施俊丹

近年來(lái)，機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的使用愈來(lái)愈普遍，其承擔(dān)的任務(wù)也愈來(lái)愈繁重。同時(shí)，與機(jī)器人配套的新技術(shù)也愈來(lái)愈復(fù)雜，3D打印、VR等新技術(shù)層出不窮。隨著機(jī)器人與這些新技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越緊密，機(jī)器人的智能化水平得到明顯提高，在很大程度上改變了航空制造業(yè)的面貌。

機(jī)器人+3D打印

3D打印是一項(xiàng)前沿技術(shù)，目前正在大規(guī)模普及，已經(jīng)在很多行業(yè)有成功應(yīng)用的案例。航空工業(yè)作為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，自然也不例外，2017年5月首飛的C919大型客機(jī)上就有3D打印零部件的身影。C919機(jī)翼的主要承重部件——機(jī)翼中央椽條，以及前機(jī)身和中后機(jī)身登機(jī)門、服務(wù)門、前后貨艙門上使用的23個(gè)金屬部件，都來(lái)自3D打印。

2016年，空客推出了一款全3D打印的驗(yàn)證飛機(jī)——Thor（雷神）。該飛機(jī)的非電子部分，如發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等均采用綿綸制造。

3D打印技術(shù)的發(fā)展，離不開(kāi)工業(yè)機(jī)器人。正是因?yàn)橛胁粩喟l(fā)展的機(jī)器人技術(shù)，才使得3D打印從理論走向現(xiàn)實(shí)、從傳統(tǒng)工業(yè)走進(jìn)航空工業(yè)。

洛克希德·馬丁公司和美國(guó)機(jī)器人集成商Wolf Robotics合作，開(kāi)發(fā)了一款驗(yàn)證平臺(tái)，計(jì)劃通過(guò)不斷添加組件，進(jìn)行迭代開(kāi)發(fā)以增強(qiáng)其功能，以便更好地適應(yīng)未來(lái)工廠的制造需求。平臺(tái)最近的形態(tài)是由兩臺(tái)縱向排列的ABB公司的機(jī)器人構(gòu)成。

第一臺(tái)機(jī)器人用來(lái)進(jìn)行3D打印，其機(jī)械臂前端有一根用來(lái)“吐珠子”的管子，可以連續(xù)釋放球狀高分子材料，鋪滿一層后繼續(xù)鋪上面一層，直到結(jié)構(gòu)成型。

另一臺(tái)機(jī)器人是多功能的，其前端的工具更換系統(tǒng)可以切換三種功能，分別用來(lái)移除第一臺(tái)機(jī)器人在物件表面鋪放的多余材料，或者通過(guò)光學(xué)掃描裝置監(jiān)測(cè)整個(gè)3D打印過(guò)程，還可以換上一個(gè)鉗子處理其他任務(wù)。利用這個(gè)鉗子，第二臺(tái)機(jī)器人可以抓起一臺(tái)體積更小的3D打印機(jī)，將它懸在第一臺(tái)機(jī)器人打印好的物件表面進(jìn)行“精雕細(xì)琢”，仿佛是第二臺(tái)機(jī)器人的手臂延長(zhǎng)了。

如果使用傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行上述3D打印工作，流程通常是串行的，先制造好，然后切削，再添加組件，如此循環(huán)往復(fù)?，F(xiàn)在把機(jī)器人和3D打印結(jié)合在一起，利用強(qiáng)大的控制軟件，這些過(guò)程可以并行完成，有條不紊，效率大大提升。

利用特殊設(shè)計(jì)的機(jī)器人，而不是預(yù)定義的打印設(shè)備進(jìn)行3D打印，可以快速開(kāi)發(fā)出新的金屬零件，不需要增加額外的模具成本就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，并且只有很低的初期制造成本，這些優(yōu)點(diǎn)讓制造過(guò)程更加自由，浪費(fèi)更少。

GE航空結(jié)合自身實(shí)踐，在這方面進(jìn)行了積極探索。在其研發(fā)的先進(jìn)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)上，GE的設(shè)計(jì)師將855個(gè)獨(dú)立零件成功地減少為12個(gè)，發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)三分之一的部件都是3D打印的。

機(jī)器人+VR

除了能自動(dòng)作業(yè)的機(jī)器人外，還有很多工業(yè)機(jī)器人需要操作者和機(jī)器同處一地進(jìn)行操作。但隨著科技的快速發(fā)展，會(huì)不會(huì)有一天這些機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制呢？

近期，在波音和美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)的資助下，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）設(shè)計(jì)了一套利用Oculus Rift頭盔遠(yuǎn)程操控機(jī)器人的VR系統(tǒng)。使用者待在安裝有多個(gè)視覺(jué)傳感器的控制室內(nèi)，系統(tǒng)讓其感到仿佛置身于機(jī)器人的“頭”里。使用者做出手勢(shì)向機(jī)器人傳遞信息，機(jī)器人通過(guò)復(fù)制使用者的動(dòng)作完成不同的任務(wù)，這套系統(tǒng)最終可以幫助人類遠(yuǎn)距離管理機(jī)器人。

使用VR進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通常有兩種方法。一種是“直接”模式，使用者的視覺(jué)直接和機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行耦合，可以理解為“第一人稱視角”。但是，由于傳輸延遲等原因，有可能會(huì)導(dǎo)致使用者出現(xiàn)嘔心、頭痛等問(wèn)題，使用者的視野也受限于機(jī)器人的視角，所獲取的信息較少。另一種是“數(shù)字-物理”模式，使用者和機(jī)器人相互獨(dú)立，轉(zhuǎn)而和一個(gè)虛擬形態(tài)的機(jī)器人及其所處的環(huán)境進(jìn)行交互，可以理解為“第三人稱視角”。用戶不僅能看到機(jī)器人視野中的東西，還能對(duì)機(jī)器人本身進(jìn)行觀察。但是，這種模式需要大量的傳感器以及更多的數(shù)據(jù)支持。

CSAIL設(shè)計(jì)的VR系統(tǒng)介于上述兩種模式之間。這項(xiàng)技術(shù)一旦成熟，在航空制造業(yè)中將有很好的發(fā)展前景。比如，它能很好地解決航空公司的定制涂裝問(wèn)題，既能把工人從有毒的環(huán)境中解放出來(lái)，又能彌補(bǔ)自動(dòng)機(jī)器人在噴涂不同圖案時(shí)存在的問(wèn)題。

機(jī)器人+復(fù)合材料

波音在制造777X的機(jī)翼時(shí)，使用了自動(dòng)纖維敷設(shè)機(jī)，這是用機(jī)器人處理復(fù)合材料的典型案例。其實(shí)，換一個(gè)角度來(lái)看，復(fù)合材料不僅可以為飛機(jī)部件減重，也可以為生產(chǎn)飛機(jī)部件的機(jī)器人減重。

2017年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)和波音共同創(chuàng)建的先進(jìn)制造研究中心（AMRC）推出了世界上首個(gè)可重構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料機(jī)器人。這種機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，可以由兩個(gè)人輕松地拆卸并移動(dòng)。

工業(yè)機(jī)器人的兩個(gè)重要指標(biāo)是承載能力和精度，使用金屬材料去追求承載能力，勢(shì)必會(huì)增加機(jī)器人手臂等承力部件的重量，而重量增加帶來(lái)慣性增大，會(huì)拖累精度。為了維持精度，反過(guò)來(lái)又要增加一些補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。這樣一來(lái)，對(duì)機(jī)器人的制造工藝提出了很高的要求。

復(fù)合材料出現(xiàn)后，機(jī)器人的負(fù)載和自重比有了質(zhì)的飛躍，能夠有效解決上述問(wèn)題。碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般都不少于3 500兆帕，是鋼材的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000兆帕，密度卻不到鋼材的四分之一，這種高承載能力和輕量化效果對(duì)工業(yè)機(jī)器人的操作精度有明顯改善。此外，由復(fù)合材料制成的機(jī)器人，其操作精度受環(huán)境溫度、濕度變化的影響也比金屬材料制成的機(jī)器人更小。