地解決了打磨機(jī)器人在三維曲面上的路徑規(guī)劃問(wèn)題；張輝等[46]利用同心孔法和等距制孔法標(biāo)定了位置補(bǔ)償精度和孔位精度，分析得出了孔徑偏差、法相偏差和锪孔深度的精度演化規(guī)律，并通過(guò)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明標(biāo)定方法有效；薛宏等[47]設(shè)計(jì)了一套具備離線(xiàn)編程功能的大飛機(jī)活動(dòng)翼面柔性機(jī)器人制孔系統(tǒng)，如圖4所示；鄭華棟等[48]基于CAD模型提出一種機(jī)器人平臺(tái)激光熔覆增材制造軌跡自動(dòng)生成方法，簡(jiǎn)化了編程操作，提高了生產(chǎn)效率。

圖4 航空工業(yè)西飛的機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)[47]Fig.4 Robot automatic drilling system of AVIC Xi’an Aircraft Industry Group Company Ltd.[47]

由于構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃模型時(shí)通常僅計(jì)算機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度和末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡，較少考慮加工過(guò)程中突發(fā)的外力和顫振，因此基于末端伺服控制的在線(xiàn)精度補(bǔ)償技術(shù)可以大幅降低由建模誤差及外力、顫振等外界因素造成的精度損失。國(guó)外工業(yè)機(jī)器人已具備相對(duì)完善的航空零部件柔性加工功能，在單機(jī)器人系統(tǒng)中已大量應(yīng)用在線(xiàn)精度補(bǔ)償技術(shù)，并且在控制算法和傳感器性能方面具有較大優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中，基于構(gòu)建和改良靜態(tài)模型的工業(yè)機(jī)器人控制方式已較為成熟，但示教編程方式操作煩瑣，缺乏加工過(guò)程中對(duì)刀具磨損的精度補(bǔ)償手段，雖然已有少量基于智能算法的在線(xiàn)精度補(bǔ)償技術(shù)研究，但傳感器類(lèi)型單一，易受加工環(huán)境因素影響。

2.3 柔性裝配

航空零部件的搬運(yùn)、定位、焊接、膠接、鉚接、螺釘連接等裝配作業(yè)包含大量重復(fù)性工作，將機(jī)器人與高精度測(cè)量系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)結(jié)合成柔性自動(dòng)裝配線(xiàn)，在提高效率的同時(shí)顯著降低操作人員的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度[49]。目前國(guó)外學(xué)者在裝配機(jī)器人多傳感器信息融合、多機(jī)械臂協(xié)作配合方面已取得一定進(jìn)展，Santos等[50]基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和激光掃描儀融合識(shí)別零部件真實(shí)幾何尺寸，提出了一種無(wú)須離線(xiàn)編程的機(jī)器人自動(dòng)焊接軌跡生成方法，其路徑精度和重復(fù)精度相比單一視覺(jué)輔助系統(tǒng)提高3.1倍；Tereshchuk等[51]針對(duì)多機(jī)協(xié)作機(jī)翼鉆孔的工作場(chǎng)景，優(yōu)化了不同機(jī)器人故障條件下的控制決策方法，試驗(yàn)表明該方法相比隨機(jī)決策方法效率提高10.7%；Carvalho等[52]基于仿真模擬通過(guò)模擬退火算法（Simulated annealing，SA）優(yōu)化了機(jī)器人裝配時(shí)對(duì)于散亂零件的抓取策略，使機(jī)器人能自動(dòng)選擇零件上最容易抓取的位置，并在6自由度工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行驗(yàn)證；Tingelstad等[53]提出了一種適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的多機(jī)器人裝配方法，通過(guò)高精度激光三角測(cè)量傳感器對(duì)兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高精度安裝，如圖5所示。

圖5 挪威科技大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件裝配系統(tǒng)[53]Fig.5 Aero-engine component assembly system by Norwegian University of Science and Technology[53]

國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器人柔性裝配的研究以單個(gè)機(jī)器人的靈巧移動(dòng)和精準(zhǔn)控制方面為主，并逐漸向多機(jī)協(xié)同形式進(jìn)行探索。Liu等[25]將啟發(fā)式和迭代局部搜索算法相結(jié)合，提出了一種多機(jī)械臂協(xié)作下的無(wú)碰撞任務(wù)分配方法；姚利明等[54]提出一種用于機(jī)器人柔性裝配的全向移動(dòng)平臺(tái)，可通過(guò)光學(xué)、電磁或iGPS導(dǎo)航在車(chē)間有限的地形中靈活精準(zhǔn)移動(dòng)，定位精度可達(dá)±1 mm；王杰鵬等[55]在KUKA工業(yè)機(jī)器人上搭載六維力傳感器，通過(guò)感知外部作用力變化調(diào)整機(jī)器人末端位姿，操作人員使用小于10 N的推力即可控制大型待裝配零件的高精度裝配，極大降低了操作人員的工作強(qiáng)度；劉仁偉等[56]標(biāo)定了重力負(fù)載參數(shù)，進(jìn)一步研究了位姿柔順控制算法，提高了機(jī)械臂外力控制下裝配位姿調(diào)整的柔順性；劉毅等[57]設(shè)計(jì)了一種6自由度多關(guān)節(jié)機(jī)器人，用于艙內(nèi)狹長(zhǎng)空間下的高精度重載裝配，如圖6所示。

圖6 燕山大學(xué)狹長(zhǎng)空間重載裝配機(jī)器人[57]Fig.6 Narrow space heavy-duty assembly robot by Yanshan University[57]

目前國(guó)外機(jī)器人配備的商業(yè)軟件工具已能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化裝配過(guò)程規(guī)劃，但由于當(dāng)前和未來(lái)裝配系統(tǒng)方案的復(fù)雜性不斷增加，在裝配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和決策方面仍然不能充分滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要，迫切需要研究基于給定裝配序列、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和項(xiàng)目前提自動(dòng)生成裝配系統(tǒng)備選方案的新算法，如自動(dòng)焊槍分配、順序分配工位等。國(guó)內(nèi)柔性裝配機(jī)器人在數(shù)字化和自動(dòng)化上距離國(guó)外還有較大差距，定位、裝夾、連接、搬運(yùn)等裝配環(huán)節(jié)之間的工序獨(dú)立，無(wú)法形成一整條機(jī)器人自動(dòng)裝配線(xiàn)。雖然在人機(jī)協(xié)作形式的機(jī)器人輔助裝配方面已經(jīng)取得了一定成果，但面向大型工件裝配的重型高精度多軸工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行精度、負(fù)載能力、適用性有待提高。

2.4 表面噴涂

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜，人工噴涂作業(yè)效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人替代人工可提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，也可避免噴涂環(huán)境對(duì)工人身體健康造成的危害。國(guó)外最具代表性的機(jī)器人表面噴涂系統(tǒng)是洛克希德·馬丁公司為F-35戰(zhàn)斗機(jī)研制的包含3臺(tái)6自由度噴涂機(jī)器人的飛機(jī)精整系統(tǒng) （Robotic aircraft finishing system，RAFS），可實(shí)現(xiàn)對(duì)整架飛機(jī)的表面自動(dòng)噴涂，如圖7所示[58]；波音公司聯(lián)合KUKA公司為波音777客機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)研發(fā)了由2臺(tái)噴涂機(jī)器人構(gòu)成的機(jī)翼自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，僅需24 min即可完成人工噴涂4.5 h的工作量[59]；杜爾公司推出的多軸噴涂機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，可高效更換控制組件，機(jī)械臂末端裝有換色器和計(jì)量泵，可實(shí)現(xiàn)快速換色，降低涂料損失和洗滌劑消耗[60]；KUKA公司基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)出離線(xiàn)噴涂路徑規(guī)劃系統(tǒng)，用于對(duì)復(fù)雜表面的噴涂作業(yè)[61]。

圖7 洛克希德·馬丁公司的RAFS系統(tǒng)[58]Fig.7 Robotic aircraft finishing system by Lockheed Martin Space Systems Company[58]

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究聚焦于機(jī)器人構(gòu)型與運(yùn)動(dòng)路徑仿真方面。朱利中[62]設(shè)計(jì)了混聯(lián)結(jié)構(gòu)的噴涂機(jī)器人，相比串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人提升了剛度和抗爆性；Yu等[63]基于MPRM系統(tǒng)的移動(dòng)導(dǎo)軌和ABB-IRB5500機(jī)器人研發(fā)了龍門(mén)式飛機(jī)噴涂機(jī)器人，并對(duì)其基準(zhǔn)位置 （Base position，BP）進(jìn)行優(yōu)化，相比傳統(tǒng)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法計(jì)算效率提升近百倍，其噴涂硬件系統(tǒng)如圖8所示；姜帥等[64]研制了基于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別的自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)篩盤(pán)上零件的自動(dòng)識(shí)別和噴涂路徑規(guī)劃，但僅采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)易受到噴涂過(guò)程中的環(huán)境光線(xiàn)干擾，路徑規(guī)劃算法全局尋優(yōu)有待提高；邱一等[65]基于ABB-IRB5510機(jī)器人研制了航空復(fù)合材料零件封孔膠噴涂系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得了噴涂方式、噴涂流量、噴涂壓力、噴涂速度等因素的最佳參數(shù)，結(jié)果表明機(jī)器人噴涂封孔強(qiáng)度可達(dá)到行業(yè)內(nèi)18 MPa的要求。

圖8 清華大學(xué)龍門(mén)式飛機(jī)噴涂機(jī)器人[63]Fig.8 Gantry aircraft spraying robot by Tsinghua University[63]

機(jī)器人噴涂相比人工更穩(wěn)定和高效，在飛機(jī)上大型復(fù)雜零部件表面噴涂作業(yè)任務(wù)中表現(xiàn)出色。國(guó)外噴涂機(jī)器人已有能力對(duì)大型零部件乃至整機(jī)進(jìn)行全面噴涂作業(yè)，自動(dòng)化程度較高，學(xué)者們把目光聚焦于如何通過(guò)提高機(jī)器人智能化程度來(lái)簡(jiǎn)化編程難度上，基于離線(xiàn)模型的快速編程技術(shù)被大量應(yīng)用，新型噴涂末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)和噴涂路徑規(guī)劃成為主要研究方向。國(guó)內(nèi)航空噴涂機(jī)器人研究起步較晚，目前在小型零部件的自動(dòng)化任務(wù)分配和路徑規(guī)劃方面已有初步應(yīng)用，在大型航空零件的路徑規(guī)劃與碰撞防護(hù)方面還較多依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)線(xiàn)柔性化水平較低，噴涂機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和精確性有待提高。

2.5 智能檢測(cè)

飛機(jī)零件表面質(zhì)量和數(shù)值檢測(cè)是飛機(jī)制造過(guò)程的重要一環(huán)，由機(jī)器人搭載傳感器可以實(shí)現(xiàn)大型表面與狹小結(jié)構(gòu)的快速檢測(cè)。國(guó)外研究聚焦于將多種形式機(jī)器人結(jié)合，并搭載多種功能的檢測(cè)末端執(zhí)行器以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下的檢測(cè)與修復(fù)。Axinte等[66]提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部檢測(cè)機(jī)器人方案，將6足機(jī)器人與柔性連續(xù)體機(jī)械臂結(jié)合，可以在工人難以到達(dá)的危險(xiǎn)場(chǎng)合從事檢測(cè)維修工作；Gray等[67]在基于渦流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自主機(jī)器人平臺(tái)上搭載紅外熱成像、相控陣超聲及激光修復(fù)模塊，無(wú)損檢測(cè)飛機(jī)表面復(fù)合材料的缺陷位置和測(cè)量三維損傷的大小；Burghardt等[68]在機(jī)械臂上安裝了1個(gè)3D掃描儀來(lái)檢查飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，但該檢測(cè)系統(tǒng)成本高昂；Santos等[69]將2D激光束傳感器與機(jī)械臂結(jié)合以獲取零件的三維幾何形狀，總體誤差僅為0.34 mm，并具有較高可靠性，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 伊塔朱巴聯(lián)邦大學(xué)機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)[69]Fig.9 Robot detection system by Federal University of Itajubá[69]

國(guó)內(nèi)研究多以改良機(jī)器人的性能來(lái)提高對(duì)工況的適應(yīng)性。諸葛晶昌等[70]研制了一種采用螺旋槳反推式的履帶機(jī)器人，能在飛機(jī)表面爬行，相比傳統(tǒng)的吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)具有更好的爬壁性能，提高了飛機(jī)蒙皮表面檢測(cè)效率；Niu等[71]研制了一種用于飛機(jī)油箱的檢查機(jī)器人，其蛇形連續(xù)體結(jié)構(gòu)具有較好的柔性和承載能力；王亞明[72]研制了一種連續(xù)體檢測(cè)機(jī)器人，采用十字空心萬(wàn)向關(guān)節(jié)和3條驅(qū)動(dòng)繩索實(shí)現(xiàn)柔性驅(qū)動(dòng)，通過(guò)觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片位姿和損傷原位檢測(cè)，如圖10所示；Lu等[73]采用深度學(xué)習(xí)方法實(shí)時(shí)識(shí)別碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)零件增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的纖維錯(cuò)位和磨損缺陷，閉環(huán)調(diào)整工藝參數(shù)消除制造時(shí)的誤差；陳允全等[74]將激光掃描儀安裝于KUKA機(jī)器人末端組成激光掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)測(cè)量。

圖10 南京航空航天大學(xué)連續(xù)體檢測(cè)機(jī)器人[72]Fig.10 Snake arm detection robot by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[72]

機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)在航空零部件的生產(chǎn)、裝配和維護(hù)過(guò)程中可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用。國(guó)外檢測(cè)機(jī)器人已可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件表面形貌掃描和模型高精度重建，在檢測(cè)的同時(shí)可以執(zhí)行一定程度的零件修復(fù)任務(wù)。相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人的傳感器類(lèi)型和功能較為單一。基于機(jī)器視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)的無(wú)接觸智能缺陷檢測(cè)方法在表面缺陷的識(shí)別分類(lèi)任務(wù)中展現(xiàn)出極高的效率和準(zhǔn)確性，但當(dāng)前采用的人工智能方法多為有監(jiān)督學(xué)習(xí)，依賴(lài)大量含有缺陷標(biāo)簽的圖片數(shù)據(jù)集，并且對(duì)光線(xiàn)、煙霧等外界因素變化較為敏感，需要機(jī)器人實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)來(lái)減少工況對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。目前一種機(jī)器人通常只能對(duì)一種曲面或結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，需要研究模塊化的檢測(cè)末端執(zhí)行器并相應(yīng)地標(biāo)定補(bǔ)償方法以適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景下的檢測(cè)任務(wù)；在狹小空間內(nèi)的檢測(cè)任務(wù)通常由連續(xù)體結(jié)構(gòu)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，但由于其結(jié)構(gòu)剛度有限，需要改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，研究閉環(huán)控制策略，提高其末端位置精度。

2.6 整體研究進(jìn)展分析

目前，國(guó)外在航空工業(yè)機(jī)器人的研究上具有豐富的技術(shù)積累，如ABB、KUKA、COMAU、FANUC、YSKAWA等知名機(jī)器人公司的產(chǎn)品已經(jīng)成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。航空制造企業(yè)針對(duì)航空產(chǎn)品特點(diǎn)和應(yīng)用中所需的關(guān)鍵技術(shù)，不斷拓寬機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，已有一些較為成熟的工業(yè)應(yīng)用，如波音、空客、洛克希德·馬丁等航空制造企業(yè)及美國(guó)國(guó)家航空航天局在航空器機(jī)身、機(jī)翼、整流罩等核心部件的生產(chǎn)和裝配中大量應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人形式朝著多軸化、高速化、模塊化和協(xié)作化方向發(fā)展。

國(guó)內(nèi)制造業(yè)在汽車(chē)工業(yè)的推動(dòng)下已從國(guó)外大量引進(jìn)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)。與汽車(chē)工業(yè)不同，航空工業(yè)設(shè)備研發(fā)和制造的成本投入巨大，長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值只有通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)才能得以體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)的應(yīng)用研究集中在各大高校和研究院所里，以現(xiàn)有的國(guó)外品牌工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品作為研發(fā)平臺(tái)，側(cè)重于提高精度、改進(jìn)工藝、開(kāi)發(fā)新控制技術(shù)的研發(fā)方向，并且大部分應(yīng)用尚停留在中小型零部件級(jí)別。

3 發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)上述分析，結(jié)合工信部等17部門(mén)在2023年公布的《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》所提到的發(fā)展工業(yè)機(jī)器人智能制造系統(tǒng)，助力制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化變革的要求，應(yīng)該從以下5方面開(kāi)展航空制造工業(yè)機(jī)器人的研究工作。

（1）構(gòu)建數(shù)字化航空裝備生產(chǎn)線(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人是構(gòu)建數(shù)字化航空裝備生產(chǎn)線(xiàn)的基礎(chǔ)單元，為適應(yīng)航空裝備生產(chǎn)線(xiàn)信息化、數(shù)字化和智能化的需要，航空工業(yè)機(jī)器人應(yīng)著重圍繞技術(shù)理論落地和智能信息化升級(jí)方面進(jìn)行研究。目前工業(yè)機(jī)器人仍有大量理論與技術(shù)受專(zhuān)利、成本及市場(chǎng)需求限制，只能停留在實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模研究中，因此需要面向具體的航空工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和轉(zhuǎn)化，降低使用成本，拓寬在航空工業(yè)薄弱環(huán)節(jié)中工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)，如高精度重載工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)商品化、復(fù)雜環(huán)境下工作環(huán)境感知與建模、對(duì)采集圖像中的障礙物和航空零部件特征提取與快速識(shí)別檢測(cè)方法等。

對(duì)于已經(jīng)相對(duì)成熟的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，還應(yīng)注重物聯(lián)網(wǎng)、信息化、智能控制等技術(shù)融合，發(fā)展成一套數(shù)字化體系，提高航空零部件各加工工序之間的連貫性，使工業(yè)機(jī)器人由單系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行轉(zhuǎn)變成多工序多系統(tǒng)在線(xiàn)聯(lián)動(dòng)的模式。例如基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)完善工業(yè)機(jī)器人制造模式下的工業(yè)管理體系，發(fā)展新型傳感技術(shù)，將工業(yè)機(jī)器人在加工過(guò)程中的工況狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)構(gòu)建成工業(yè)數(shù)據(jù)集并上傳共享在云平臺(tái)，并使用智能算法對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，深入挖掘數(shù)據(jù)之中的潛在機(jī)理，探尋不同工業(yè)場(chǎng)景下數(shù)據(jù)之間的可遷移性。構(gòu)建從工業(yè)機(jī)器人到整個(gè)車(chē)間的可視化數(shù)字孿生模型，對(duì)航空零部件制造全過(guò)程進(jìn)行模擬并深度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、工作任務(wù)量的動(dòng)態(tài)分配、工藝參數(shù)和加工路徑自動(dòng)尋優(yōu)、對(duì)相似零件的快速制造等。將工業(yè)機(jī)器人控制云端化，通過(guò)云平臺(tái)上自定義和管理設(shè)備，使車(chē)間之間聯(lián)網(wǎng)通信、系統(tǒng)之間協(xié)作配合，實(shí)現(xiàn)同一批次零件在不同區(qū)域的離散同步生產(chǎn)。

（2）工業(yè)機(jī)器人組件集成化與模塊化。由于航空零部件種類(lèi)繁多，難以針對(duì)所有零部件研發(fā)專(zhuān)用的非標(biāo)工業(yè)機(jī)器人，將工業(yè)機(jī)器人組件進(jìn)行集成化和模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)更換不同的組件可以擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍，降低生產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā)和維護(hù)成本。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的特性改進(jìn)航空零部件生產(chǎn)工藝，研究具有新型材料和緊湊結(jié)構(gòu)的末端執(zhí)行器，提高機(jī)器人的功能集成度，減小末端執(zhí)行器的體積和重量。將機(jī)器人組件模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化維護(hù)和管理。為機(jī)器人配備工具庫(kù)，可在一道工序完成后對(duì)末端執(zhí)行器工具自動(dòng)快速切換，實(shí)現(xiàn)航空零部件原位多工序加工和檢測(cè)，減小生產(chǎn)線(xiàn)的體量和因零件在不同工序之間傳遞導(dǎo)致的重復(fù)定位誤差。

（3）研發(fā)工業(yè)機(jī)器人配套系統(tǒng)。當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的控制系統(tǒng)、工藝仿真軟件、監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、配套生產(chǎn)夾具等大量依賴(lài)進(jìn)口，經(jīng)常受到制約，并且數(shù)據(jù)保密性、操作習(xí)慣、功能指標(biāo)等不符合國(guó)內(nèi)行業(yè)發(fā)展的需要，因此需大力發(fā)展有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人體系，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)的需求。應(yīng)將人工智能算法、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)運(yùn)用到機(jī)器人開(kāi)發(fā)上，提高機(jī)器人的智能化程度。利用過(guò)往數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，對(duì)航空零部件鉆孔、噴涂、打磨等工序進(jìn)行模擬，自動(dòng)生成軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化的離線(xiàn)編程，降低加工工藝編程的復(fù)雜度，提高易用性。開(kāi)發(fā)自適應(yīng)加工系統(tǒng)，并針對(duì)加工工藝和工業(yè)機(jī)器人性能，將加工軌跡優(yōu)化、路徑干涉校驗(yàn)、加工參數(shù)優(yōu)化、故障檢測(cè)診斷等功能封裝在系統(tǒng)中，以模型驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)有光、電、力學(xué)傳感器補(bǔ)償技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合，在加工過(guò)程中對(duì)加工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整加工參數(shù)，修正建模和外部因素帶來(lái)的加工誤差，進(jìn)一步提高加工質(zhì)量。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人多功能配套夾具，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮通用性和穩(wěn)定性，融合零件搬運(yùn)、定位、位姿調(diào)整等功能，使其能夠適應(yīng)不同尺寸的零件產(chǎn)品，由于夾具自身具備一定軸數(shù)并與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在不改變工業(yè)機(jī)器人軸數(shù)的情況下提高加工系統(tǒng)的總自由度，可以在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)降低加工系統(tǒng)柔性改造升級(jí)成本。

（4）發(fā)展協(xié)作式工業(yè)機(jī)器人。由于航空零部件體積與重量普遍較大，單個(gè)工業(yè)機(jī)器人受負(fù)載和功能制約，采用人機(jī)協(xié)作或多機(jī)器人協(xié)作形式更適合航空制造業(yè)的需要。對(duì)于人機(jī)協(xié)作形式，需要充分考慮安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防撞方法、風(fēng)險(xiǎn)分析、錯(cuò)誤行為容忍度等安全策略。通過(guò)手勢(shì)識(shí)別、表情識(shí)別、動(dòng)作識(shí)別、機(jī)器觸覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別、人意圖預(yù)測(cè)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)改良傳統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)形式。研究便攜式智能交互終端或App應(yīng)用程序，將交互場(chǎng)景從一對(duì)一的固定式工控臺(tái)轉(zhuǎn)移至工業(yè)平板或手機(jī)上，從而在一臺(tái)終端上實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人的便捷調(diào)度和參數(shù)控制，并使操作人員工作區(qū)域不受終端位置局限。

對(duì)于多機(jī)器人協(xié)作形式，需要研究多機(jī)器人任務(wù)分配策略和控制方法，增加系統(tǒng)中同時(shí)工作的機(jī)械臂數(shù)量。在目前的多臂機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)中，各機(jī)器人往往獨(dú)立工作，相互之間缺少協(xié)作。為增加多機(jī)器人之間的協(xié)作性，系統(tǒng)需分配每臺(tái)機(jī)器人的工作范圍和執(zhí)行任務(wù)，保證工作負(fù)載的均衡分布，減少機(jī)器人的非生產(chǎn)時(shí)間，最大化提高生產(chǎn)效率。由系統(tǒng)自動(dòng)生成每臺(tái)機(jī)器人的最優(yōu)工作路徑，并對(duì)機(jī)器人的相對(duì)位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止機(jī)器人之間發(fā)生干擾或碰撞。另外，航空零部件加工過(guò)程通常具有多個(gè)工步，每個(gè)工步完成之后零件的形狀和公差都會(huì)發(fā)生微小改變，進(jìn)而導(dǎo)致多個(gè)機(jī)器人配合完成連續(xù)工步任務(wù)時(shí)產(chǎn)生誤差積累。因此需要制定適用于多機(jī)器人系統(tǒng)的在線(xiàn)精度補(bǔ)償和路徑補(bǔ)償策略，使多機(jī)器人在連續(xù)工步任務(wù)中根據(jù)零件當(dāng)前形狀和公差實(shí)時(shí)修正運(yùn)動(dòng)軌跡。

（5）優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)于航空工業(yè)場(chǎng)景中的噴涂、檢測(cè)等作業(yè)任務(wù)，常見(jiàn)的6自由度工業(yè)機(jī)器人有時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足使用需求，因此會(huì)需要一些特種、非標(biāo)的專(zhuān)用機(jī)器人平臺(tái)。需要研究具體航空制造場(chǎng)景下的問(wèn)題機(jī)理，對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新，以適應(yīng)不同加工環(huán)境，提高工作穩(wěn)定性，如通過(guò)改變關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)提升機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度、通過(guò)冗余自由度設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有更大的工作空間、提高機(jī)械臂靈活性等。將伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)分散化，將機(jī)械關(guān)節(jié)替換成獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以精準(zhǔn)控制每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，盡可能消除機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)本身的誤差。將不同類(lèi)型機(jī)器人組合使用，以突破機(jī)器人功能的局限性，如以AGV（Automated guided vehicle）系統(tǒng)搭載關(guān)節(jié)機(jī)器人的形式在航空零部件制孔、裝配、檢測(cè)等方面已展現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人性能不斷進(jìn)步，在航空制造領(lǐng)域逐漸展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在航空零部件裝配、噴涂等大批量、高重復(fù)性的任務(wù)中，工業(yè)機(jī)器人可以大幅度降低人工成本，保障產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率，而在航空零部件制造與檢測(cè)等小批量、多類(lèi)型的任務(wù)中更具有靈活性高、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外大型航空制造企業(yè)圍繞航空零部件生產(chǎn)過(guò)程大力發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，加速在技術(shù)和理念上的轉(zhuǎn)型升級(jí)，可以看出在未來(lái)的航空裝備制造領(lǐng)域，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)終將會(huì)取代傳統(tǒng)人工操作模式，并朝著模塊化、柔性化、智能化方向發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)航空工業(yè)水平與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距正逐漸縮小，在通用機(jī)器人平臺(tái)研發(fā)、部分中小型航空零部件加工和裝配等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控，但在工業(yè)機(jī)器人控制策略、在線(xiàn)補(bǔ)償、路徑自動(dòng)規(guī)劃、特種機(jī)器人研發(fā)等方面與國(guó)外頭部企業(yè)相比還有明顯差距，工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化程度有待提高。需借助《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)國(guó)家政策，集中資源發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人加工工藝，完善和豐富現(xiàn)有航空制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人體系，推動(dòng)航空制造業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同與智能化變革。