讲讲航空制造机器人,你想象不到欧美国家已发展到什么程度了

2019-03-04 09:44 来源:空天防务观察
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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(KUKA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”(IntimationComputing)设备也是一个主要挑战。 

典型协作机器人平台(KUKA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个关节段以及最多重达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)


此外,美国空军研究实验室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(美国空军研究实验室)

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,在英国航宇技术研究院支持下,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)

并联运动机器人用于A350机翼装配(空客公司)

3、固定位置协作机器人

一是执行简单协作任务的双机器人系统,两台机器人在固定位置或在轨道上有限移动,共同完成夹持、定位、钻孔等任务。空客A340机身D-Nose钻孔采用了基于尼康测量公司自适应机器人控制概念的定位系统,在光学坐标测量机的控制下,两台机器人合力将工件搬运至精确的钻孔位置。美国空军研究实验室组织联合开发了F-35战斗机进气道机器人钻孔单元并于2010年投入使用,一台带有视景导引功能的机器人执行钻孔任务,另一台加装激光跟踪系统的机器人测量钻头位置帮助钻孔机器人定位,使钻孔定位精度达到14μm。2017年,英国谢菲尔德大学波音先进制造研究中心(AMRC)联合库卡公司开发的锪孔单元应用于F-35制造,一台集成了非接触测量功能的锪孔机器人对预制孔进行精确定位,另一台机器人则代替昂贵的夹具支撑组件并利用增强现实进行辅助装夹,加工效率可提升10倍。此外,萨伯公司牵头、空客、庞巴迪、阿莱尼亚、达索航空等企业联合于2012年启动的欧盟框架计划“复合材料和混合结构的低成本制造和装配”(LOCOMACHS)项目,也针对复合材料和金属叠层结构件钻孔开发了创新的解决方案,一台机器人监测钻孔操作或在钻孔点增加系统局部刚度,同时结构件另一边的机器人执行钻孔操作,该方案可降低叠层钻孔成本达50%。

F-35进气道双机器人装配单元(诺斯罗普·格鲁门公司)

壁板双机器人装配单元(BAE系统公司)


二是执行复杂协作的多机器人系统,集成在固定位置或空间多轨道上的多台机器人共同完成更多样的任务,包括与人的协作。2015年,达索系统公司与美国威奇托州立大学国家航空研究院共同建立了3D体验中心,在一个长方体空间内设置了由9台ABB机器人组成的多机器人先进制造协作示范线,可谓世界之最。其中,4台机器人安装在空间两侧的地面轨道上, 2台机器人安装在其中一侧的龙门轨道上,还有3台在空间外部,可以3D打印短切纤维复合材料,还可以执行铣削、扫描操作以及其它多种先进制造技术,加速生产、减少零件数量并消除制造浪费。在中心启动当天,3台机器人展示了3D打印复合材料无人机机翼的过程,龙门下面的地面机器人夹持机翼,龙门上和另一侧的地面机器人执行制造任务;之后还用6台机器人验证了机翼翼盒扫描任务,2台地面机器人200秒就完成了检测。此外,波音在777X飞机机翼翼梁检测单元中使用了一字排开的近12台库卡机器人,共同夹持部件以使1台超声检测机器人完成自动检测,同时在另一个单元中使用了近20台机器人,与工人配合完成手工检测。             

多机器人单元(美国国家航空研究院)

三是执行人机协作的类人机器人,一般采用基于人类手臂设计的7轴结构,在每段结构内都集成了防撞功能和关节力矩传感器,在接触到人时会自动远离,具有很高的柔性、精度、灵敏度和安全性。此类机器人首推库卡公司的智能工业作业辅助轻量化机器人(LBR iiwa),它由德国航空航天中心(DLR)机器人与机电一体化研究所于1995年开发并用于人机协作研究,之后联合库卡于2004年将其推向市场,并且获得2016年红点设计奖,目前DLR正将其用于A350热塑性复合材料构件的制造研究。欧盟LOCOMACHS项目就在LBR iiwa和安川电机莫托曼机器人基础上执行了“装配过程中的自动化与人协作”研究,包括4项任务:人机交互概念,在共享相同装配任务的人附近放置机器人,基于微软Kinect视觉系统验证安全区域的动态安排,可移动安全区域的分配方案。项目开发了人机交互轴上力/扭矩传感器、接近传感器、机器人速度限制参数、集成激光扫描设备的反馈功能、集成视觉系统的动态路径规划功能,这些技术将在提升自动化水平的同时确保协作安全性,降低30%的成本。2018年,在AMRC的帮助下,BAE系统公司将开始在“台风”战斗机生产中采用协作机器人,公司开发了一个基于LBR iiwa的协作机器人工作站,能够识别并避免碰撞操作员,使用无线技术自动加载最佳的个人配置文件并且自动传输定制的提示和指令,通过实际任务来指导同等专业技能水平的人员。        

协作机器人辅助翼肋安装(萨伯公司)     

固定式协作机器人(BAE系统公司)

4、自由移动协作机器人


一是基于大型移动平台的传统机器人系统,全向平台具备高刚度、高定位精度和动态稳定性,其上安装高精度机器人和可互换的多功能末端执行器,不同系统之间可以协作并且具备持续工艺监测功能,防止错误和碰撞发生。2013年起,弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所通过“大型复合材料结构高效高生产率精密加工”(ProsihP II)项目开发了一个模块化、自适应、可移动机器人智能铣削系统,并且2016年成功地在空客A320垂尾整体壁板上进行了试验,多个系统同时操作可以加工30m的机翼和机身主结构。2016年,波音787后机身47和48段装配开始使用与Electroimpact公司合作开发的Quadbots多机器人协同装配系统,系统由4台装配机器人组成并且采用防撞功能支撑协作,每个机器人都可以钻孔、锪孔、检测孔质量、涂覆密封剂和安装紧固件,可将装配效率提升30%,波音正考虑引入第5台机器人以便执行测试和预先维修不会影响生产。此外,2016年波音还获得了一项“机身自动化制造厂”专利,车间地板以RFID标识出六个装配单元,钻铆机器人、柔性简易工装都是可移动的,平时存放在等候区,中央控制台基于生产速度和订单分派任务,通过运送部件的AGV控制工作和运动时间,AGV可自主地根据任务在等候区和各单元之间搬运机器人和工装,实现更广泛意义上的机机协作以及装配的自主化。      

ProsihP II机器人(弗劳恩霍夫研究院)            

Quadbots机器人(波音公司)

二是基于灵巧移动平台的类人机器人系统,类人机器人直接集成在一个小体积全向平台上,提供至少10个自由度,与人类一起从事各种复杂任务,可以说代表了协作机器人的最高水平。库卡公司自2008年起开始推广其omniRob移动机器人,机器人在类似AVG的灵巧平台上集成了LBR iiwa,DLR的自主工业移动机械手(AIMM)对omniRob进行了优化,安装了集成立体摄像头的倾转盘单元和图案投影仪、基于FPGA的立体视觉处理器,能够在未知地形工作并且响应多种任务,实现自主化运行。2016年,英国GKN航宇旗下福克航空结构和起落架业务部分别基于omniRob开展了人机协作研究,航空结构部针对A350外襟翼,让机器人拾起自动钻孔单元并将其插入钻孔夹具,从这类简单任务中解放老员工去从事更加复杂的任务;起落架部利用机器人在套管上均匀涂覆无泡沫的密封剂滴,减少操作时间并提升可重复性。2015年,由弗劳恩霍夫工厂运行与自动化研究所联合空客和FACC等开展的欧盟框架计划“工业用先进协作机器人验证”项目对其开发的原型移动机器人系统进行了真实条件下的试验,系统基于ominRob开发并增加了抬升枢轴单元,使其自由度达到了12个,可以自由地执行多种装配任务,比如涂覆密封剂、搬运、检测等,极大减轻工人压力;系统还集成了3对立体摄像头监测系统和带缓冲层的触觉传感器,能够感知并避免任何碰撞,进一步提升安全性。空客在“未来装配”计划中与安川电机合作,利用其HIRO双臂拟人机器人来执行A380方向舵梁的人机协作装配,实施抓取、插入和预装铆钉等铆接任务,成为欧洲工业中首个与人类并肩工作的拟人机器人,让人机协作看起来更具人工智能,这种机器人目前扩展到了A350平尾翼盒装配线。      

ominRob机器人(KUKA公司)               

HIRO机器人辅助A380方向舵梁装配(空客公司)

三、结语

新概念机器人将是未来航空智能工厂的重要基础设施,是解决航空产品多品种、小批量柔性制造的重要使能手段,也是提高生产效率、降低制造成本的重要实现途径。空客、波音、洛马等航空制造商不仅之前积极投身联合开发,而且均加入了2017年美国国防部牵头组建的先进机器人制造创新机构,进一步集合全美的学术力量、技术人才和工业资源加快协作机器人的开发与航空应用,在大型部件装配线等环境中实现更广泛应用。不远的将来,“机器人总动员”就将在航空工厂中成为现实。

来源: 空天防务观察

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责任编辑:陈宏
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