航空航天領(lǐng)域機(jī)器人化智能裝配技術(shù)綜述

2024年3月28日發(fā)(作者：相互關(guān)愛的作文)

航空航天領(lǐng)域機(jī)器人化智能裝配技術(shù)綜

述

摘要：航空航天工業(yè)的發(fā)展直接代表和衡量了一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)水平和綜

合國力，而在航空航天產(chǎn)品制造領(lǐng)域除了先進(jìn)技術(shù)、設(shè)計(jì)外，最為重要的就是裝

配制造，裝配制造水平直接影響了航空產(chǎn)品的成本、投產(chǎn)周期和質(zhì)量。尤其航空

航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，對于裝配制造提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，而機(jī)

器人化智能裝配技術(shù)的出現(xiàn)，則為航空航天產(chǎn)品裝配提供了更為有效的工具和方

法，有效促進(jìn)了裝配效率、精度和質(zhì)量的提升。因此，文章就對航空航天裝配中

機(jī)器人化智能裝配技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了探討分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：航空航天；工業(yè)機(jī)器人；智能裝配；關(guān)鍵技術(shù)

引言

航空航天零件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜并且大小不同，在裝配作業(yè)過程中難度較大，

同時(shí)由于任務(wù)要求不同，經(jīng)常會遇到狹小空間作業(yè)的情況，這就給利用通用工裝

設(shè)備開展自動化裝配造成了困難。所以在當(dāng)下航空航天領(lǐng)域，零部件裝配中多采

用人工裝配，而人工裝配的精度、效率、質(zhì)量等都難以得到有效保障，嚴(yán)重制約

了航空航天工業(yè)的發(fā)展。而隨著現(xiàn)階段機(jī)器人技術(shù)不斷成熟，通過機(jī)器人裝配可

以獲得更高的自動化程度和精準(zhǔn)度，并且其在靈活性、適用性等方面也有了較大

的提升，能夠與大行程龍門行車、AGV作業(yè)平臺等形成有效配合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高柔

性、高自動化、高精度的智能化裝配作業(yè)

[1]

。所以在當(dāng)下航空航天領(lǐng)域，對于機(jī)

器人智能裝配技術(shù)的研究也在不斷增多，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備也在不斷成熟，為航空

航天事業(yè)的發(fā)展做出了有效貢獻(xiàn)。

1工業(yè)機(jī)器人簡介

工業(yè)機(jī)器人通常分為控制、驅(qū)動和主體三部分，主體部分主要模擬人體的動

作，比如抓取、搬運(yùn)等動作；控制系統(tǒng)則分為數(shù)據(jù)層，物理層和人機(jī)交互及部分；

執(zhí)行機(jī)構(gòu)則包括機(jī)械臂、機(jī)械手等部分，機(jī)器人的功能性直接可以通過其動作的

自由度進(jìn)行體現(xiàn)，通常情況下機(jī)器人的自由度在三個(gè)以上，但是在現(xiàn)階段部分高

精度工業(yè)機(jī)器人自由度能夠超過7個(gè)。而控制系統(tǒng)則相當(dāng)于大腦，其主要控制機(jī)

器人按照提前編制的程序來進(jìn)行各種動作；驅(qū)動系統(tǒng)則相當(dāng)于人的肌肉骨骼，在

獲得控制系統(tǒng)的命令后，配合執(zhí)行系統(tǒng)來完成各項(xiàng)操作

[2]

。現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人技

術(shù)發(fā)展極其迅速自動化程度不斷提高，各種復(fù)雜的動作或者操作也可以順利完成，

所以在當(dāng)下工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)能夠代替人類來進(jìn)行各類操作。除

此以外，機(jī)器人也可以結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需求，由技術(shù)人員手動操控。與人工操

作相比，工業(yè)機(jī)器人在工作效率、準(zhǔn)確度等方面都有著較大的優(yōu)勢，因此在當(dāng)下

裝配、搬運(yùn)、噴涂、包裝等工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越發(fā)普遍。

2機(jī)器人化智能裝配的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1裝配狀態(tài)感知

在航空航天機(jī)械裝配過程中，除了要確保不同零部件間的尺寸配合，更需要

根據(jù)既定的裝配工藝及要求做好零部件的安裝和匹配。上述操作僅通過位置控制

難以實(shí)現(xiàn)，必須確保機(jī)器人具有力控制操作能力，這就導(dǎo)致機(jī)器人在視覺方面不

能夠及時(shí)將裝配狀態(tài)進(jìn)行反饋。當(dāng)下協(xié)作機(jī)器人通常通過電流環(huán)反饋來估計(jì)關(guān)節(jié)

力矩，然而該方法在具體應(yīng)用中噪聲和誤差相對較大，所以對于力矩的控制精度

比較有限，并不適用于高精度要求的操作控制。而通過關(guān)節(jié)力矩傳感器就能夠進(jìn)

一步促進(jìn)關(guān)節(jié)力矩測量精度的提升，實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)力矩的高精度辨識和控制。末端

力傳感器能夠有效檢測末端工具和物體間的力矩大小，在裝配、碰撞檢測等操作

中都可以得到有效應(yīng)用，能夠有效促進(jìn)機(jī)器人感知智能化程度的提升。在裝配插

孔或者螺栓連接的過程中，也可以通過接觸力檢測來進(jìn)行裝配過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，

從而判斷裝配操作的成功與否

[3]

。在具體的機(jī)器人裝配操作中，環(huán)境、工藝、遮

擋等因素都會增加視覺測量的難度和復(fù)雜性，不利于裝配精度的提升。通過立決

信息監(jiān)測反饋，就可以更加精準(zhǔn)地對裝配位置進(jìn)行掌握并進(jìn)行調(diào)整，有效提升裝

配的穩(wěn)定度和精確度。除此以外，力覺反饋信息還有助于促進(jìn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的

增強(qiáng)，在機(jī)器人裝配過程中能夠結(jié)合反饋信息實(shí)時(shí)進(jìn)行裝配狀態(tài)的調(diào)整和控制，

避免錯(cuò)誤操作的出現(xiàn)。視覺和力學(xué)混合感知，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人裝配狀態(tài)

的精準(zhǔn)掌握，對裝配過程中的尺度、關(guān)鍵目標(biāo)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和反饋，有效克服

裝配中的各種不確定因素影響，實(shí)現(xiàn)裝配過程的全方位感知。

2.2裝配規(guī)劃與智能決策

裝配對合過程中會存在接觸擠壓等操作，如果操作不當(dāng)很可能會影響裝配的

成功率，甚至還會對零部件造成損壞。特別是在高精度、低孔隙的條件下進(jìn)行裝

配，受重復(fù)精度的影響，機(jī)器人并不能夠利用示教重現(xiàn)的方法來提高裝配的精度。

同時(shí)與相機(jī)與點(diǎn)云的精度相比，機(jī)器人的重復(fù)誤差范圍也相對較小，所以誤

差不長時(shí)，并不能夠采用動態(tài)測量的方法。因此在裝配后期必須通過力傳感器對

裝配的狀態(tài)進(jìn)行感知，然后再通過控制算法來確保裝配件地對合。在機(jī)器人裝配

過程中，會受到摩擦、非線性問題、彈性性變等因素的影響，造成裝配過程的不

確定性，所以在裝配過程中需要從規(guī)劃和決策算法方面來盡可能降低上述不確定

因素的影響。在機(jī)器人裝配過程中，為了盡可能提高裝配的精度和智能化，需要

圍繞規(guī)劃決策算法的融合感知能力提升以及泛化性入手來進(jìn)行研究和突破。在以

往裝配控制中，多數(shù)通過受力分析建模來控制裝配件的接觸，然后再利用力傳感

器來反饋裝配狀態(tài)，進(jìn)而設(shè)置相應(yīng)的控制策略

[4]

。為了進(jìn)一步提升機(jī)器人裝配的

精度，現(xiàn)階段關(guān)于裝配外部輪廓構(gòu)建了各種機(jī)理模型，這就為裝配任務(wù)的開展提

供了有效的指導(dǎo)和參考。但是所研究的模型多數(shù)是處于理想狀態(tài)下，并不能夠全

面符合實(shí)際裝配工作的特點(diǎn)和變化，所以不確定性相對較高。因此，在當(dāng)下為了

克服上述問題，可以從模糊分類器、支持向量、隱馬爾可夫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面來

進(jìn)行狀態(tài)識別算法的設(shè)計(jì)，從而有效降低噪聲干擾。但是在航空航天裝配任務(wù)中

存在各種不同的裝配任務(wù)，如果針對每個(gè)任務(wù)都需要構(gòu)建相應(yīng)的狀態(tài)識別模型難

度加成本高，并不具備實(shí)操性，所以在現(xiàn)階段正在研究通過數(shù)據(jù)驅(qū)動，使模型能

夠結(jié)合大量經(jīng)驗(yàn)來總結(jié)出相匹配的裝配件對合方法。大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將深度學(xué)習(xí)

和強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行融合，可以獲得更加科學(xué)的裝配算法，與裝配環(huán)境形成有效交互，

試錯(cuò)的學(xué)習(xí)到更加合理的裝配方法。

2.3多機(jī)/人機(jī)協(xié)同裝配

航空航天裝配工作非常復(fù)雜，需要應(yīng)用到多種不同的工具和不同的裝配工藝，

所以在裝配過程中需要通過多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。多機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會根

據(jù)裝配要求對不同機(jī)器人的任務(wù)進(jìn)行部署，具有容錯(cuò)性高、靈活度強(qiáng)等多方面的

優(yōu)點(diǎn)。在協(xié)同控制過程中，能夠?qū)⒉煌瑱C(jī)器人間的動作進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，確保其操

作的合理性，并與其他機(jī)器人形成有效配合，提高整個(gè)系統(tǒng)的裝配效率。多機(jī)協(xié)

同能夠進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人智能裝配的應(yīng)用范圍，但是裝配場景過于復(fù)雜，仍需要

通過人工來進(jìn)行操作，這就要求進(jìn)行人機(jī)協(xié)同能力的開發(fā)和提升。人機(jī)協(xié)同需要

重點(diǎn)圍繞學(xué)習(xí)、理解和安全幾點(diǎn)來進(jìn)行開發(fā)研究，安全性指的是在人際配合過程

中，應(yīng)該確保操作安全；碰撞檢測可以通過提前的模擬分析來避免安全事故的出

現(xiàn)，提高裝配的安全性和成功率；理解則是指的是機(jī)器人應(yīng)該具備更強(qiáng)的分析和

提取能力，能夠有效識別操作人員的意圖，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的目的。機(jī)器人如

果具有較強(qiáng)的理解能力就可以通過感知裝配過程中的變化，識別人類的動作，解

析其意圖，并預(yù)測和理解人類行為，與操作型人員形成有效配合

[5]

。航空機(jī)械裝

配極其復(fù)雜，為了確保機(jī)器人智能裝配的精度和安全性，必須確保其具有較強(qiáng)的

學(xué)習(xí)能力，能夠通過學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)來不斷優(yōu)化控制操作策略，提高人機(jī)協(xié)作度。為了

滿足航空航天裝配工作的發(fā)展和需求，需要不斷提高機(jī)器人在人機(jī)協(xié)作中的感知

能力，決策能力和安全性，在現(xiàn)階段需要重點(diǎn)圍繞以下幾點(diǎn)來進(jìn)行研究和創(chuàng)新。

3機(jī)器人化智能裝配在航空航天裝配中的具體應(yīng)用

3.1機(jī)器人自動化制孔裝備

機(jī)械裝配作為飛機(jī)裝配的最主要方式，在此過程中最為重要的就是制孔和連

接。在以往一般采用人工制孔的方式，其在裝配精度、效率、柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化方

面都有待提升。但是在現(xiàn)階段機(jī)器人自動化制已經(jīng)極其成熟，國內(nèi)國外都已經(jīng)研

發(fā)出了機(jī)器人自動化智控技術(shù)和裝備。中航工業(yè)所研發(fā)的機(jī)器人柔性制孔系統(tǒng)，

能夠自動完成大飛機(jī)活動翼面的自動制孔，精度為0.04mm，完全滿足了飛機(jī)裝配

要求。同時(shí)，商飛上飛公司也圍繞C919飛機(jī)機(jī)身裝配要求，研發(fā)一種爬壁制孔

機(jī)器人，能夠有效完成機(jī)身筒段的環(huán)向制孔，該機(jī)器人主要通過吸盤吸附定位，

靈活性非常強(qiáng)。

3.2航空自動檢測機(jī)器人

在飛機(jī)裝配過程中，需要通過檢測系統(tǒng)對裝配狀態(tài)信息進(jìn)行采集，從而確保

飛機(jī)裝配質(zhì)量。與以往測量檢測方法相比，機(jī)器人測量系統(tǒng)的靈活性、柔性化、

準(zhǔn)確度有了非常大的提升。空客A400M氣體動力試驗(yàn)就通過機(jī)器人對承載面氣體

角度進(jìn)行檢測，測量準(zhǔn)確度得到了非常大的提升。同時(shí)國外OCRobotics公司所

研發(fā)的蛇形臂，能夠深入到飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)部來進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的測量，有效解決了以

往飛機(jī)機(jī)翼檢測難的問題。同時(shí)在當(dāng)下飛機(jī)總裝和部裝檢測試驗(yàn)中，自動檢測機(jī)

器人的參與大大提升了檢測工作的效率和精確度，為航空航天裝配工作質(zhì)量的提

升提供了有效幫助。

3.3航空大部件搬運(yùn)

在飛機(jī)柔性裝配中最為關(guān)鍵的就是移動工業(yè)機(jī)器人，在現(xiàn)階段移動搬運(yùn)平臺

技術(shù)已經(jīng)極其成熟，在航空部件搬運(yùn)、航空部件位姿調(diào)節(jié)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

其中AGV自動搬運(yùn)機(jī)器人作為當(dāng)下最為常用的搬運(yùn)機(jī)器人，與以往導(dǎo)軌式機(jī)

器人相比，該機(jī)器人具有大部件搬運(yùn)和姿態(tài)調(diào)整功能，基本已經(jīng)能夠滿足當(dāng)下航

空航天裝配工作的需求，但是為了進(jìn)一步提升應(yīng)用效果，在今后仍需要圍繞本體

全向移動、多機(jī)編組、多機(jī)協(xié)同控制、高精度定位、三維調(diào)姿精度等方面入手，

進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新。

3.4飛機(jī)表面噴涂機(jī)器人

涂裝作為飛機(jī)裝配中極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，但是涂裝工作存在一定的危險(xiǎn)性。而

噴涂機(jī)器人的出現(xiàn)就可以有效解決上述問題，并且噴涂的效率、均勻性等也有了

進(jìn)一步的提升。現(xiàn)階段國內(nèi)企業(yè)及科研場所，關(guān)于機(jī)器人噴涂系統(tǒng)展開了大量的

研究，已經(jīng)研制出了用于飛機(jī)平尾等部件的噴涂機(jī)器人。作為飛機(jī)噴涂機(jī)器人，

其首先應(yīng)該具備非常強(qiáng)的靈活性，在當(dāng)下噴涂機(jī)器人系統(tǒng)主要分為多機(jī)器人和特

種噴涂機(jī)器人兩種結(jié)構(gòu)形式。其次，噴涂機(jī)器人需要有較高精度的定位技術(shù)、曲

面噴涂路徑規(guī)劃能力、噴涂檢測及效果評估等核心技術(shù)。

結(jié)論

機(jī)器人化智能裝配是今后航空航天裝配行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，同時(shí)也是促進(jìn)

航空航天事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)支撐之一。因此在現(xiàn)階段需要進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人智

能化裝配技術(shù)的研究，圍繞當(dāng)下航空航天裝配工作的特點(diǎn)和實(shí)際需求，積極進(jìn)行

技術(shù)創(chuàng)新和完善，不斷提高航空航天裝配的精度、效率和質(zhì)量。

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