近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人因其重復(fù)精度高、可靠性好、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、電子、食品、化工、物流等多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用并日趨成熟，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、節(jié)約了勞動(dòng)力和制造成本、增強(qiáng)了生產(chǎn)柔性和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，對(duì)保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低材料消耗發(fā)揮了十分重要的作用。而目前航空航天產(chǎn)品制造過(guò)程仍舊是勞動(dòng)密集、工序繁復(fù)、工況惡劣、輔以大量工裝夾具并以手工制造為主。自動(dòng)化生產(chǎn)能力不足，已成為制約提高武器裝備可靠性和生產(chǎn)能力的瓶頸。在我國(guó)大力發(fā)展航空航天的時(shí)代背景下，航空航天制造企業(yè)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)、裝備先進(jìn)制造能力提升具有十分重要的意義和價(jià)值。
在航空航天制造領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人不僅要完成典型的點(diǎn)膠、焊接、噴涂、熱處理、搬運(yùn)、裝配以及檢測(cè)等作業(yè)，還要進(jìn)行鉆孔、鉚接、密封、修整、復(fù)合材料鋪敷、無(wú)損探傷等特種作業(yè)任務(wù)。與傳統(tǒng)制造行業(yè)不同，航空航天產(chǎn)品制造具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能指標(biāo)精度高、載荷重、環(huán)境潔凈度高以及材料特殊等特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、性能、動(dòng)作流程和可靠性等都提出了更高的要求。此外，航天產(chǎn)品多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)還要求工業(yè)機(jī)器人具有良好的作業(yè)柔性和可擴(kuò)展性，通過(guò)快速重構(gòu)可形成適應(yīng)新環(huán)境、新任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)[1]。
國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況
針對(duì)行業(yè)特種需求，國(guó)外工業(yè)機(jī)器人企業(yè)與航空航天制造企業(yè)已經(jīng)密切合作，面向部件裝配和人機(jī)協(xié)作等應(yīng)用開(kāi)展工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)專項(xiàng)研制，以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。2012年底，在歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）“未來(lái)工廠”項(xiàng)目的資助下[2]，德國(guó)、奧地利、西班牙等國(guó)家聯(lián)合發(fā)起VALERI計(jì)劃，其目的是在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人先進(jìn)識(shí)別和人機(jī)協(xié)作，并能夠集成到航空部件生產(chǎn)中，使機(jī)器人能夠直接與人并肩工作，消除人機(jī)之間的防護(hù)隔離，將人從簡(jiǎn)單枯燥的工作中解放出來(lái)，進(jìn)而從事更有附加值的工作。該計(jì)劃參與單位包括弗勞恩霍夫工業(yè)操作和自動(dòng)化研究院、KUKA實(shí)驗(yàn)室、FACC、Profactor、IDPSA、PRODINTEC、空客軍機(jī)等多家航空和機(jī)器人研究與制造企業(yè)。英國(guó)復(fù)合材料中心NCC與GKN等航空航天企業(yè)合作投資4百萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)雙機(jī)械臂式自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)，不僅比手工作業(yè)節(jié)約材料，同時(shí)也替代了龍門式工裝，降低了投資成本。此外，美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家的制造企業(yè)也紛紛投巨資開(kāi)發(fā)面向航空制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。
21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)有一大批企業(yè)開(kāi)始自主研制或與科研院所合作研制工業(yè)機(jī)器人并已經(jīng)步入初步產(chǎn)業(yè)化階段[3]。但在總體技術(shù)上我國(guó)工業(yè)機(jī)器人與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距，僅相當(dāng)于國(guó)外90年代中期的水平。由于高性能交流
伺服電機(jī)和高精密減速器等關(guān)鍵單元部件和器件始終依賴進(jìn)口，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的成本居高不下。瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、MOTOMAN，德國(guó)的KUKA，美國(guó)的Adept Technology，意大利COMAU等品牌工業(yè)機(jī)器人占據(jù)了我國(guó)90%的應(yīng)用市場(chǎng)。受其影響，國(guó)內(nèi)面向航空航天產(chǎn)品制造和裝配的專用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)研制才剛剛起步，還沒(méi)有形成規(guī)模和較完備的種類。
盡管我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)品在航空部件裝配、航天產(chǎn)品生產(chǎn)線以及衛(wèi)星產(chǎn)品批量研制中逐漸得到應(yīng)用和推廣，與國(guó)外技術(shù)發(fā)展相比仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。本文通過(guò)分析和梳理近年來(lái)國(guó)內(nèi)外航空航天制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，探討其在非傳統(tǒng)制造領(lǐng)域的技術(shù)需求以及我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究在該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。
技術(shù)需求分析
1 移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人
汽車、電子、食品等行業(yè)廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人通常是面向中小規(guī)格產(chǎn)品制造，在航空、船舶以及風(fēng)機(jī)等大尺度產(chǎn)品制造過(guò)程中將面臨巨大的挑戰(zhàn)。如果按比例放大工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，其制造和控制成本將非常昂貴。另外，航空航天大尺度產(chǎn)品在制造過(guò)程中通常不便移動(dòng)，采用專用、固定基座工業(yè)機(jī)器人的解決方案并不經(jīng)濟(jì)，因此，移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人成為新途徑。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，同一臺(tái)移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人可以在多個(gè)不同的位置上完成同樣的作業(yè)任務(wù)，所需的編程時(shí)間較短，能夠提高機(jī)器人的工作效率和柔性。
面向大尺度產(chǎn)品制造的移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人的一種典型配置是將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)安裝在移動(dòng)導(dǎo)軌上。根據(jù)安裝位置的不同，該結(jié)構(gòu)又可分為龍門式（圖1（a））和地軌式（圖1（b））。
工業(yè)機(jī)器人的精度是由地面參考系到末端執(zhí)行器之間所有關(guān)節(jié)和連桿誤差的積累所決定的。軌道式配置構(gòu)造通常會(huì)受到工作載荷以及結(jié)構(gòu)受力等原因的困擾，造成結(jié)構(gòu)變形并進(jìn)一步影響加工精度。軌道變形具有隨機(jī)性，給位置精度補(bǔ)償也造成很大的困難。此外，軌道結(jié)構(gòu)會(huì)占用較大的工作空間和地面，增加了廠房投入和維護(hù)成本。
移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人的另一種典型配置是在輪或履帶移動(dòng)平臺(tái)上安裝工業(yè)機(jī)器人，從而達(dá)到圍繞零件移動(dòng)制造的目的。這種方案提高了裝備柔性，特別是解決了航空航天大尺度產(chǎn)品不易搬運(yùn)移動(dòng)的問(wèn)題。與氣墊式、導(dǎo)軌式移動(dòng)平臺(tái)相比，對(duì)廠房基建、氣源供應(yīng)無(wú)嚴(yán)格要求，可節(jié)省外部設(shè)備的投入和維護(hù)費(fèi)用。輪或履帶式移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人加工誤差的解決途徑是利用大尺度位置測(cè)量系統(tǒng)提供的非接觸位置數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償機(jī)器人末端執(zhí)行器與加工零件之間的誤差，從而提高加工精度。美國(guó)西南研究院（Southwest Research Institute，SwRI）面向商用或軍用飛機(jī)噴涂任務(wù)，采用Vetex公司的麥卡納姆輪全向移動(dòng)平臺(tái)、莫托曼工業(yè)機(jī)器人以及尼康的iGPS系統(tǒng)構(gòu)造了移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)MR ROAM 2，其末端精度能夠達(dá)到0.5英寸（1英寸=25.4mm），可以滿足目前噴涂應(yīng)用要求。如果采用
慣性傳感器，其精度有望達(dá)到1mm甚至更高。奧地利航空公司采用KUKA公司的全向移動(dòng)omniMove系統(tǒng)更換空中客車飛機(jī)引擎，其操作時(shí)間從16h減少到5h，移動(dòng)精度可達(dá)毫米級(jí)。卡耐基梅隆大學(xué)國(guó)家機(jī)器人工程中心（NREC）、CTC公司以及空軍研究實(shí)驗(yàn)室采用移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成軍機(jī)表面涂層激光剝離系統(tǒng)（圖）。該系統(tǒng)根據(jù)機(jī)型大小對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靈活編組，不僅代替了傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦或化學(xué)腐蝕去除法，避免了有害廢料和空氣污染，還降低了工作量和處理時(shí)間。我國(guó)采用可移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)配以激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星艙板的自動(dòng)和半自動(dòng)模式輔助對(duì)接裝配，解決了艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與艙板停放機(jī)構(gòu)的分離以及多自由度自動(dòng)調(diào)節(jié)和聯(lián)動(dòng)，減少了專用支架車的數(shù)量和維護(hù)成本，滿足了多工位、多時(shí)段的多個(gè)衛(wèi)星裝配使用要求[4]。
移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人在航空航天領(lǐng)域潛在的應(yīng)用還包括大部件裝配，噴涂、噴砂、無(wú)損檢測(cè)等表面處理，焊接鉚接，核、生物、化工等環(huán)境的表面清潔以及快速原型制造等。
2 多臂協(xié)同工業(yè)機(jī)器人
盡管單臂工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化制造中具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其在空間分布性、功能分布性、任務(wù)并行性以及作業(yè)容錯(cuò)性等方面存在局限性，特別是在航空領(lǐng)域大尺度部件制造與裝配中其靈活性、可靠性、抗振性和負(fù)載能力等方面的局限性尤為突出，因此，80年代以來(lái)多臂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)引起了廣泛重視。
多臂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通常被分為松耦合型和緊耦合型[5]。松耦合型多見(jiàn)于汽車制造等自動(dòng)化裝配，每個(gè)工業(yè)機(jī)器人有獨(dú)立的作業(yè)對(duì)象并且不形成整體的閉鏈結(jié)構(gòu)；緊耦合型系統(tǒng)各機(jī)器人與作業(yè)對(duì)象直接接觸并形成相互作用力，進(jìn)而構(gòu)成存在內(nèi)力作用的閉鏈機(jī)構(gòu)。采用緊耦合型多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，能夠有效抑制振動(dòng)、減少變形、替代專用工裝夾具，可用作大型、重載、薄壁、細(xì)軟等易變形部件的搬運(yùn)、調(diào)姿、對(duì)接、裝配等任務(wù)。
雙臂機(jī)器人是多臂協(xié)同機(jī)器人中應(yīng)用較為廣泛的一類，通常模仿人的雙臂結(jié)構(gòu)和交互行為，能夠在較小的工作空間完成靈巧裝配與檢測(cè)任務(wù)，可代替人在有害、易燃、易爆化工產(chǎn)品制備，高潔凈度、高真空度電子產(chǎn)品裝配等環(huán)境中作業(yè)（圖）。面向航空制造領(lǐng)域的雙臂協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)需要具備兩類功能。一類是遙操作功能，能夠根據(jù)操作者的動(dòng)作指令遠(yuǎn)程控制機(jī)器人精確、平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)作業(yè)；另一類是根據(jù)機(jī)器人左右臂手交互的力覺(jué)感知和任務(wù)流程指令自主完成裝配、檢測(cè)任務(wù)。前者強(qiáng)調(diào)動(dòng)作跟隨的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，后者強(qiáng)調(diào)動(dòng)作的柔順性和協(xié)調(diào)性。
兩個(gè)以上工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同控制問(wèn)題要比雙臂機(jī)器人系統(tǒng)更加復(fù)雜，在應(yīng)用上目前還不如雙臂協(xié)同機(jī)器人廣泛。不過(guò)其面向更復(fù)雜操作的能力正逐漸受到研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。日本研究人員采用5個(gè)配備力學(xué)和視覺(jué)傳感器的工業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)了可以彎折和捆扎線纜的多臂機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于航空產(chǎn)品的自動(dòng)化布線生產(chǎn)。日本東北大學(xué)、韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)機(jī)械與航空航天學(xué)院圍繞多移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)了能夠與人互動(dòng)的協(xié)同作業(yè)能力，可對(duì)同一部件進(jìn)行搬運(yùn)和調(diào)姿操作。
此外，多臂協(xié)同工業(yè)機(jī)器人還可用于航空復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放生產(chǎn)，與人工作業(yè)相比，雙臂自動(dòng)鋪放系統(tǒng)可節(jié)約材料75%，部件重量比金屬減重20%。在NASA的敏捷機(jī)械手測(cè)試（DMT）設(shè)備以及阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的CP-5重水反應(yīng)堆中均用到了液壓驅(qū)動(dòng)的大型雙臂工業(yè)機(jī)器人。通過(guò)采用多臂協(xié)同技術(shù)，使得航空大尺度產(chǎn)品制造可以采用常規(guī)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，從而降低制造、裝配單元的成本和周期，并具有柔性。因此，近年來(lái)該技術(shù)受到國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)的高度重視，國(guó)際知名機(jī)器人制造商ABB、KUKA、YASKAWA等也為此紛紛開(kāi)展相關(guān)裝備的研制。
3 末端伺服工業(yè)機(jī)器人
航空航天產(chǎn)品制造、裝配過(guò)程中最至關(guān)重要的就是產(chǎn)品加工精度，特別是大尺度部件制造的絕對(duì)定位精度和路徑精度。目前工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度較高而絕對(duì)定位精度較低，無(wú)法滿足飛機(jī)數(shù)字化裝配中絕對(duì)定位精度低于0.5 mm的要求[6]。工業(yè)機(jī)器人通常采用開(kāi)鏈?zhǔn)酱?lián)關(guān)節(jié)構(gòu)型，由于受到負(fù)載、重力、環(huán)境溫度、機(jī)器人本身的制造精度、插補(bǔ)算法以及加工過(guò)程中的振顫等因素影響，末端執(zhí)行器相對(duì)于固定基座坐標(biāo)系的多個(gè)連桿均會(huì)產(chǎn)生誤差積累，而且零部件、工裝夾具與機(jī)器人基座間因加工受力變形也會(huì)產(chǎn)生誤差。通過(guò)提高關(guān)節(jié)定位精度和減小連桿變形的方法在改善末端定位精度方面的作用非常有限。因此工業(yè)機(jī)器人需要通過(guò)精確引導(dǎo)末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的伺服控制。國(guó)內(nèi)外目前引導(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器定位的方式主要有3種：
（1）采用光學(xué)測(cè)量?jī)x器，如激光跟蹤儀，iGPS；
（2）采用立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，如雙目或多目視覺(jué)；
（3）采用力覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，如加速度計(jì)等。
Premium航空技術(shù)公司在A350飛機(jī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)身制造過(guò)程中，采用激光跟蹤儀引導(dǎo)兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同完成桁條粘貼任務(wù)，其18m長(zhǎng)桁條的周向公差可達(dá)±0.3 mm。FANUC America公司采用集成多攝像頭、可遠(yuǎn)程定位的iRVision視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)、安裝加速度計(jì)的學(xué)習(xí)振動(dòng)控制系統(tǒng)（LVC）以及次級(jí)
編碼器，共同作用構(gòu)建了高精度解決方案。不僅通過(guò)數(shù)據(jù)修正使末端執(zhí)行器的振動(dòng)降到最小，而且可以對(duì)不同位置上的同型工件進(jìn)行相同的加工過(guò)程。既提高了機(jī)器人的生產(chǎn)效率，又節(jié)約了地面作業(yè)空間。
除了采用高精度的測(cè)量?jī)x器外，建立定位誤差模型和補(bǔ)償算法也是提高定位精度的重要手段。德國(guó)寶捷自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)的包含校準(zhǔn)工藝和補(bǔ)償方法的組合包在不使用外部測(cè)量?jī)x器的情況下，讓一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度達(dá)到±0.3mm。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校的研究和實(shí)踐表明，采用末端伺服工業(yè)機(jī)器人是解決當(dāng)前航空產(chǎn)品制造絕對(duì)定位精度的重要手段。
4 靈巧關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人
航空產(chǎn)品通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布局緊湊、而且潔凈度要求高，能夠進(jìn)行裝配、檢測(cè)以及清理的工作空間非常有限，因此人工操作難度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。常規(guī)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)節(jié)尺寸大無(wú)法在狹小空間完成這類作業(yè)。仿象鼻、章魚(yú)須或蛇等柔性多節(jié)結(jié)構(gòu)的靈巧關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。英國(guó)OC Robotics公司為空中客車英國(guó)公司開(kāi)發(fā)了系列蛇形臂機(jī)器人（圖8），能夠鉆入機(jī)翼內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)、緊固和密封。
OC Robotics公司蛇形臂機(jī)器人
航空大部件產(chǎn)品制造、裝配、維修過(guò)程有時(shí)需要運(yùn)用敲擊振動(dòng)過(guò)程（圖7），比如鉚接，有時(shí)又必須避免與作業(yè)環(huán)境或人發(fā)生碰撞。傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人由于受傳感器測(cè)量帶寬和計(jì)算機(jī)速度的限制，導(dǎo)致其不能對(duì)快速?zèng)_擊及時(shí)響應(yīng)[7]，難以適應(yīng)需要瞬間加速或較大力矩的場(chǎng)合，并且工作空間需要封閉以保證安全性。為此，工業(yè)機(jī)器人的靈巧性還體現(xiàn)在采用柔性關(guān)節(jié)，其內(nèi)部含有彈性環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)量關(guān)節(jié)的輸出力矩構(gòu)成力矩反饋，從而獲得比傳統(tǒng)關(guān)節(jié)更高的力控制精度與穩(wěn)定性。彈性環(huán)節(jié)還可以存儲(chǔ)能量，在瞬間釋放時(shí)可以產(chǎn)生較大的力矩。采用柔性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人具有安全性，能夠與人直接交互，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)放性和移動(dòng)性。德國(guó)宇航中心DLR、美國(guó)Meka Robotics 公司、瑞典ABB公司等機(jī)構(gòu)在柔性關(guān)節(jié)領(lǐng)域開(kāi)展了深入研究，部分產(chǎn)品正逐漸投入市場(chǎng)。
亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)
1 工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器精確伺服
串聯(lián)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人通常采用諧波減速器，關(guān)節(jié)剛性較差，為提高定位精度首先需要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，獲得誤差模型或誤差矩陣。其次，通過(guò)精度補(bǔ)償算法對(duì)末端執(zhí)行器的定位提供伺服修正，其補(bǔ)償方式包括離線和在線兩種方式。離線方式通過(guò)預(yù)先測(cè)量等手段，將空間網(wǎng)格誤差、剛度誤差、溫度誤差等補(bǔ)償數(shù)據(jù)預(yù)置在控制算法中；在線方式借助多種實(shí)時(shí)測(cè)量手段，比如激光跟蹤儀、立體視覺(jué)系統(tǒng)、力或加速度計(jì)等傳感器對(duì)末端位置進(jìn)行閉環(huán)控制。此外，在制造過(guò)程中，大尺度部件的振顫或者移動(dòng)平臺(tái)的震動(dòng)對(duì)機(jī)器人加工精度和質(zhì)量的影響也不容忽視。為此，工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度補(bǔ)償?shù)目焖俑咝П孀R(shí)、光視力覺(jué)多傳感器在線融合空間配置技術(shù)、振顫動(dòng)態(tài)抑制方法以及定位精度補(bǔ)償算法是解決工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器精確伺服的關(guān)鍵技術(shù)。
2 冗余自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與力/位控制
移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人和緊耦合多臂協(xié)同工業(yè)機(jī)器人均屬于具有冗余自由度的機(jī)器人系統(tǒng)。對(duì)于移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人，既需要對(duì)移動(dòng)部分進(jìn)行定位和局部運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，又需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端軌跡進(jìn)行精確規(guī)劃。在噴涂、檢測(cè)等動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，需要移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人上下部分實(shí)時(shí)規(guī)劃、協(xié)同運(yùn)動(dòng)。在制孔、鉚接等力/位伺服應(yīng)用中，由于移動(dòng)部分與地面沒(méi)有錨接，機(jī)器人在單邊壓力操作過(guò)程中的力反饋控制成為關(guān)鍵。多機(jī)器人系統(tǒng)自由度高度冗余，既引起運(yùn)動(dòng)學(xué)上的不確定性（不同位姿機(jī)器人的操作對(duì)象處于同一空間位姿）又引起動(dòng)力學(xué)上的不確定性（操作同一對(duì)象的各個(gè)機(jī)器人末端作用力并不唯一）。單機(jī)器人系統(tǒng)的控制方式無(wú)法直接應(yīng)用于冗余自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，必須深入分析多機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性, 建立能夠描述整個(gè)協(xié)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型, 才能實(shí)現(xiàn)精確的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。因此，冗余自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和多種約束條件下的廣義坐標(biāo)求解、機(jī)器人載荷分配、閉鏈內(nèi)力協(xié)調(diào)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化、與環(huán)境動(dòng)態(tài)交互的逆動(dòng)力學(xué)控制以及操作細(xì)長(zhǎng)、薄壁柔性負(fù)載的控制是冗余自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和力/位控制面臨的關(guān)鍵技術(shù)。
3 工業(yè)機(jī)器人靈巧結(jié)構(gòu)與柔性關(guān)節(jié)
包含法向檢測(cè)、切削清理、刀具潤(rùn)滑以及屬具快換等裝置的末端執(zhí)行器通常體積和重量大。為此串聯(lián)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人各桿段的體積、功耗也相應(yīng)逐漸增大，為了獲得較大的剛度和自振頻率、降低非線性干擾，工業(yè)機(jī)器人往往設(shè)計(jì)有臂桿平衡機(jī)構(gòu)，因此整個(gè)機(jī)器人制造系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)重、功耗大、負(fù)載-自重比低，在工裝上能夠布置的空間有限，不利于多機(jī)器人協(xié)作和提高效率。而目前面向航空復(fù)雜、狹窄結(jié)構(gòu)部件裝配、檢測(cè)的串聯(lián)多關(guān)節(jié)式仿生機(jī)械臂還有待進(jìn)一步提高負(fù)載能力和剛性。另外，被加工復(fù)合材料或薄壁部件易變形，在制造過(guò)程中為防止接觸力過(guò)大而導(dǎo)致機(jī)器人或被加工部件受損，機(jī)器人與部件之間需要采取柔順控制。隨著制造環(huán)境的逐漸開(kāi)放，機(jī)器人伴隨人工作業(yè)的方式成為趨勢(shì)，人機(jī)交互過(guò)程中的安全性也成為重要問(wèn)題。因而機(jī)器人的碰撞檢測(cè)必不可少。鑒于這些需求，工業(yè)機(jī)器人必須從結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)上加強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低功耗、提高負(fù)載/自重比；關(guān)節(jié)必須模塊化集成，充分考慮碰撞力檢測(cè)和主動(dòng)柔順控制。為此，新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕量模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、包含彈性環(huán)節(jié)的柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和控制、新型碰撞檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與配置、智能避碰實(shí)時(shí)檢測(cè)與快速響應(yīng)等成為面向航空航天制造工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
4 機(jī)器人全向移動(dòng)平臺(tái)
移動(dòng)式平臺(tái)是工業(yè)機(jī)器人提高柔性制造能力的重要基礎(chǔ)。除此之外，移動(dòng)式平臺(tái)本身作為一種半自主機(jī)器人，在航空航天制造過(guò)程的總裝對(duì)接和工序流轉(zhuǎn)中同樣也發(fā)揮著重要作用。它可以替代大尺度產(chǎn)品運(yùn)輸、裝配中通常使用的各種導(dǎo)軌、氣墊和輪式專用運(yùn)輸架車，成為航空航天制造領(lǐng)域載重運(yùn)輸平臺(tái)的新趨勢(shì)。KUKA公司的全向移動(dòng)平臺(tái)已用于Premium AEROTEC公司的機(jī)身成型模具運(yùn)輸。德國(guó)CFT公司研制的MC-Drive TP 200、MC-Drive TP 60、MC-drive PT 200-WHT等全向移動(dòng)平臺(tái)已用于英、美、德等國(guó)家的機(jī)身、機(jī)翼運(yùn)輸和引擎加工。這類平臺(tái)通常需要滿足以下技術(shù)要求：
（1）平面全向移動(dòng)能力，包括任意方向平移和任意定點(diǎn)回轉(zhuǎn)，作業(yè)空間要求低；
（2）承載能力和支撐尺度大，能夠滿足大型部件的運(yùn)輸和作業(yè)工況下的穩(wěn)定支撐；
（3）具有三維調(diào)姿、定位能力且調(diào)節(jié)精度高（位置精度±1mm，俯仰、偏航調(diào)整精度優(yōu)于0.02°，水平度調(diào)整精度優(yōu)于0.2mm/m）；
（4）運(yùn)動(dòng)速度快，調(diào)速范圍寬，流轉(zhuǎn)效率高；
（5）能源、控制、執(zhí)行等系統(tǒng)集成度高，結(jié)構(gòu)緊湊；
（6）拓展性好，能夠承載多種作業(yè)裝備；
（7）操控簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，減少人工干預(yù)。
為此，機(jī)器人全向移動(dòng)平臺(tái)在結(jié)構(gòu)方面需要解決全向輪、車架的重載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通用化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。在控制方面應(yīng)考慮液壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的全向輪牽引能力設(shè)計(jì)與控制，考慮緊湊性、維護(hù)性的控制、能源與執(zhí)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)以及作業(yè)平臺(tái)的高精密定位與伺服控制。全向移動(dòng)平臺(tái)還可能與現(xiàn)有的氣墊式、電磁式、導(dǎo)軌式等移動(dòng)形式構(gòu)成復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)，以滿足復(fù)雜的應(yīng)用需要。除此之外，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電、液、氣輔助裝置的配套設(shè)施規(guī)劃技術(shù)也是全向移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)中必不可少的內(nèi)容。
5 工業(yè)機(jī)器人智能工藝規(guī)劃
航空航天復(fù)雜裝備一方面向小型化、輕量化和精密化方向發(fā)展，其填充密度和裝配精度要求高、裝配難度大，通常采用虛擬裝配技術(shù)提高一次性成功率和裝配質(zhì)量。另一方面，航空航天產(chǎn)品多品種、小批量特征要求制造生產(chǎn)線具備柔性制造能力。一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人要能夠配備不同規(guī)格的末端執(zhí)行器，對(duì)不同型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行相似的制造和裝配作業(yè)。采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行柔性自動(dòng)化裝配時(shí)，對(duì)裝配順序、裝配路徑、末端執(zhí)行器選配應(yīng)進(jìn)行工藝規(guī)劃，并通過(guò)離線編程實(shí)現(xiàn)干涉檢驗(yàn)和指令生成。此外，航空航天零部件的配合關(guān)系多樣、尺寸鏈接復(fù)雜。在離線編程的基礎(chǔ)上，必須結(jié)合前道生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息，對(duì)后續(xù)加工過(guò)程進(jìn)行同步調(diào)整。為此，面向航空航天復(fù)雜裝備的柔性生產(chǎn)，工業(yè)機(jī)器人需要解決末端執(zhí)行器快換裝置、離線編程、柔性裝配工藝規(guī)劃和加工過(guò)程同步檢測(cè)等技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
結(jié)束語(yǔ)
面對(duì)航空航天制造領(lǐng)域大尺度、高精度、多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，提高質(zhì)量、降低成本、快速反應(yīng)是航空航天制造企業(yè)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和行業(yè)發(fā)展的重要手段。工業(yè)機(jī)器人在企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升裝備先進(jìn)制造能力方面將發(fā)揮著重要角色。當(dāng)前新型材料、高精加工、復(fù)雜裝配對(duì)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用、制造理念和管理規(guī)劃提出了新的要求，需要制造企業(yè)和機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)密切合作，針對(duì)應(yīng)用中面臨的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)探索突破，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在航空航天制造領(lǐng)域不斷創(chuàng)新。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬娟榮.航天生產(chǎn)線采用工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展機(jī)遇.北京：中國(guó)航天報(bào),2013-07-23（3）.
[2] M.A.René Maresch. Factories of the future: Mobile manipulators for aerospace production. 2013-04-29[2013-09-20].
[3] 趙杰.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn).航空制造技術(shù)，2012，12,26-29.
[4] 邱鐵成,張滿,張立偉,等.機(jī)器人在衛(wèi)星艙板裝配中的應(yīng)用研究.航天器環(huán)境工程,2012,29(5)：579-585.
[5] 甘亞輝,戴先中.多機(jī)械臂協(xié)調(diào)控制研究綜述.控制與決策,2013,28(3):321-333.
[6] 龔星如,沈建新,田威,等.工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位誤差模型及其補(bǔ)償算法.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012（44）:60-64.
[7] 黃遠(yuǎn)燦.柔性一體化關(guān)節(jié)及4自由度仿人軟機(jī)械臂. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用,2013（2）：39
