陶 永，高 赫，王田苗，江 山，任 帆，溫宇方

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 100191）

在航空技術(shù)發(fā)展日新月異的背景下，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用給航空制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展注入了新的活力，提升了飛機(jī)制造裝配效率、精度和一致性，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人技術(shù)本身提出了新要求。

工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入航空制造、電子、汽車等高附加值領(lǐng)域，代替人類完成重復(fù)性工作是目前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的重要方向之一。航空產(chǎn)品加工精度高、工序復(fù)雜、品種多、批量小，傳統(tǒng)制造過程采用以工裝夾具為輔、手工制造為主的生產(chǎn)模式。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)考慮到加工精度和剛性的限制，以固定點(diǎn)位、導(dǎo)軌和龍門形式為主，主要負(fù)責(zé)制孔、焊接、裝配、表面處理等工序。

在大型飛機(jī)制造領(lǐng)域，國內(nèi)航空工業(yè)成飛、西飛、沈飛等為突破“機(jī)庫式”裝配模式限制，在飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線等領(lǐng)域進(jìn)行了探索和嘗試，聯(lián)合科研院所重點(diǎn)研發(fā)了智能搬運(yùn)自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated guided vehicle,AGV）、制孔機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等系列自動(dòng)化裝備，并逐步投入應(yīng)用。由于飛機(jī)大型構(gòu)件制造裝配系統(tǒng)具有精度要求高、工作范圍大、工作柔性大、系統(tǒng)靈活、載荷較大等特點(diǎn)，同時(shí)考慮到廠區(qū)布置和通行能力，固定點(diǎn)位和傳統(tǒng)移動(dòng)形式的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)很難滿足大型飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、裝配的工藝要求。為此，移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)逐步成為該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)重復(fù)定位精度高，絕對(duì)定位精度低，無法直接滿足新制造環(huán)境下的應(yīng)用需求，需要進(jìn)一步探索精度溯源和控制方法。工業(yè)機(jī)器人與AGV移動(dòng)平臺(tái)復(fù)合成為耦合系統(tǒng)，移動(dòng)平臺(tái)的定位精度控制和導(dǎo)航規(guī)劃是需要攻克的難點(diǎn)和核心技術(shù)之一。大型復(fù)雜構(gòu)件的裝配需要智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)工裝配合完成，過程涉及數(shù)字化測(cè)量、多傳感器數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)。

近年來，移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和飛機(jī)制造裝配中的工程應(yīng)用逐漸成為熱點(diǎn)。本文針對(duì)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線等航空制造過程的典型應(yīng)用進(jìn)行綜述，重點(diǎn)梳理移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的多傳感器融合的同步定位和建圖、移動(dòng)機(jī)器人高精度導(dǎo)航控制、機(jī)械臂精度控制方法和數(shù)字化測(cè)量等核心關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論和展望。

主要應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

1 機(jī)器人自動(dòng)化制孔裝備

飛機(jī)裝配過程主要采用機(jī)械連接方式，存在大量機(jī)械連接件,涉及制孔和連接工藝[1]。傳統(tǒng)裝配過程以人工制孔為主，難以滿足航空產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)于裝配精度、效率和一致性的要求，因而，機(jī)器人自動(dòng)化制孔裝備逐漸獲得關(guān)注。

國外已投入機(jī)器人自動(dòng)化制孔裝備參與部件成型和裝配進(jìn)程。2012年啟動(dòng)的歐盟 “復(fù)合材料和混合結(jié)構(gòu)的低成本制造和裝配”（LOCOMACHS）項(xiàng)目，使用自動(dòng)化制孔設(shè)備，節(jié)省了50%的系統(tǒng)制造裝配成本[2]。美國Electroimpact公司曾研發(fā)后襟翼鉆孔系統(tǒng)[3]（The trailing edge/flap drilling system,TEDS），如圖1（a）所示[4]，在波音公司進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，達(dá)到了深度±0.05mm、法向±0.5°的系統(tǒng)精度，制孔效率提高約30%?？湛凸菊螹TM Robotics自動(dòng)化公司，在德國漢堡建立了新的A320系列飛機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線，其中大量使用了導(dǎo)軌式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔，如圖1（b）所示[4]。

國內(nèi)企業(yè)和科研院所對(duì)于飛機(jī)組件機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)也進(jìn)行了大量研究，并逐步展開應(yīng)用。中航工業(yè)西飛薛宏等[5]針對(duì)大飛機(jī)活動(dòng)翼面自動(dòng)制孔，研制了機(jī)器人柔性制孔系統(tǒng)，形成了一套專用工藝和離線編程方案，制孔精度達(dá)到0.04mm。中國商飛上飛公司針對(duì)ARJ21和C919飛機(jī)機(jī)身筒段對(duì)接環(huán)向制孔需求，進(jìn)行了制孔質(zhì)量工藝性驗(yàn)證、自動(dòng)制孔軌跡離線編程等試驗(yàn)，開發(fā)了一種利用吸盤進(jìn)行吸附定位的爬壁制孔機(jī)器人，具有優(yōu)秀的應(yīng)用靈活性[6]。

移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化制孔裝備應(yīng)用于飛機(jī)大部件制造裝配過程，擁有結(jié)構(gòu)靈活、柔性大、工作空間大的優(yōu)勢(shì)，正逐步獲得行業(yè)關(guān)注。穩(wěn)定有效的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)化制孔過程，基于機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和制孔摩擦、振動(dòng)機(jī)理研究，涉及移動(dòng)機(jī)器人高精度定位與導(dǎo)航、機(jī)械臂系統(tǒng)精度控制、柔性制孔執(zhí)行器設(shè)計(jì)和自適應(yīng)加工控制等關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定加工和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

2 航空自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人

檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集飛機(jī)部件裝配效果信息，是飛機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量管理的重要構(gòu)成。機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)可突破傳統(tǒng)測(cè)量方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，柔性差的束縛，并能提供足夠的靈活性和可拓展性，一般由移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂本體和末端測(cè)量頭構(gòu)成（圖2（a））。

空客A400M氣體動(dòng)力試驗(yàn)中，采用機(jī)器人測(cè)量承載面氣體角度可克服傳統(tǒng)工裝對(duì)測(cè)試氣流造成的影響，從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。英國OC Robotics公司針對(duì)飛機(jī)機(jī)翼檢測(cè)難到達(dá)環(huán)境，研發(fā)了蛇形臂（Snake–arm）[7]，將其整合至機(jī)械臂末端，可鉆入飛機(jī)的機(jī)翼內(nèi)部完成檢測(cè)、緊固和密封等操作，如圖2（b）所示[7]。

圖2 機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Robot automatic detection system

北京理工大學(xué)鄒志剛[8]研制的復(fù)合機(jī)械臂超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，借助移動(dòng)軸、延長桿和同步定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體曲面工件的超聲自動(dòng)檢測(cè)。合肥工業(yè)大學(xué)王鑫[9]針對(duì)飛機(jī)蒙皮自動(dòng)化無損檢測(cè)的需求，整合輪式移動(dòng)平臺(tái)、UR10機(jī)械臂、相控陣檢測(cè)末端，進(jìn)行了集成系統(tǒng)無損檢測(cè)試驗(yàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等科研院所在軟體連續(xù)性機(jī)械臂領(lǐng)域做了大量研究，積累了一定成果。

飛機(jī)部裝及總裝效果需要檢測(cè)和試驗(yàn)評(píng)估。機(jī)器人系統(tǒng)參與自動(dòng)檢測(cè)過程，可加速細(xì)化檢測(cè)環(huán)節(jié)，提高檢測(cè)效率和可信度。機(jī)器人系統(tǒng)為檢測(cè)執(zhí)行設(shè)備提供精準(zhǔn)位姿，在航空自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。固定式或者移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)形態(tài)的選擇應(yīng)充分考慮脈動(dòng)站位實(shí)際任務(wù)場景和精度要求，協(xié)調(diào)系統(tǒng)靈活性與測(cè)量精度的矛盾。

3 航空大部件搬運(yùn)

移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)的重要組成部分，可極大地提高飛機(jī)部件的運(yùn)輸和裝配效率。移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)已經(jīng)獲得了行業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，目前，主要有兩種用途：一是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的航空部件運(yùn)輸；二是配合測(cè)量和柔性工裝實(shí)現(xiàn)部件位姿調(diào)節(jié)。

針對(duì)大部件的運(yùn)輸難題，國外目前已有成功案例。美國AIT公司的重載AGV系統(tǒng)可在單獨(dú)和多級(jí)串聯(lián)模式下工作，受到用戶界面或者操縱桿控制。德國HUBTEX分段和機(jī)身運(yùn)輸系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，協(xié)同工作，如圖 3所示[10–11]。德國KUKA公司OmniMove系列重載AGV先后被應(yīng)用到空中客車公司，實(shí)現(xiàn)了重載下托舉，定位精度1mm的聯(lián)動(dòng)效果。國內(nèi)航空工業(yè)西飛脈動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目投入4臺(tái)重載AGV，用于飛機(jī)的裝配。AGV與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成、移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線集成推廣有望取得較快的發(fā)展[12]。

不同于導(dǎo)軌式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，集成了AGV的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大部件搬運(yùn)、裝配調(diào)姿功能，需要關(guān)注本體全向移動(dòng)、載重、多機(jī)編組、三維調(diào)姿精度等關(guān)鍵性能指標(biāo)以及存在環(huán)境預(yù)設(shè)準(zhǔn)備、高精度定位導(dǎo)航、多機(jī)協(xié)同控制、工裝集成控制等關(guān)鍵技術(shù)。

4 飛機(jī)表面噴涂機(jī)器人

飛機(jī)整機(jī)的涂裝過程危險(xiǎn)性大且有害，對(duì)工人的身體健康存在不良影響。智能機(jī)器人系統(tǒng)代替人類完成噴涂工作可顯著提高噴涂效率，保證噴涂的均勻性，更為工人提供了一個(gè)綠色環(huán)保的作業(yè)環(huán)境，在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線中有著較大的作業(yè)需求。

美國波音公司曾將日本川崎KJ314噴涂機(jī)器人安裝于高架基座和線軌上進(jìn)行波音777客機(jī)的噴涂工作。該噴涂機(jī)器人可進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，大大提高了噴涂效率[13]。洛克希德·馬丁公司大型飛機(jī)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)（Large aircraft robot painting system,LARPS）以及機(jī)器人飛機(jī)精整系統(tǒng)（Robotic aircraft finishing system,RAFS），集成移動(dòng)平臺(tái)和工業(yè)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴涂功能，已用于F–16、F–22等機(jī)身表面作業(yè)，如圖4所示[14–15]。

國內(nèi)航空制造企業(yè)與科研院所也進(jìn)行了大量研究。為了滿足飛機(jī)平尾等大部件的噴涂要求，中國商飛公司自主研制了機(jī)器人噴涂系統(tǒng)原型樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的功能[6]。清華大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)及裝備研究室研制了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超長特種噴涂機(jī)器人和大型多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)，目前已取得工程應(yīng)用15–17]。

面對(duì)大型飛機(jī)的整機(jī)噴涂作業(yè)，噴涂機(jī)器人系統(tǒng)首先需要保證工作空間的靈活可達(dá)。多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)和特種噴涂機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成目前飛機(jī)整機(jī)噴涂機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)形式，是進(jìn)行機(jī)器人噴涂作業(yè)的必要前提。其次，為了保證機(jī)器人噴涂作業(yè)的有效性和完整性，需要攻克機(jī)器人系統(tǒng)的曲面噴涂路徑規(guī)劃、機(jī)器人協(xié)同工藝規(guī)劃、機(jī)器人高精度定位、噴涂表面檢測(cè)與噴涂效果評(píng)估等關(guān)鍵核心技術(shù)。

圖3 應(yīng)用于航空部件搬運(yùn)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)Fig.3 Mobile robot system applied to aviation parts transportation

圖4 國外典型噴涂機(jī)器人系統(tǒng)Fig.4 Foreign painting robot system

關(guān)鍵技術(shù)

隨著移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)逐步深入飛機(jī)裝配現(xiàn)場，機(jī)器人系統(tǒng)定位精度不夠、傳感器數(shù)據(jù)融合不暢、系統(tǒng)與車間輔助工裝交互不足的短板也逐步顯現(xiàn)。未來機(jī)器人系統(tǒng)需要適應(yīng)航空大尺寸構(gòu)件制造裝配過程的精度和柔性要求，協(xié)同數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，互為補(bǔ)充。下列技術(shù)將成為航空制造領(lǐng)域移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

1 移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的多傳感器融合同步定位和建圖

飛機(jī)裝配的廠區(qū)環(huán)境，通常不存在高精度預(yù)制地圖，且存在人員和車輛的流動(dòng)，對(duì)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人而言是動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境，這就要求機(jī)器人系統(tǒng)具備較好的實(shí)時(shí)感知和反饋控制能力。

高精度定位是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人規(guī)劃導(dǎo)航的基礎(chǔ)，同步定位和建圖（Simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度定位提供了重要手段。

移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人在車間或廠區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)定位方式可提供絕對(duì)尺度信息，包括精準(zhǔn)、連續(xù)的室內(nèi)、室外定位技術(shù)。

室內(nèi)定位技術(shù)包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial navigation system，INS）定位、超寬帶（Ultra wide band，UWB）定位、射頻識(shí)別（Radio frequency identification，RFID）、藍(lán)牙信標(biāo)、地磁定位以及超聲波定位等技術(shù)[18]，可分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位兩類，且存在較強(qiáng)的互補(bǔ)性。

室外定位方面，由于GPS信息存在干擾信號(hào)，定位信號(hào)會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩[19]。為了去除干擾提高定位精度，需要對(duì)接收機(jī)收到的 GPS 信號(hào)進(jìn)行濾波。一種有效的解決方案是基于 GPS 接收器與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS的互補(bǔ)性將兩系統(tǒng)組合[20–21]，同時(shí)引入濾波和自適應(yīng)算法，減輕干擾噪聲對(duì)定位的影響。運(yùn)用實(shí)時(shí)差分等輔助技術(shù)，可縮短定位系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性。軍事交通學(xué)院謝德勝等[22]采用載波相位差分技術(shù)RTK–GPS（Real–time kinematic，GPS）,在空曠場地測(cè)試輪式車輛，定位精度為厘米級(jí)。

室內(nèi)外銜接定位主要解決兩種定位環(huán)境中，定位信號(hào)與系統(tǒng)的融合問題。南京郵電大學(xué)陸永杰，采用室外GPS/INS融合定位，室內(nèi)INS/磁力計(jì)航跡推算的組合方案，完成室內(nèi)外銜接定位試驗(yàn)，軌跡誤差在米級(jí)[23]。

SLAM技術(shù)按照信息維度可分為2D SLAM和3D SLAM；按照傳感器種類可分為激光SLAM和視覺SLAM，通過融合傳感器數(shù)據(jù)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)尺度信息，輸出實(shí)時(shí)的位姿數(shù)據(jù)和建圖結(jié)果。

美國海軍研究生院Lum[24]在機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot operation system，ROS）平臺(tái)下，借助Kinect相機(jī)形成了里程計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境下的定位、建圖和導(dǎo)航，見圖 5（a）。谷歌公司的Hess等[25]基于2D激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了2D SLAM建圖，提出了一種子圖掃描與圖形匹配優(yōu)化的算法，該地圖的分辨率可達(dá)到5cm，見圖5（b）[25]。國內(nèi)院校和科研單位也進(jìn)行了大量研究。上海交通大學(xué)張鐘元[26]室外環(huán)境下在單目ORB–SLAM的基礎(chǔ)上，整合了慣性傳感器以及GPS約束，消除了累積誤差，在保證系統(tǒng)精度的同時(shí)，降低了系統(tǒng)成本和對(duì)計(jì)算資源的要求

多傳感器融合同步定位和建圖，是現(xiàn)階段研究少標(biāo)識(shí)或無標(biāo)識(shí)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航，避免單傳感器失效導(dǎo)致任務(wù)失敗等問題的重要手段。相較單純的激光和視覺SLAM，多傳感器融合SLAM涉及傳感器硬件層面的增減互補(bǔ)和傳感器數(shù)據(jù)在軟件層面的挖掘與融合，包括多傳感器數(shù)據(jù)優(yōu)化、機(jī)器人高精度定位、特征提取、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、高精地圖動(dòng)態(tài)表達(dá)等關(guān)鍵技術(shù)，與基于深度學(xué)習(xí)的SLAM技術(shù)共同構(gòu)成移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的新興研究方向，是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)路徑規(guī)劃、導(dǎo)航控制的重要基礎(chǔ)。

2 移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航控制

目前投入運(yùn)行的AGV系統(tǒng)，除手動(dòng)引導(dǎo)外，多采用傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，如電磁引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、慣性引導(dǎo)、視覺引導(dǎo)等，依靠二維碼、反光條、預(yù)埋線纜等環(huán)境信息媒介物。系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，以物流倉儲(chǔ)等按照固定路線運(yùn)行的場景應(yīng)用為主，柔性不足，升級(jí)成本較高，如圖6所示[27]。

基于機(jī)器人傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，后續(xù)研究以完善多機(jī)協(xié)作、增強(qiáng)系統(tǒng)平穩(wěn)性、提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能為主，出現(xiàn)了多傳感器融合的混合導(dǎo)航系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制優(yōu)化方法。

圖5 SLAM地圖構(gòu)建Fig.5 SLAM map construction results

西安理工大學(xué)朱從民等[28]設(shè)計(jì)研發(fā)了一套AGV多傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)，采用濾波進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)融合，利用磁柵尺提供位姿絕對(duì)信息修正，減弱累計(jì)誤差，并在其研制的5t級(jí)AGV上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部署。浙江大學(xué)鐘鉅斌[29]針對(duì)物流倉庫環(huán)境，提出可切換磁導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航的AGV混合導(dǎo)航框架，為滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃與干道穩(wěn)定導(dǎo)航的雙重需求提供了新的思路，研究只對(duì)單一功能進(jìn)行了推理仿真，在多AGV連續(xù)定位調(diào)度方面仍需試驗(yàn)驗(yàn)證。

上海理工大學(xué)周霞等[30]提出多傳感器信息融合的伺服控制方法，探索視覺傳感器、激光雷達(dá)、編碼器等多傳感器在像素層、特征層、決策層的深度融合，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人的快速跟隨與協(xié)作功能。南京航空航天大學(xué)武星等[31]對(duì)受到非完整約束和動(dòng)力學(xué)影響的AGV，提出了包含路徑跟蹤和伺服控制的混合運(yùn)動(dòng)控制模型，顯著提升了機(jī)器人位姿糾偏和運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)化進(jìn)程。原中航工業(yè)北京航空制造工程研究所蔣倩等[32]針對(duì)機(jī)翼翼盒的數(shù)字化裝配問題，研發(fā)了一套基于室內(nèi)GPS（Indoor GPS，iGPS）導(dǎo)航的AGV自主導(dǎo)航系統(tǒng)，在仿真環(huán)境和實(shí)際裝配過程中，完成AGV無干涉自主導(dǎo)航功能技術(shù)驗(yàn)證。

SLAM技術(shù)的發(fā)展為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)擺脫環(huán)境信息媒介，實(shí)現(xiàn)自由路徑導(dǎo)航起到了關(guān)鍵作用。移動(dòng)機(jī)器人SLAM依靠自身傳感器主動(dòng)感知周圍環(huán)境，形成位姿數(shù)據(jù)，完成精準(zhǔn)定位和地圖構(gòu)建?；赟LAM的先進(jìn)導(dǎo)航方法依靠地圖和更新進(jìn)行路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障，目前處于進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用場景探索階段，包括SLAM高精地圖表達(dá)、全局/局部運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法、多機(jī)協(xié)同算法等關(guān)鍵技術(shù)。

3 基于移動(dòng)機(jī)器人的工業(yè)機(jī)械臂精度控制

工業(yè)機(jī)器人參與航空產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、柔性化升級(jí)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉痪窒抻诙c(diǎn)搬運(yùn)等簡單工作，直接參與生產(chǎn)過程是必然的趨勢(shì)，由此需要解決機(jī)器人系統(tǒng)精度不能完全滿足生產(chǎn)精度要求的問題。如何進(jìn)一步提高工業(yè)機(jī)械臂絕對(duì)定位精度，進(jìn)而嘗試匹配移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人耦合系統(tǒng)精度與生產(chǎn)實(shí)際要求，將成為未來新型制造環(huán)境下移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

圖6 德國G?tting KG 導(dǎo)航解決方案Fig.6 Navigation solutions from G?tting KG,Germany

按照原理和思路上的差異，目前改善機(jī)械臂的控制精度和運(yùn)動(dòng)精度方法可分三類：基于模型的標(biāo)定方法、非模型標(biāo)定方法和基于高精度觀測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)定位[33]，補(bǔ)償效果對(duì)比如表1所示[34]。

基于模型的標(biāo)定方法依靠機(jī)器人原有或者重構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分層進(jìn)行誤差參數(shù)識(shí)別和校準(zhǔn)，方法較為成熟，國外已形成美國DynaCal補(bǔ)償系統(tǒng)、瑞士Caliware、日本Motocal等一系列商用標(biāo)定軟件。國內(nèi)南京航空航天大學(xué)何曉煦等[35]基于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)幾何誤差進(jìn)行辨識(shí)標(biāo)定，再利用基于誤差相似度的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，將KUKA KR–30最大絕對(duì)定位誤差降低了80.16%。

非模型標(biāo)定方法不關(guān)注運(yùn)動(dòng)學(xué)模型細(xì)節(jié)，只通過曲線擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、空間插值等類統(tǒng)計(jì)方法對(duì)目標(biāo)位姿進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋難度大，仍處于研究階段。

高精度觀測(cè)設(shè)備融合介入模型標(biāo)定過程，是現(xiàn)階段可行應(yīng)用的主要形式。天津大學(xué)史曉佳等[36]建立了工業(yè)機(jī)器人誤差測(cè)量與在線補(bǔ)償閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合激光跟蹤儀在線測(cè)量反饋，將KUKA KR5機(jī)器人絕對(duì)定位精度降低約86.15%。上海交通大學(xué)邱周靜子[37]以單目Eye–In–Hand和Eye–To–Hand 機(jī)械臂視覺系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)約束環(huán)境下的基于預(yù)測(cè)控制的視覺伺服系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，提升了約束視覺伺服系統(tǒng)的控制性能。

以上研究多基于現(xiàn)有機(jī)械臂系統(tǒng)做精度優(yōu)化，精度控制研究也應(yīng)基于系統(tǒng)層面積極拓展，針對(duì)飛機(jī)裝配場景重點(diǎn)開展跨尺度、多模態(tài)、數(shù)字化裝配理論模型與公差分配方法、高性能的負(fù)載與自重比的新材料機(jī)械臂本體設(shè)計(jì)、末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)、航空制造環(huán)境的感知機(jī)理與協(xié)調(diào)操作策略等核心技術(shù)與基礎(chǔ)理論、方法研究，為建立飛機(jī)的數(shù)字化柔性裝配的制造服務(wù)軟件平臺(tái)、研制新一代高精度航空制造工業(yè)機(jī)器人提供重要的技術(shù)支撐。

4 機(jī)器人數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是飛機(jī)制造過程數(shù)字化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為制造過程評(píng)價(jià)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配位姿調(diào)整等進(jìn)程提供了有力保障。三坐標(biāo)機(jī)、激光雷達(dá)、激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS系統(tǒng)等測(cè)量方案提供一定范圍內(nèi)的非接觸高精度三維測(cè)量，應(yīng)用廣泛，如圖7所示[38]。

激光跟蹤儀作為一種典型的數(shù)字化測(cè)量手段，除裝配過程借助靶鏡位姿監(jiān)測(cè)外，借助手持探針、掃描儀等，可實(shí)現(xiàn)組件校準(zhǔn)、涂層檢測(cè)、掃描逆向等功能，已在航空制造領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。Premium公司為空客A350提供大型結(jié)構(gòu)件，整合了激光跟蹤儀和機(jī)械臂系統(tǒng)，組成了基于激光跟蹤儀的大型飛機(jī)機(jī)器人智能裝配系統(tǒng)并成功應(yīng)用[39]。國內(nèi)中航工業(yè)、中國商飛、中國航發(fā)等企業(yè)均有相關(guān)的使用案例，如圖8所示[40]。

iGPS系統(tǒng)作為GPS概念在室內(nèi)環(huán)境的延伸，采用紅外激光和三角定位原理達(dá)到大范圍毫米級(jí)測(cè)量精度，是作用范圍內(nèi)多目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟蹤和裝配對(duì)齊的理想工具，相對(duì)激光跟蹤儀有作用空間大、系統(tǒng)靈活的優(yōu)勢(shì)，但是其測(cè)量精度容易受到發(fā)射和接收器數(shù)量、布局的影響。

針對(duì)激光跟蹤儀，iGPS單個(gè)系統(tǒng)具有柔性差、升級(jí)成本高的問題，近年來也出現(xiàn)了采用增加視覺傳感器等低成本混合測(cè)量定位方案和與AGV混合的可移動(dòng)測(cè)量方案。

浙江大學(xué)劉華[41]針對(duì)飛機(jī)裝配站位間轉(zhuǎn)運(yùn)接駁工序，提出了融合視覺圖像信息和激光測(cè)距信息的飛機(jī)結(jié)構(gòu)位姿評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了車載骨架工裝底座與站位底座間的對(duì)準(zhǔn)，降低了AGV系統(tǒng)絕對(duì)定位精度要求。范斌等[42]基于某機(jī)型大部件數(shù)字化裝配場景，進(jìn)行了iGPS測(cè)量系統(tǒng)和激光跟蹤儀測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)，證明現(xiàn)行iGPS系統(tǒng)規(guī)避了跟蹤儀轉(zhuǎn)站步驟，但仍只適用于對(duì)測(cè)量精度相對(duì)要求較低、測(cè)量范圍較大、測(cè)量效率有要求的測(cè)量任務(wù)，需要相對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)iGPS系統(tǒng)建場規(guī)劃以控制精度。航空工業(yè)304所趙子越等[43]采用一種基于激光跟蹤儀與iGPS的協(xié)同測(cè)量方法，引入約束方程統(tǒng)一基準(zhǔn)，整合了激光跟蹤儀關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)量和iGPS實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，試驗(yàn)條件下得到了±0.06mm的組網(wǎng)精度。

機(jī)器人數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)生成和傳遞的關(guān)鍵，正逐步以項(xiàng)目的形式深入制造過程。針對(duì)航空制造領(lǐng)域內(nèi)轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的旺盛需求，基于現(xiàn)有研究，重點(diǎn)開展機(jī)器人數(shù)字化測(cè)量技術(shù)新原理、高精度的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備與高效實(shí)時(shí)的柔性工裝協(xié)調(diào)控制、區(qū)域測(cè)量環(huán)境多目標(biāo)跟蹤等基礎(chǔ)理論和方法研究，是為航空制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐的重要前提。

表1 機(jī)器人作業(yè)精度補(bǔ)償方法對(duì)比Table 1 Comparison of error compensation methods for robot operation

圖7 HECAGON激光測(cè)量解決方案Fig.7 Laser tracker systems from HECAGON,Sweden

圖8 飛機(jī)裝配場景下iGPS系統(tǒng)應(yīng)用Fig.8 Application of iGPS system in aircraft assembly process

未來發(fā)展趨勢(shì)

1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線中的人機(jī)協(xié)作

在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線等航空制造過程理想的自動(dòng)化之前，人與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)共享工作空間、分工協(xié)同工作，是進(jìn)一步推動(dòng)智能機(jī)器人系統(tǒng)深入飛機(jī)裝配制造的生產(chǎn)現(xiàn)場，接替非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的形式多變、復(fù)雜裝配任務(wù)的有效方案。

空客公司提出“未來工廠”計(jì)劃，如圖9所示[44]，從大飛機(jī)車間布置、構(gòu)件制造、廠區(qū)協(xié)同、產(chǎn)品狀態(tài)跟蹤等方面展開敘述，在構(gòu)件制造和裝配工序中涉及多項(xiàng)人機(jī)協(xié)作技術(shù)，現(xiàn)實(shí)聯(lián)合英國BAE、德國Siemens等公司合作，目前仍處于研發(fā)測(cè)試階段。

德國弗勞恩霍夫研究所采用丹麥UR10機(jī)器人，建立飛機(jī)機(jī)身自沖鉚接的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，如圖10所示[45]，有效緩解了傳統(tǒng)鉚接工序中人工繁重壓力，提高了操作效率。

現(xiàn)行人機(jī)協(xié)作功能實(shí)現(xiàn)涉及安全級(jí)監(jiān)控停止、手動(dòng)引導(dǎo)、速度和距離監(jiān)控、功率和力限制等關(guān)鍵核心技術(shù)[46–47]。未來協(xié)作安全性不依賴于人機(jī)物理空間的隔離，依靠多傳感器數(shù)據(jù)融合控制和系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)將成為趨勢(shì)，同時(shí)帶來機(jī)器人軟件和交互服務(wù)功能附加值占比的提升。

協(xié)作機(jī)器人和AGV導(dǎo)航等技術(shù)的迅速發(fā)展，為集成AGV與協(xié)作機(jī)器人，形成能深入飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)一步減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升站位裝配作業(yè)能力創(chuàng)造了可能。其中協(xié)作安全保證、機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)和感知、機(jī)器人自主操作與技能學(xué)習(xí)理論、AGV與協(xié)作機(jī)器人協(xié)同控制方法等將是未來人機(jī)協(xié)作的研究重點(diǎn)。

2 移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的多傳感器融合

移動(dòng)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航、工業(yè)機(jī)械臂精度控制等方向，都需要攻克多傳感器融合技術(shù)，相關(guān)研究方興未艾。未來移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳感器數(shù)量的增加和算法的跟進(jìn)，給工程問題的解決提供了多方位的視角，也帶來了多源的誤差累計(jì)和不同程度的數(shù)據(jù)冗余。如何在多傳感器的基礎(chǔ)上，合理利用冗余數(shù)據(jù)，增強(qiáng)融合互補(bǔ)，消除數(shù)據(jù)不確定性，探索多傳感器數(shù)據(jù)深度融合方法與結(jié)構(gòu)，將會(huì)成為推動(dòng)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線落地應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。

圖9 空客協(xié)作機(jī)器人項(xiàng)目與應(yīng)用Fig.9 Airbus’ collaborative robot projects and applications

圖10 人機(jī)協(xié)作與傳統(tǒng)工藝對(duì)比Fig.10 Comparison of man-robot collaboration with traditional crafts

移動(dòng)機(jī)器人多傳感器融合方法，目前可分為概率統(tǒng)計(jì)方法和人工智能方法[48]。概率統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用最為廣泛，例如卡爾曼濾波、加權(quán)方差等，針對(duì)其自然邏輯缺陷問題，也發(fā)展加入了最大似然和信任函數(shù)等理論，并不斷拓展其算法和模型。人工智能方法包含的邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合發(fā)展也被廣泛研究。

移動(dòng)機(jī)器人多傳感器融合方法，本質(zhì)上為數(shù)據(jù)融合的抽象模型，是實(shí)現(xiàn)多傳感器融合的基礎(chǔ)。進(jìn)一步拓展細(xì)化融合功能，提高準(zhǔn)確度同樣依靠抽象化的功能模型，如圖11所示[49]，包含數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)、決策級(jí)和集中式、分布式、混合式的結(jié)構(gòu)模型[50]。但是多傳感器融合的結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型，目前應(yīng)用局限于面向過程的單一功能和環(huán)境，還沒有標(biāo)準(zhǔn)形式模型和方法出現(xiàn)，仍需要進(jìn)一步研究。

為此，根據(jù)具體工況合理選擇傳感器類型和數(shù)量，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器、多層級(jí)的融合標(biāo)準(zhǔn)功能模型和結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化融合數(shù)據(jù)級(jí)分析算法，完善移動(dòng)機(jī)器人的特征級(jí)信息提取技術(shù)、提出決策級(jí)判定原理方案，是未來移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人多傳感器融合發(fā)展的重點(diǎn)方向。

3 移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的智能規(guī)劃與決策

智能制造依靠具備感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)功能[51]的智能機(jī)器裝備。飛機(jī)裝配所需的智能裝備體系包括工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、高精測(cè)量工具、集成生產(chǎn)線等技術(shù)裝備。每種裝備自身可靠的規(guī)劃和執(zhí)行能力和集成體系實(shí)時(shí)的決策和調(diào)度能力，將成為飛機(jī)制造和裝配中的智能裝備系統(tǒng)推廣應(yīng)用的主要特征，如圖12所示[52]。

智能規(guī)劃是復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需求。大飛機(jī)的機(jī)身裝配工序中，爬壁焊接機(jī)器人、AGV、柔性工裝等系統(tǒng)需要配合自身或者環(huán)境內(nèi)高精度測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同工作。AGV系統(tǒng)無碰撞的搬運(yùn)機(jī)身分段，調(diào)整其位姿，需要實(shí)時(shí)、高精的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制；爬壁機(jī)器人需要根據(jù)焊縫狀態(tài)適時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)和路徑；數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)獲取飛機(jī)機(jī)身、設(shè)備位姿數(shù)據(jù)，為車間平臺(tái)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

智能決策是數(shù)據(jù)融合的最高層次，是飛機(jī)裝配等智能制造過程的功能需求。飛機(jī)裝配車間平臺(tái)智能決策，依靠信息空間數(shù)據(jù)的高度融合，是多傳感器融合技術(shù)以數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)，在信息空間逐步抽象的較高級(jí)表現(xiàn)，是產(chǎn)業(yè)落實(shí)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)的同時(shí)，邁向智能化方向的有益探索。結(jié)合深度學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等智能方法，以工藝過程優(yōu)化為基礎(chǔ)，逐步依靠數(shù)據(jù)提高移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)規(guī)劃和決策能力是目前重要研究方向。

4 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體系

對(duì)于具體的產(chǎn)品或系統(tǒng)，在其全生命周期內(nèi)總有數(shù)字副本與物理產(chǎn)品對(duì)應(yīng)存在，二者共同構(gòu)成“數(shù)字孿生”。信息產(chǎn)業(yè)深度融入制造業(yè)，促進(jìn)了數(shù)字化測(cè)量、高精度定位等技術(shù)在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線等航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用落地，同時(shí)帶來了豐富可靠的數(shù)據(jù)流，這為建設(shè)飛機(jī)裝配的“數(shù)字孿生車間（Digital twin workshop,DTW）[53]”，建立制造物理空間和信息空間的融合和交互關(guān)系提供了數(shù)據(jù)支撐，如圖13所示[54]。

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的數(shù)字孿生車間立足于制造空間，包含機(jī)器人等核心設(shè)備、產(chǎn)品、乃至廠房的實(shí)體和數(shù)字模型，著力于在信息空間融合物理空間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流并提供可視化，通過數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)，對(duì)物理空間全鏈條或單個(gè)產(chǎn)品狀態(tài)形成動(dòng)態(tài)調(diào)整和行為預(yù)判，為飛機(jī)裝配生產(chǎn)線車間建設(shè)規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度和產(chǎn)品故障排查等提供決策支持。

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在飛機(jī)裝配作業(yè)過程中采集人員、設(shè)備、物料等生產(chǎn)要素實(shí)際狀態(tài)，處理形成部分孿生數(shù)據(jù)，輔助信息空間車間生產(chǎn)要素管理和生產(chǎn)過程控制，參與平臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘與分析，增強(qiáng)物理空間與信息空間的交互聯(lián)系，具備集群實(shí)時(shí)可控的優(yōu)勢(shì)，是未來孿生車間數(shù)據(jù)采集和裝配作業(yè)的重要執(zhí)行者。

裝配生產(chǎn)線移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)基于孿生的車間生產(chǎn)計(jì)劃，合理配置機(jī)器人的作業(yè)頻次，合理規(guī)劃維修與升級(jí)事項(xiàng)，對(duì)保證飛機(jī)裝配節(jié)拍穩(wěn)定、自動(dòng)化車間長期有效運(yùn)行具有重要意義。

發(fā)展基于產(chǎn)品級(jí)“基于模型定義技術(shù)”（Model based definition,MBD），細(xì)化車間級(jí)制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing execution system，MES）粒度，是走近“數(shù)字孿生”的期待方向，但涉及大規(guī)模計(jì)算決策、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、大批量傳感設(shè)備融合等使能技術(shù)，多學(xué)科交叉，且依靠大規(guī)模數(shù)字化高端人才，“數(shù)字孿生”仍需要持續(xù)關(guān)注和深入研究。

圖11 多傳感器信息融合功能模型Fig.11 Multi-sensor information fusion model

圖12 自動(dòng)化機(jī)身總裝（空客“未來工廠”計(jì)劃）Fig.12 Automated fuselage assembly (Airbus “The factory of the future” plan)

圖13 西門子“數(shù)字孿生”構(gòu)想Fig.13 Siemens “Digital twin” concept

結(jié)論

由于大型飛機(jī)構(gòu)件制造裝配具有尺寸大、載荷大、精度高等特點(diǎn)，移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人相較固定點(diǎn)位機(jī)器人和導(dǎo)軌式移動(dòng)機(jī)器人有著靈活的巨大優(yōu)勢(shì)，但也受到自身系統(tǒng)剛度、定位精度、感知能力、體系融合不足等方面的限制。在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)完全滿足加工和裝配精度要求之前，人機(jī)協(xié)作是目前較為經(jīng)濟(jì)、易于推廣的機(jī)器人技術(shù)方案。多傳感器融合方法、精度補(bǔ)償標(biāo)定方法，高精度觀測(cè)設(shè)備推陳出新，為移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的精度提升提供了新思路，正受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。

隨著飛機(jī)脈動(dòng)式生產(chǎn)線等智能制造項(xiàng)目的全面鋪開，以智能規(guī)劃決策、數(shù)字孿生技術(shù)為特性的未來工廠初見端倪。移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將為航空制造領(lǐng)域跨越式發(fā)展提供新動(dòng)能，為機(jī)器人領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用價(jià)值。