黨仁俊，李志虎，錢泓宇，陳 睿，徐 靜

（清華大學(xué)，北京 100084）

隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景越來越廣泛，性能也日益提升。檢測(cè)技術(shù)用于飛機(jī)制造和裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)，是飛機(jī)安全性的重要保證。

現(xiàn)代航空工業(yè)起步時(shí)，由于檢測(cè)設(shè)備的匱乏，工人只能通過目視或者觸摸的方式確定飛機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量；隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，人工手持測(cè)量?jī)x器的檢測(cè)方法逐漸占據(jù)主導(dǎo)。但是，人工手持的方法無法確定測(cè)量?jī)x器的自身定位，難以滿足大型場(chǎng)景的測(cè)量需求。因此，隨著機(jī)器人技術(shù)的日漸成熟，基于機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)開始在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人系統(tǒng)可以突破傳統(tǒng)測(cè)量方法單點(diǎn)測(cè)量、柔性差的局限，為數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)提供足夠的靈活性，便于構(gòu)建大尺寸的測(cè)量場(chǎng)。相比于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)技術(shù)，自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)還可以避免人為錯(cuò)誤的影響，大幅度提高檢測(cè)的精度和效率[1]。

自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)滲透到飛機(jī)制造和檢修的各個(gè)環(huán)節(jié)。首先，在零部件加工過程中，激光測(cè)距、雙目視覺等檢測(cè)設(shè)備配合機(jī)器人系統(tǒng)能夠完成對(duì)于制孔、銑削和打磨過程的位置和法向校準(zhǔn)[2–4]；其次，在零部件成品的質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)中，與機(jī)器人結(jié)合的超聲波、X 射線等檢測(cè)設(shè)備能夠完成對(duì)于材料的無損檢測(cè)，搭載三維掃描儀的機(jī)器人系統(tǒng)常用于零部件外形的整體質(zhì)量檢測(cè)；最后，在飛機(jī)檢修過程中，搭載非接觸式測(cè)量設(shè)備的爬壁機(jī)器人、無人機(jī)等可以完成對(duì)于整機(jī)的缺陷檢測(cè)。

針對(duì)以上飛機(jī)制造及檢修過程中的檢測(cè)問題，本文總結(jié)了近10 年自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)零件加工過程、成品質(zhì)量檢測(cè)及飛機(jī)整機(jī)維護(hù)檢修等各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用情況，為自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)在航空制造工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 飛機(jī)零件加工過程

1.1 表面制孔加工過程檢測(cè)

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能的增強(qiáng)，以及航空制造對(duì)穩(wěn)定性和精度的要求不斷提高，高精度檢測(cè)技術(shù)在構(gòu)件制造過程中的重要性日漸凸顯。飛機(jī)蒙皮表面制孔任務(wù)是航空工業(yè)制造的重要一環(huán)，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)手工制孔向全自動(dòng)化、數(shù)字化升級(jí)迭代。飛機(jī)具有表面積大、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，若制孔方向出現(xiàn)偏差，不僅孔的軸線會(huì)出現(xiàn)偏差，疊層材料的孔位也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位 （圖1[2]），嚴(yán)重影響飛機(jī)壽命。Gao 等[3]測(cè)量了制孔軸線與材料曲面法線偏斜一定角度時(shí)鈦合金鉚釘?shù)钠趬勖?，發(fā)現(xiàn)制孔方向和加工曲面的垂直度對(duì)鉚釘使用壽命具有決定性影響。因此，在制孔加工中曲面法矢的檢測(cè)尤為重要。相較于人工方法，機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)能夠降低加工設(shè)備的位姿誤差，提高制孔的垂直度。

圖1 制孔法矢偏差示意圖[2]Fig.1 Drilling method vector deviation diagram[2]

在飛機(jī)表面機(jī)器人自動(dòng)化制孔過程中，末端執(zhí)行器靠近目標(biāo)位置時(shí)往往會(huì)和理想位置產(chǎn)生一定的法向矢量偏差 （圖2[4]），需要測(cè)量目標(biāo)表面的法矢以進(jìn)行位姿調(diào)整。常見的手段是依靠激光位移傳感器測(cè)量表面法矢與刀具軸向的偏差來調(diào)整方向。畢運(yùn)波等[5]提出了一種基于4個(gè)激光位移傳感器的法向偏差修正技術(shù)，能夠通過標(biāo)定獲得系統(tǒng)的零點(diǎn)位置和激光方向，并測(cè)量加工表面實(shí)際法矢方向進(jìn)而調(diào)整姿態(tài)，該團(tuán)隊(duì)和航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè) （集團(tuán)）有限公司在2014 年研制了一套集激光測(cè)量、離線編程、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)于一體的航空制孔機(jī)器人。同年，Chen等[6]采用基于激光測(cè)距傳感器的法向測(cè)量算法對(duì)制孔點(diǎn)的法向進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)其法向矢量與轉(zhuǎn)軸矢量之間的夾角調(diào)整兩個(gè)偏心盤的轉(zhuǎn)角，能夠滿足飛機(jī)裝配的要求。Yu 等[7]在2017 年利用4 個(gè)激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)了快速有效的曲面法向矢量和高度的非接觸測(cè)量，并開發(fā)了一個(gè)專用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行法向調(diào)整，還使用了兩個(gè)激光干涉儀識(shí)別兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心距離，調(diào)整后角度偏差能夠小于0.5°，表面高度誤差精度為±0.04 mm。Gao 等[8]在2017 年提出了一種使用4 個(gè)激光傳感器測(cè)量法線方向的方法并將其應(yīng)用在制孔工作中，并且設(shè)計(jì)了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)來優(yōu)化其安裝精度。張贏等[9]在2021 年提出了基于多激光傳感器的自適應(yīng)自由曲面法線檢測(cè)技術(shù)，能夠達(dá)到較高的法向精度。表1 將以上基于多激光位移傳感器的法向矢量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比分析。

表1 激光位移傳感器檢測(cè)方法總結(jié)Table 1 Summary of detection methods for laser displacement sensors

圖2 傳感器在光束和刀具軸之間產(chǎn)生不同類型誤差[4]Fig.2 Sensor generates different types of errors between beam and tool axis[4]

國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)和高校團(tuán)隊(duì)針對(duì)機(jī)器人制孔工作進(jìn)行了獨(dú)立的研究，以提高飛機(jī)表面蒙皮的加工質(zhì)量。韓鋒等[13]在2015 年針對(duì)法向調(diào)姿這一飛機(jī)部件自動(dòng)化鉆鉚的基礎(chǔ)技術(shù)，采用改進(jìn)的Grubler–Kutzbach 算法進(jìn)行自由度分析并設(shè)計(jì)出利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)法向調(diào)姿的輕型自主爬行系統(tǒng)，能夠在滿足虛擬刀尖點(diǎn)不變的條件下，讓末端執(zhí)行器進(jìn)行期望的位姿調(diào)整，得到所需位置調(diào)整量的逆解算法，并在MATLAB 中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。張晉等[14]在2017 年基于Beckhoff控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套以機(jī)器人為載體的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，其硬件組態(tài)如圖3所示，并在此前研發(fā)出了一款模塊化多功能航空制孔機(jī)器人[15]，使用2D 激光輪廓儀實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)孔的輪廓檢測(cè)，采用空間相似性原理對(duì)機(jī)器人的絕對(duì)位置誤差進(jìn)行補(bǔ)償，孔位置誤差±0.5 mm、法向測(cè)量誤差±0.3°。魏顯奎[16]在2021 年研制出多功能末端執(zhí)行器，集成了視覺定位與補(bǔ)償、孔位法向檢測(cè)、壓緊力檢測(cè)與控制、機(jī)器人自動(dòng)制孔等關(guān)鍵技術(shù)，形成了機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)。Frommknecht等[17]研制出一種集成了多種測(cè)量傳感器的航空制孔機(jī)器人，其平均位置精度達(dá)到了0.285 mm，垂直精度偏差在0.27°以內(nèi)。Zhang 等[18]提出了一種用于自動(dòng)化裝配機(jī)器人的多功能末端執(zhí)行器，用于飛機(jī)裝配的CFRP部件和鋁部件的鉆孔及鉚接過程，該執(zhí)行器能夠在±0.5 mm 的各向同性精度水平內(nèi)定位每個(gè)孔，垂直精度在0.3°以內(nèi)。Tao 等[19]通過同步提取變換 （Synchro extracting transform，SET）方法獲得了被測(cè)物體振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻信息，提出了一種基于同步提取的機(jī)器人鉆孔作業(yè)振動(dòng)檢測(cè)方法。Guo 等[20]提出了一種全方向移動(dòng)機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)，該機(jī)器人配有激光測(cè)距和位移測(cè)量傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)的鉆孔。Zhang 等[4]提出了基于自適應(yīng)對(duì)準(zhǔn)方法的法線方向檢測(cè)技術(shù)，建立了姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，并研究了檢測(cè)裝置的校準(zhǔn)方法和機(jī)理，如圖4 所示。

圖3 常見集成系統(tǒng)硬件組態(tài)[14]Fig.3 Common integrated system hardware configurations[14]

圖4 自適應(yīng)校準(zhǔn)方法試驗(yàn)[4]Fig.4 Adaptive calibration method test[4]

1.2 大型、異形及復(fù)雜構(gòu)件加工過程檢測(cè)

除了飛機(jī)制孔任務(wù)，在飛機(jī)生產(chǎn)中還存在大型構(gòu)件、異形構(gòu)件及復(fù)雜構(gòu)件制造難題，機(jī)器人在生產(chǎn)此類構(gòu)件的過程中能夠做到實(shí)時(shí)檢測(cè)工件狀態(tài)并閉環(huán)調(diào)整生產(chǎn)刀具位姿。Kurc 等[21]通過比較測(cè)量結(jié)果并將偏差發(fā)送給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策系統(tǒng)來調(diào)整機(jī)器人的加工力度，將此方案在航空組件上進(jìn)行了驗(yàn)證，并且已經(jīng)應(yīng)用于擴(kuò)散器和ADT 齒輪箱的過程參數(shù)優(yōu)化。Tsuzki[22]建立了一種自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，能夠利用機(jī)器人獲取焊接位置的相機(jī)圖像，利用基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)時(shí)分析焊接過程圖像的合理性。謝福貴等[23]在2020 年針對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件尺寸大、形狀復(fù)雜、剛性弱等特點(diǎn)提出了一種基于移動(dòng)式和吸附式機(jī)器人的多機(jī)協(xié)同原位加工新模式，利用集成了檢測(cè)設(shè)備的多機(jī)器人系統(tǒng)自主定位、精確加工和原位檢測(cè)的方式來實(shí)現(xiàn)多方位的銑削、孔加工和打磨等作業(yè)。Li 等[24]在2021 年提出了一種加工異形薄壁工件的機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)，在測(cè)量時(shí)，利用基于種子點(diǎn)的點(diǎn)云特征提取方法解決點(diǎn)云特征提取過程中的耗時(shí)問題；在加工時(shí)，機(jī)器人采用阻抗控制，根據(jù)安裝在工具上的4個(gè)傳感器的反饋進(jìn)行補(bǔ)償。馬建偉等[25]在2022 年針對(duì)特征關(guān)聯(lián)異形構(gòu)件難以保證待加工關(guān)聯(lián)特征間精度的問題，提出了一種集激光刻蝕加工和加工質(zhì)量原位檢測(cè)為一體的機(jī)器人一體化加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了機(jī)器視覺進(jìn)行起始點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)刀，然后進(jìn)行后續(xù)的激光刻蝕和加工檢測(cè)。將以上典型檢測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)，如表2 所示。本節(jié)所描述的應(yīng)用場(chǎng)景與加工方式較制孔過程更為多元化，因此僅使用激光位移傳感器獲取單點(diǎn)距離數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足要求，使用三維光學(xué)測(cè)量手段或多種傳感器獲取更多信息的方式成為主流。

表2 復(fù)雜構(gòu)件加工過程檢測(cè)方法總結(jié)Table 2 Summary of the inspection methods for complex component processing

總的來說，現(xiàn)有機(jī)器人在飛機(jī)加工中的制孔檢測(cè)場(chǎng)景往往通過測(cè)量末端執(zhí)行器在空間中的相對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)姿，其中3 個(gè)或者4 個(gè)激光傳感器測(cè)量法線的方式對(duì)傳感器安裝位置具有較高的要求，但是不受物體表面紋理信息的影響。而通過結(jié)構(gòu)光投影的方式能夠增加物體表面紋理信息，進(jìn)而直接生成物體點(diǎn)云以進(jìn)行調(diào)姿，在一定條件下精度更高，但是需要更多的計(jì)算量。基于單目或者雙目的工業(yè)機(jī)器人在檢測(cè)場(chǎng)景中的應(yīng)用也逐漸成熟，未來隨著視覺傳感器硬件分辨率和魯棒性的提高，通過視覺方式進(jìn)行調(diào)姿或許是一個(gè)更為理想的方案。大型、異形、復(fù)雜構(gòu)件的檢測(cè)任務(wù)與制孔場(chǎng)景類似，根據(jù)不同的加工場(chǎng)景要求進(jìn)行自主測(cè)量，近年來很多團(tuán)隊(duì)將機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理方法應(yīng)用在機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)了更加智能的檢測(cè)，也是未來的研究熱點(diǎn)問題。

2 成品質(zhì)量檢測(cè)

成品質(zhì)量檢測(cè)泛指對(duì)航空制造流程中成品構(gòu)件的各類檢測(cè)過程。下文將重點(diǎn)關(guān)注基于機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)在內(nèi)部材質(zhì)無損檢測(cè)和外形結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用，前者主要使用各類無損檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷，后者則主要使用各類光學(xué)檢測(cè)手段檢測(cè)零部件表面各類指標(biāo)。

2.1 內(nèi)部材質(zhì)的無損檢測(cè)

現(xiàn)有航空零件的制造材料主要分為金屬和各類新興復(fù)合材料。金屬的制造工藝已十分成熟，一個(gè)較為典型的例子：萬芳[26]在國(guó)家科技重大專項(xiàng)支持下開發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自動(dòng)化無損檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用機(jī)器人結(jié)合檢測(cè)設(shè)備，重點(diǎn)研究了葉片表面檢測(cè)機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，可以對(duì)葉片缺陷和厚度進(jìn)行無損評(píng)估。

復(fù)合材料包括CFRP、玻璃纖維增強(qiáng)塑料 （Glass fibre reinforced plastics，GFRP）和環(huán)氧樹脂材料等[27]。相對(duì)于金屬材料具有重量輕、工程設(shè)計(jì)靈活，以及可在所需尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新型機(jī)身的主要材料。但在制造過程中，復(fù)合材料可能會(huì)出現(xiàn)皺紋和孔隙，削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致材料失效，因此對(duì)復(fù)合材料制成的飛機(jī)零件的檢測(cè)是十分重要的。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法通常需要人工操作無損檢測(cè)設(shè)備來對(duì)零部件進(jìn)行檢測(cè)，使得數(shù)據(jù)記錄和損傷評(píng)估變得極其困難[28]。并且由于檢測(cè)過程通常不能中斷，因此需要操作人員24 小時(shí)待命，對(duì)檢測(cè)效果和工作效率都構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。然而，基于機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)方法可以有效克服這些挑戰(zhàn)。這類方法往往包括完整的檢測(cè)路徑模擬、數(shù)據(jù)采集優(yōu)化以及評(píng)估過程，從而極大地提高了無損檢測(cè)的效果和工作效率[28–29]。早期的相關(guān)研究主要關(guān)注如何使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程自動(dòng)化。在這一階段，檢測(cè)系統(tǒng)通常以集成的相控超聲檢測(cè) （Phased array ultrasonic testing，PAUT）設(shè)備為主。英國(guó)TWI 公司主持的IntACOM 項(xiàng)目[30–31]致力于開發(fā)一種基于機(jī)器人的快速、自動(dòng)化的復(fù)雜形狀復(fù)合材料檢測(cè)系統(tǒng)，目標(biāo)是將檢測(cè)效率提升至原來的4 倍，這一系統(tǒng)由兩個(gè)庫(kù)卡 KR16 六軸機(jī)器人組成，配合噴水式PAUT 作為檢測(cè)模塊。Mineo 等[32]使用MATLAB 開發(fā)了針對(duì)六軸機(jī)器人的規(guī)劃控制程序，可以導(dǎo)入零部件的CAD 文件規(guī)劃表面檢測(cè)路徑，并在檢測(cè)點(diǎn)同步觸發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完整的規(guī)劃與檢測(cè)功能，如圖5 所示。這一程序同時(shí)提供了面向一線生產(chǎn)人員的友好用戶界面，以減輕操作負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)在工廠內(nèi)的落地使用。然而這一階段的工作主要關(guān)注路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，沒有考慮到超聲檢測(cè)復(fù)合材料時(shí)的特點(diǎn)，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不佳。Mineo等[33–34]在之后的研究中進(jìn)一步使用超聲波回波信號(hào)來調(diào)整機(jī)器人路徑以實(shí)現(xiàn)反射表面回波的最小變化，并更新了機(jī)器人和測(cè)量系統(tǒng)，達(dá)到了更好的監(jiān)測(cè)效果。

圖5 六軸機(jī)器人規(guī)劃控制程序[32]Fig.5 Six-axis robot planning control program[32]

Macleod 等[35]介紹了旨在加強(qiáng)飛機(jī)部件設(shè)計(jì)和制造效能的STeM計(jì)劃及其具體成果，這一計(jì)劃使用超聲自動(dòng)相控陣技術(shù)配合庫(kù)卡機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)合材料部件的內(nèi)部缺陷檢測(cè)，并詳細(xì)計(jì)算了其在工廠內(nèi)的效能。歐盟的VIEWS 計(jì)劃[36]也實(shí)現(xiàn)了類似的功能，不過，該計(jì)劃將檢測(cè)系統(tǒng)更換為輪式探頭執(zhí)行檢測(cè)，提高了檢測(cè)速率，并新增了實(shí)時(shí)機(jī)器人路徑矯正功能以實(shí)現(xiàn)最佳超聲耦合。國(guó)內(nèi)，鄒志剛[37]使用雙機(jī)械臂增加移動(dòng)軸和延長(zhǎng)桿，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一端封閉的復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體的5 mm 分辨率超聲檢測(cè)，可以滿足一般復(fù)合材料曲面工件缺陷檢測(cè)的要求。王鑫[38]則使用移動(dòng)機(jī)器人搭載UR10 機(jī)械臂和超聲相控陣檢測(cè)裝置組成無損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)翼面進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，拓展了無損檢測(cè)的靈活性。表3 總結(jié)了上文提到的各類基于機(jī)器人的PAUT無損檢測(cè)的主要效果，可以發(fā)現(xiàn)，研究人員的目標(biāo)已經(jīng)由實(shí)現(xiàn)機(jī)器人檢測(cè)自動(dòng)化，向更快的檢測(cè)速度和更優(yōu)的檢測(cè)質(zhì)量邁進(jìn)。

表3 基于機(jī)器人的PAUT 檢測(cè)主要效果總結(jié)Table 3 Summary of robot-based PAUT technology

在自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)日益成熟之后，研究人員開始探索不同的新型檢測(cè)手段以獲得更好的檢測(cè)結(jié)果。Galisson 等[39]在ACCURATe計(jì)劃中研究了將工業(yè)機(jī)器人與激光超聲檢測(cè) （Laser ultrasonic testing，LUT）設(shè)備結(jié)合用于大型CFRP 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的快速非接觸式檢測(cè)，效果良好。Lim 等[40]則重點(diǎn)研究了使用穿透式超聲波 （Through-transmission ultrasonic，TTU）方法檢測(cè)復(fù)合材料時(shí)雙機(jī)器人系統(tǒng)的精確調(diào)姿問題，提出了一種用于校正轉(zhuǎn)向架部件變形和錯(cuò)位的算法，并在雙機(jī)器人掃描人工設(shè)計(jì)有缺陷的樣本場(chǎng)景中進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖6 所示。Evangelista等[41]在Spirit 計(jì)劃中提出了一種基于 X 射線傳感器和機(jī)器人操縱器的復(fù)合材料零件檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢查碳纖維部件六邊形核心單元結(jié)構(gòu)。Khodayar 等[42–43]則研究了機(jī)器人結(jié)合線掃描熱成像 （Line scan thermography，LST）技術(shù)，用以檢測(cè)大型 CFRP 樣品，使用COMSOL 軟件模擬了樣品的傳熱過程以修正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和熱源的各類參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了3.5 mm 的檢測(cè)深度。Miranda[44]和Ma[45]等則將目光轉(zhuǎn)向較新的基于Lamb 波的檢測(cè)技術(shù)。不同的是，后者基于庫(kù)卡機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套采用脈沖激光 （Pulsed laser，PL）和掃描激光多普勒測(cè)振儀（Scanning laser doppler vibrometer，SLDV）進(jìn)行非接觸和遠(yuǎn)程Lamb 波驅(qū)動(dòng)與波場(chǎng)傳感的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；前者則使用散射Lamb波來繪制金屬 （各向同性）和準(zhǔn)各向同性復(fù)合板結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在被檢測(cè)物周圍的定位。Dimoka等[46]提出了一種名為脈沖相位鎖定熱成像 （Pulsed phase-informed lockin thermography，PPLIT）的新型熱成像技術(shù)，能夠快速、精確地檢測(cè)評(píng)估材料損傷，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)，逐層剝離材料進(jìn)行修復(fù)。表4 總結(jié)了本節(jié)提到的各類新型檢測(cè)手段的特點(diǎn)，這類新型檢測(cè)手段通常以原型機(jī)或?qū)崿F(xiàn)原有PAUT 無法實(shí)現(xiàn)的功能為主，仍然處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，未實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

6．祁承燁(1563—1628)《澹生堂書目》：“《嵇中散集》三冊(cè)。(十卷，嵇康)《嵇中散集略》一冊(cè)。(一卷)”

表4 基于機(jī)器人的新型檢測(cè)方法特點(diǎn)總結(jié)Table 4 Summary of robot-based novel inspection technology

圖6 掃描具有人工缺陷的參考樣本[40]Fig.6 Scanning for reference specimens with artificial defects[40]

2.2 結(jié)構(gòu)外形的檢測(cè)

近10 年來，針對(duì)這一領(lǐng)域的早期研究主要集中于機(jī)器人在大型復(fù)雜曲面表面的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。李浩[47]研究了面掃描測(cè)量機(jī)器人在測(cè)量復(fù)雜曲面時(shí)的自動(dòng)路徑規(guī)劃問題及其3 類基礎(chǔ)算法：曲面的最小包圍盒算法、視點(diǎn)規(guī)劃算法，以及視場(chǎng)內(nèi)曲面的可視性分析算法，并使用C++編寫程序?qū)σ恍?fù)雜曲面的路徑規(guī)劃結(jié)果做了展示，但是，這些結(jié)果僅限于仿真測(cè)試，并未在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。梁延德[48]和張曉蕾等[49]針對(duì)未知曲面表面形貌和形狀的測(cè)量場(chǎng)景，提出了在單次掃描結(jié)束后，根據(jù)掃描結(jié)果中缺失點(diǎn)云位置規(guī)劃二次掃描路徑，對(duì)缺失點(diǎn)云進(jìn)行補(bǔ)充的方法，并使用商用三維掃描儀搭配UR5 機(jī)器人對(duì)小型曲面的掃描做了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。趙安安等[50]也提出了一種二次掃描方法，但與前者不同的是，研究人員以飛機(jī)零件上各類槽特征、筋特征生成二次掃描路徑，并對(duì)實(shí)際飛機(jī)壁板的掃描過程做了仿真模擬，結(jié)果十分接近人工標(biāo)定結(jié)果。Sharifzadeh 等[51]針對(duì)不同掃描儀在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用的不同結(jié)果，提出了魯棒性更強(qiáng)的表面掃描方案。Xie等[52]開發(fā)了一種靈活掃描系統(tǒng)，使用預(yù)先定義的路徑對(duì)飛機(jī)零件表面進(jìn)行測(cè)量，與前面的研究不同的是，該系統(tǒng)集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以更好地計(jì)算蒙皮表面鉚釘平齊度。與之相似的還有針對(duì)蒙皮對(duì)縫檢測(cè)的相關(guān)研究，張洪瑤等[53]基于機(jī)器人和3D激光掃描儀對(duì)固定蒙皮對(duì)縫進(jìn)行了測(cè)量，依賴于其較高精度的手眼標(biāo)定實(shí)現(xiàn)了最大誤差不超過0.05 mm 的結(jié)果，但這一試驗(yàn)依舊為實(shí)驗(yàn)室結(jié)果。王文輝等[54]設(shè)計(jì)出圖7 所示的移動(dòng)機(jī)器人，搭載結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)對(duì)地面上的蒙皮對(duì)縫進(jìn)行檢測(cè)，開發(fā)了移動(dòng)機(jī)器人的自主調(diào)姿方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)縫跟蹤位置誤差5.81 mm、角度誤差3.52°的結(jié)果。史有志[55]開展了超過5 m的大型回轉(zhuǎn)體檢測(cè)的機(jī)器人掃描軌跡與仿真研究，針對(duì)大型回轉(zhuǎn)體空間尺度大、軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合激光掃描儀和所使用的庫(kù)卡KR–210 機(jī)器人的特點(diǎn)對(duì)回轉(zhuǎn)體表面進(jìn)行切分，盡可能拓展可達(dá)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體表面全覆蓋，并進(jìn)行了仿真模擬。

圖7 移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖[54]Fig.7 Mobile robot structure diagram[54]

但是，針對(duì)這類大型物體，固定式的機(jī)器人無法靈活覆蓋，且往往只搭載單一種類的檢測(cè)設(shè)備，缺點(diǎn)明顯。因此，研究人員開始使用移動(dòng)機(jī)器人搭載各類測(cè)量設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。Zhou 等[56]為移動(dòng)平臺(tái)搭載機(jī)械臂，該系統(tǒng)架構(gòu)可在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中與人類同事一起工作，詳細(xì)介紹了機(jī)器人的硬件規(guī)格及安全的軟件架構(gòu)，并且考慮了機(jī)器人的效率和負(fù)載平衡問題。最為突出的是，這是第1 個(gè)在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用的案例，且研究人員提供了圖形用戶界面來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)。陳允全[57]和熊濤等[58]則提出了針對(duì)大型結(jié)構(gòu)外形測(cè)量的檢測(cè)系統(tǒng)，前者針對(duì)大型結(jié)構(gòu)搭建了一整套檢測(cè)系統(tǒng) （圖8[57]），包含激光掃描儀、移動(dòng)機(jī)器人及激光跟蹤儀，并研究了系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃、掃描仿真和數(shù)據(jù)處理，對(duì)構(gòu)建大尺寸測(cè)量場(chǎng)做出了貢獻(xiàn)；后者則專注于檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)激光跟蹤儀的站位優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在規(guī)劃站位下測(cè)量耗時(shí)減少80%以上。Wang 等[59–60]開發(fā)了一套移動(dòng)機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)，包括六自由度機(jī)器人、自主移動(dòng)平臺(tái)、條紋投影掃描儀和立體視覺系統(tǒng)，提出了用于精確點(diǎn)云配準(zhǔn)的FOA–IICP 精細(xì)對(duì)準(zhǔn)算法，并結(jié)合跟蹤編碼標(biāo)記 （TCM）與定位編碼標(biāo)記 （PCM）的機(jī)器人移動(dòng)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2.88 m 的大型結(jié)構(gòu)較好的測(cè)量效果。李強(qiáng)等[61]則提出了對(duì)飛機(jī)蒙皮裝配間隙與階差進(jìn)行測(cè)量的全向機(jī)器人檢測(cè)平臺(tái)，開發(fā)了蚊群算法，并采用視覺測(cè)量傳感器與全向機(jī)器人輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同配合的測(cè)量方式，用于在廣域大尺度測(cè)量場(chǎng)中精確測(cè)量。

圖8 機(jī)器人掃描系統(tǒng)組成[57]Fig.8 Composition of robot scanning system[57]

目前已報(bào)道的文獻(xiàn)中出現(xiàn)最多的技術(shù)路線是采用類似六軸機(jī)器人的通用多關(guān)節(jié)機(jī)器人配合噴水式PAUT 或三維激光掃描這類十分成熟的檢測(cè)技術(shù)，用于代替人工手段，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。僅使用移動(dòng)機(jī)器人，或移動(dòng)機(jī)器人與通用多關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)合使用的案例，在現(xiàn)有文獻(xiàn)中較少出現(xiàn)，主要是因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)精度還無法滿足精度較高的檢測(cè)技術(shù)，強(qiáng)行結(jié)合追求移動(dòng)范圍的靈活性反而會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度下降，目前依舊缺乏有效方案的文獻(xiàn)報(bào)道。

3 飛機(jī)整機(jī)維護(hù)檢修中的檢測(cè)技術(shù)

飛機(jī)整機(jī)維護(hù)檢修由飛機(jī)維修技術(shù)人員或機(jī)長(zhǎng)在飛行前執(zhí)行，識(shí)別可能的缺陷，如污損、凹痕、裂紋、泄漏、零件斷裂或缺失等 （圖9[62]），確保飛機(jī)的各項(xiàng)功能滿足飛行要求，是飛行安全的重要保障。目前，目視檢測(cè)是使用最廣泛、速度快且成本相對(duì)較低的飛機(jī)整機(jī)檢修技術(shù)，超過80%的大型運(yùn)輸類飛機(jī)的檢查是基于直接或者相機(jī)協(xié)助的目視檢測(cè)[63]。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)過程在地面進(jìn)行或使用伸縮平臺(tái)在機(jī)庫(kù)進(jìn)行，通常需要長(zhǎng)達(dá)1 d 的時(shí)間，而且目視檢測(cè)容易出現(xiàn)遺漏缺陷的問題。由于機(jī)場(chǎng)的時(shí)間限制，目視檢測(cè)需要快速進(jìn)行[64]，使用自動(dòng)化的裝置 （爬壁機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、無人機(jī) （圖10[63]）等）進(jìn)行輔助可以有效提高目視檢測(cè)的效率，并且減少人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤[65]。

圖9 飛機(jī)表面缺陷問題[62]Fig.9 Captured stain and defect[62]

圖10 無人機(jī)平臺(tái)[63]Fig.10 Unmanned aircraft[63]

蒙皮是飛機(jī)表面面積最大的組成部分，容易出現(xiàn)腐蝕、裂紋，以及漏油、油脂、污垢沉積物等污漬引起的表面缺陷。由于飛機(jī)蒙皮表面的平整性，真空吸附式爬壁機(jī)器人是飛機(jī)蒙皮檢測(cè)最常見的機(jī)器人種類，如圖11 所示[66]。爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。牛國(guó)臣等[67]針對(duì)飛機(jī)蒙皮非對(duì)稱變曲率的特點(diǎn)，提出了蒙皮檢修爬行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了電動(dòng)及氣動(dòng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)，并研制了搭載渦流傳感器及導(dǎo)航攝像機(jī)的機(jī)器人樣機(jī)。姜俊俊[68]分析了機(jī)器人在飛機(jī)蒙皮表面的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，針對(duì)其單步連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制建立了多輸入多輸出的動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了一種滑膜軌跡跟蹤控制方法。沈桂鵬等[69]通過分析機(jī)器人在飛機(jī)表面的受力情況，基于牛頓–歐拉法建立了機(jī)器人非完整約束動(dòng)力學(xué)模型，提出了一種反演–滑膜控制方法。Ramalingam 等[62]提出了一種可重構(gòu)爬壁機(jī)器人和基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的飛機(jī)表面缺陷和污漬檢測(cè)模型，其工作場(chǎng)景如圖12 所示。Hagiwara 等[70]利用單元膨脹收縮傳播的方式，推動(dòng)爬壁機(jī)器人的前進(jìn)。飛機(jī)蒙皮檢測(cè)機(jī)器人在蒙皮表面順利運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是吸附過程的穩(wěn)定性，Jiang 等[66]針對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行受力分析，得到吸盤組控制分配矩陣，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)控制分配器；然后考慮吸盤組出現(xiàn)故障的情況，采用改變吸盤優(yōu)先級(jí)的故障適應(yīng)策略改變吸盤的加權(quán)系數(shù)。然而，由于吸氣和放氣過程的存在，吸盤式爬壁機(jī)器人的爬行速度受到嚴(yán)重影響，為此，諸葛晶昌等[71]提出了一種螺旋槳反推式的履帶機(jī)器人，通過在履帶結(jié)構(gòu)中加入變形結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人具備良好爬壁性能的同時(shí)，提升運(yùn)動(dòng)效率。表5 將現(xiàn)有的蒙皮檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了匯總，其中，移動(dòng)方式主要分為框架式、履帶式、輪式和行波式，框架式和行波式在速度和靈活性上受到限制，履帶式和輪式雖然更靈活，但也存在損傷蒙皮表面的風(fēng)險(xiǎn)。貼附方式主要分為真空吸盤和螺旋槳推力式，真空吸盤式貼附更加穩(wěn)定，但也增加了氣驅(qū)的機(jī)構(gòu)，同時(shí)限制了運(yùn)動(dòng)速度和檢測(cè)效率。

表5 典型蒙皮檢測(cè)機(jī)器人原理總結(jié)Table 5 Summary of principles of typical skin inspection robots

圖11 雙框架飛機(jī)蒙皮檢測(cè)機(jī)器人[66]Fig.11 Aircraft skin inspection robot with double frame[66]

圖12 爬壁機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景[62]Fig.12 Wall-climbing robot application scenario[62]

然而，爬壁機(jī)器人只能用于蒙皮結(jié)構(gòu)的檢查，對(duì)于飛機(jī)其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢查，使用移動(dòng)機(jī)器人和無人機(jī)是更為便捷的方式。如圖13 所示，Aleshin 等[72]研究了無人機(jī)在極端風(fēng)作用下的復(fù)雜操作模式，通過系鏈機(jī)構(gòu)的控制確保了無人機(jī)在極端風(fēng)作用下不會(huì)與飛機(jī)相撞。Papa等[63]提出使用自主的小型四旋翼配合高清攝像機(jī)和超聲距離保持系統(tǒng) （Ultrasonic distance keeper system，UDKS）組成硬件平臺(tái)，配合避障和路徑規(guī)劃算法，使目視檢查人員能夠在電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理。Sun等[73]提出了一個(gè)配備RGB – D 相機(jī)的無人機(jī)、無人地面車和配備高精度3D 掃描儀的機(jī)械手組成的機(jī)器人系統(tǒng)，用于執(zhí)行自動(dòng)掃描，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)和蒙特卡洛樹搜索算法，基于飛機(jī)的低分辨率點(diǎn)云來規(guī)劃最佳掃描軌跡，從而獲取飛機(jī)的3D 模型。

圖13 無人機(jī)和無人地面車組成的機(jī)器人系統(tǒng)[72]Fig.13 Robotic system consisting of UAV and UGV[72]

同時(shí)，對(duì)于使用無人機(jī)或者移動(dòng)機(jī)器人檢查，通常需要飛機(jī)的數(shù)字模型來規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的路徑，但是生成準(zhǔn)確的飛機(jī)數(shù)字模型是非常耗時(shí)耗力的。在飛機(jī)原始CAD 模型不可用的情況下，Sun 等[74]提出了一種兩階段的掃描方法：首先使用配備RGB–D 相機(jī)的無人機(jī)系統(tǒng)沿著遠(yuǎn)離飛機(jī)表面的預(yù)定義路徑快速掃描飛機(jī)并生成飛機(jī)的粗略模型；基于粗略模型，使用蒙特卡洛樹搜索的方法，計(jì)算覆蓋飛機(jī)全部表面的最佳掃描路徑，使得飛行距離最短 （圖14），從而生成密集、精確的飛機(jī)三維模型，該方法可以在1 h 內(nèi)掃描70%的飛機(jī)表面。

圖14 掃描路徑示意圖[74]Fig.14 Scanning paths diagram[74]

自動(dòng)化裝置不僅可以提供目視檢查的原始圖片數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)知識(shí)庫(kù)得出檢測(cè)結(jié)果，以進(jìn)一步提高檢測(cè)效率。Leiva[64]和Donadio[75]等構(gòu)建了協(xié)作移動(dòng)機(jī)器人搭配變焦相機(jī)的系統(tǒng)。該機(jī)器人能夠在飛機(jī)附近自主導(dǎo)航，將相機(jī)指向目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域，并利用圖片處理算法得出診斷結(jié)果，將錯(cuò)誤信息提供給操作者以便快速處置。最后，操作者會(huì)對(duì)機(jī)器人做出的每個(gè)診斷進(jìn)行驗(yàn)證。Jovan?evi?等[76]研究了配備攝像頭的移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù)，通過相似函數(shù)將圖片特征和飛機(jī)CAD 模型進(jìn)行匹配，進(jìn)而完成定位和檢查，并介紹了靜壓孔和進(jìn)氣口的檢測(cè)方法。Jovan?evi?等[77]還研究了用于檢測(cè)飛機(jī)外部不同物品的圖像處理框架，使用搭載變焦相機(jī)并且能夠圍繞飛機(jī)自主移動(dòng)的機(jī)器人進(jìn)行圖片采集，首先通過規(guī)則形狀的檢測(cè) （圓角矩形、圓形、橢圓形）使相機(jī)指向需要檢查的位置，然后利用圖片特征分析得到檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)用于空客A320 飛機(jī)的氧氣艙手柄、進(jìn)氣口、靜態(tài)端口和風(fēng)扇葉片檢查。Cazzato 等[78]研究了使用無人機(jī)進(jìn)行飛機(jī)檢查時(shí)的定位和姿態(tài)控制技術(shù)，將安裝在無人機(jī)上的RGB 相機(jī)采集的圖像與機(jī)身表面上的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，試驗(yàn)表明，該方案能夠獲取高精度的無人機(jī)的位姿信息。

除了飛機(jī)表面質(zhì)量的檢查外，飛機(jī)的大部分內(nèi)部系統(tǒng)只能通過狹窄的檢查口進(jìn)行檢查和維修，因此需要開發(fā)高柔性的專業(yè)機(jī)器人完成該任務(wù)。Alatorre 等[79]開發(fā)了一種五自由度的機(jī)器人系統(tǒng)，可以通過狹窄的檢查口執(zhí)行準(zhǔn)確的檢查和維修任務(wù)，并對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析以實(shí)現(xiàn)精確的路徑規(guī)劃。對(duì)于飛機(jī)油箱檢測(cè)任務(wù)，Heilemann 等[80]介紹了一種新型內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，能夠通過狹窄的通道進(jìn)入飛機(jī)油箱，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的檢查和三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的生成，如圖15 所示。常用的連續(xù)型機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)靈活性，但冗余自由度導(dǎo)致了三維空間規(guī)劃的多解性，增加了算法的復(fù)雜度。牛國(guó)臣等[81]通過降低維度的方式，將三維空間轉(zhuǎn)化為二維平面進(jìn)行規(guī)劃，降低了規(guī)劃算法的復(fù)雜度。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)原位檢測(cè)任務(wù)，針對(duì)傳統(tǒng)單芯柱骨架連續(xù)體機(jī)器人控制困難、容易扭曲的問題，Niu 等[82]提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的路徑規(guī)劃方法，生成從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑。向立清等[83]設(shè)計(jì)了一種交錯(cuò)排列的雙芯柱冗余自由度連續(xù)體機(jī)器人，基于幾何分析方法建立其正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了其完成發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)任務(wù)的可行性。Dong 等[84]設(shè)計(jì)了一種25 自由度的高度柔性細(xì)長(zhǎng)連續(xù)體機(jī)器人，該機(jī)器人能夠進(jìn)入非常受限的環(huán)境完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的軌跡，通過配備攝像頭的末端執(zhí)行器，能夠完成發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)的原位檢測(cè)。

圖15 油箱維護(hù)概念圖及維護(hù)過程演示[80]Fig.15 Fuel tank maintenance concept diagram and maintenance process demonstration[80]

此外，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中還存在復(fù)雜的管路系統(tǒng)，空間更加狹窄，難以進(jìn)入。Tang 等[85]提出了一種智能材料驅(qū)動(dòng)的管道檢測(cè)機(jī)器人，直徑小于10 mm，可以適應(yīng)亞厘米直徑和不同曲率的管道，該機(jī)器人使用長(zhǎng)壽命電介質(zhì)彈性體作為驅(qū)動(dòng)器，高效錨固裝置作為傳動(dòng)器，使用數(shù)量可調(diào)的磁鐵快速組裝部件，可以適應(yīng)不同的管道幾何形狀。

4 現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)的不足

總結(jié)本文提及的近10 年內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道中出現(xiàn)的檢測(cè)技術(shù)與機(jī)器人類型 （表6）。根據(jù)機(jī)器人類型進(jìn)行對(duì)比，僅使用通用多關(guān)節(jié)機(jī)器人或結(jié)合線性軌道實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的移動(dòng)的方式依舊是主流；根據(jù)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，技術(shù)較為成熟，有成套商用設(shè)備的激光掃描儀和視覺測(cè)量系統(tǒng)占比最多。將表格中的技術(shù)與3 類任務(wù)的要求進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出現(xiàn)有機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)存在著一些共性不足。

表6 近10 年機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)總結(jié)Table 6 Summary of robot inspection technology in recent 10 years

（1）靈活性不足?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中，占比最高的通用多關(guān)節(jié)機(jī)器人配合線性軌道的方法占地面積大，且需要設(shè)置專用工裝輔助機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。例如文獻(xiàn)[34]中提到的系統(tǒng)，占地60 m2，且有一個(gè)長(zhǎng)7 m 的專用工裝用來放置復(fù)合材料機(jī)翼。使用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)目前仍在發(fā)展中，應(yīng)用廣泛程度相比前者仍較少。同時(shí)，目前部分專用檢測(cè)設(shè)備受限于技術(shù)發(fā)展，本身體積較大，也對(duì)檢測(cè)靈活性造成影響，例如無損檢測(cè)中最常使用的噴水式PAUT 需要配置專門的水循環(huán)系統(tǒng)。這些不足都限制了機(jī)器人自動(dòng)化檢測(cè)向靈活的柔性檢測(cè)發(fā)展。

（2）算法智能程度不足。目前發(fā)展迅速的各類涉及智能學(xué)習(xí)的方法對(duì)相關(guān)算法起到了極大的輔助作用，但面對(duì)復(fù)雜的工廠環(huán)境，其魯棒性差的缺點(diǎn)也為實(shí)際應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。算法智能程度不足不僅影響著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，也對(duì)機(jī)器人理解任務(wù)、規(guī)劃軌跡、執(zhí)行操作的精度與效率有顯著影響。針對(duì)整機(jī)復(fù)雜內(nèi)部環(huán)境檢測(cè)對(duì)于效率及魯棒性的需求，使用智能算法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、導(dǎo)航、避障及故障檢測(cè)，也是未來研究的重點(diǎn)方向。

（3）人機(jī)交互研究不足。目前的航空制造檢修現(xiàn)場(chǎng)仍需大量人工參與，面對(duì)這類人與機(jī)器共存的場(chǎng)景，一般的解決方案是設(shè)立專門的安全區(qū)，例如文獻(xiàn)[36]中提到，為機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)置了帶兩道安全門的103 m2的專用工作空間。然而隨著移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，在尚未完全達(dá)到無人化前，人與機(jī)器人在同一空間中工作是必然會(huì)出現(xiàn)的場(chǎng)景。Zhou 等[56]設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制架構(gòu)、安全控制架構(gòu)和人機(jī)交互架構(gòu)等三大軟件架構(gòu)，囊括了移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂、安全監(jiān)控系統(tǒng)、觸覺傳感系統(tǒng)和末端執(zhí)行器等全部硬件系統(tǒng)，以便于移動(dòng)機(jī)器人與人一同工作在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，相關(guān)研究仍十分缺少。

5 結(jié)論

（1）本文梳理了近10 年來航空制造及檢修過程中，基于機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)零件加工、零部件質(zhì)量檢測(cè)和整機(jī)檢修3 個(gè)過程中的進(jìn)展。

（2）現(xiàn)有基于機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)已經(jīng)可以完成部分在固定場(chǎng)景的檢測(cè)，但仍有靈活性不足、算法智能程度不足、人機(jī)交互研究不足等缺點(diǎn)。

基于機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)可以極大提高航空制造領(lǐng)域的精度與效率，目前仍需繼續(xù)推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研究，以實(shí)現(xiàn)航空制造效率與質(zhì)量的提高。