协作机器人在航空制造中的应用分析

2024年3月28日发(作者：儿童卡通画)

协作机器人在航空制造中的应用分析

发布时间：2021-07-08T17:07:14.050Z 来源：《基层建设》2021年第11期 作者： 王媛媛

[导读] 摘要：随着科学技术的快速发展，为应对经济需求和社会要求，在工业生产、机械制造等方面逐渐采用机器人来替代以往由人类和

笨重设备承担的重复与繁杂工作任务。

中航飞机股份有限公司 西安 710089

摘要：随着科学技术的快速发展，为应对经济需求和社会要求，在工业生产、机械制造等方面逐渐采用机器人来替代以往由人类和笨

重设备承担的重复与繁杂工作任务。本文将简要概述协作机器人，研究协作机器人在航空制造中的关键技术，分析协作机器人在航空制造

中的实际应用情况，以期为航空制造的智能机器人发展提供一些参考。

关键词：协作机器人；航空制造；关键技术

引言：

航空制造的特定决定了其制造机器人必须要针对特定部件和工艺技术，当前在一些领域中仍然亟待协作机器人提升制造精度和效率，

采用先进制造技术、自动化生产线来保证航空制造质量。

1协作机器人概述

协作机器人的本质也是智能机器人的一种，是在协作环境中应用的机器人。由于协作机器人在进行工作时难免会与人类或其他机器发

生接触，这就必须要保证协作机器人的安全性，具备识别人类或潜在物体的能力以及计划规避行动的能力，从而实现快速规划路径、自主

移动。而协作机器人在技术方面的要求也更为突出，包括总体设计技术，即人机交互、协作功能设计；机器人控制技术包括自主学习和决

策，自适应能力；机动与操作功能，包括导航、动态路径规划；洞察及感知功能，可以进行智能检测与状态感知，分析相应的协作内容；

最后则是测试协作机器人系统的验证和检测功能。协作机器人本身与工业机器人有一定差异，具有更高的便捷性和小巧灵活的特点，大部

分协作机器人都带有示教功能，适用于人机交互，为人机协作提供支撑。

2协作机器人在航空制造中的关键技术

2.1本体设计

本体设计是确定协作机器人本体的影响及系统标准，例如对协作机器人的硬件进行优化，减轻协作机器人的机身重量，可以有效避免

协作机器人对人类的冲击危害。或是降低感知和控制的难度，补偿一些不确定性。而在软件方面可以经过模块化、系统化的处理，运用更

多传感器来增加机器人的感知能力，比如将力矩传感器安装在电机减速器之后，可以快速且准确地检测出外部载荷，再通过程序算法区分

出是正常作业还是不明碰撞。

2.2感知和控制技术

协作机器人如果能够确切了解周围环境，便可以更好地完成系统任务。而在飞机装配环境中往往具有人员走动、装配位置变化等因

素，协作机器人会与装配人员、产品、工具等内容发生干涉，无法准确运作。可以利用相机、力传感器等部件与感知技术的支持，提高协

作机器人对周围环境检测的准确性和频率，降低与人员、产品、设备的接触，从而达到自主、安全的作业。柔顺控制技术是协作机器人实

现牵引编程、碰撞应急反应、变化刚度操作的关键技术，柔顺控制的本质是对阻抗的一种控制变化，对刚度和阻尼进行调节，以达到对关

节力矩的精准控制。另外，为了使协作机器人可以在更加复杂的航空制造中应用，还需要优化运动规划和控制方法，使协作机器人尽可能

迅速适应环境变化[1]。

2.3行为设计

协作机器人的行为设计是在保证安全性的同时，使机器人的运作状态达到最最佳，以完成各类需要高水平能力的工作。合理设计协作

机器人的行为的关键就是人机协作系统的制作。人和机器人都应当是具有各自动力学特性的主体，其行为存在逻辑策略并具有可控制性。

而逻辑策略与可控制的设计条件有两种。一种是人和机器人动力学特性的差异以及两者之间作业的协同配合可行性。另一种则是人机交互

中的安全保障。协作机器人将通过对作业环境的认知来优化相应的系统与逻辑算法，使机器人适应动态变化的装备环境，其行为能够达到

人机协同作业的要求。

2.4自主学习能力

自主学习能力是机器人进步发展的根本，在航空制造过程中，作业对象会发生改变，协作机器人也具有多种作业任务。通过模拟人类

运动的动态基元控制策略，建立分层控制结构，下层为高速总线变阻抗控制，上层则是由人工神经网络进行规划和分析，根据动作空间对

装配过程进行建模，借助神经网络来完成非线性任务决策，以实现基于触觉的动作行为。自主学习的优势在于可以挖掘出一些非人工设计

的更为优质的操作策略，使协作机器人的作业效益得到提升。

3协作机器人在航空制造中的实际应用

3.1飞机结构装配

飞机结构装配是航空制造中的重要组成部分，工作内容是将飞机结构零件、组件、按照设计图纸和技术要求逐步装配呈部件的过程。

飞机结构装备的产品组件尺寸较大、形状复杂、连接零件数量多，传统的自动化设备虽然对飞机结构装配的效率和质量有一定提升，但是

在一些需要人工操作的测量、安装环节，仍需协作机器人与人工共同完成。通过人机协作方式，利用协作机器人的灵活性实现人工引导机

器人进行半自动作业。例如在辅助制孔作业中，协作机器人的制孔路径可以由程序提前设定，也可以由操作人员结合施工现场实际情况使

用示教器进行设定。协作机器人配合重量较轻的制孔末端执行器，便可以对一些待装配的结构件进行制孔，制孔范围一般小于50mm，可以

在铝、钛、复合材料上进行制孔，使用协作机器人配合ADU单元进行制孔的制孔精度可达H7级别，定位精度可在0.02mm以内，一次便可完

成钻孔、铰孔工作，有效提升了工效和质量[2]。

3.2拧紧高锁螺栓

高锁螺栓是利用螺栓的过盈量与螺母进行干涉配合，有着较高预紧力组合作用，能有效提升接头疲劳强度的一种螺栓。在过往的高锁

螺栓拧紧工作中，需要手动操作，使用工具拧紧螺母完成安装。高锁螺栓的安装是一项费力费时的重复性劳动，而且在一些不易操作的位

置，手动拧紧螺栓的工作方式极为不变。使用协作机器人配合电动拧紧工具，可以有效解决在一些狭小空间内的安装问题，大幅降低高锁

螺栓的作业时间。

3.3自动测量工作

自动测量依靠相应的系统快速分析航空制造中的尺寸测量问题。将协作机器人用于自动测量工作可以为自动化测量提供柔性方案。为

协作机器人配备三维测量传感器，在机械臂按照预设路径进行产品扫描过程中，便能够获得被测物体的大小、尺寸、形状，可以获得丰富

的测量信息，并且协作机器人自动测量可以克服一些苛刻的生产环境条件，代替人工完成复杂的测量工作。

3.4衬套涂装作业

在起落架结构中衬套涂装可以有效防止起落架出现磨损，这就需要在衬套和其他零件接触表面涂装均匀无气泡的密封胶，这对作业质

量要求有着不小的要求。人工进行涂胶不仅需要全身保持高度的注意力和控制力，将密封胶以0.6MPa压力进行涂装，不仅劳动强度较大，

还很容易导致质量不稳定，而且密封胶本身带有一定毒性，不利于人体健康。运用协作机器人后，操作人员只需将密封胶装入末端执行

器，由协作机器人自行控制喷嘴涂胶的压力和速度，以保证均匀无气泡地涂胶。操作人员在这种协作涂胶作业中只需做好协作机器人的示

教编程，检查涂胶质量并处理操作过程中的异常即可，不仅改善了操作人员的工作环境，而且也提升了生产效率和质量，使操作人员的工

作内容更具有针对性。

结论：

社会经济的快速发展，也为航空制造领域提出了新的要求，航空制造技术已经成为评定国家科学技术能力的重要标准，应用智能机器

人在航空制造之中是生产制造产业发展的必然趋势。协作机器人用于飞机结构装备、人机协作生产、自动测量检验等制造流程都取得了显

著的效果，伴随着协作机器人的进一步发展，航空制造也将全面步入智能化时代。

参考文献：

[1]曹巍，张金，李佳骏.协作机器人在飞机结构装配中的应用综述[J].今日制造与升级，2020（07）：34-35.

[2]吴丹，赵安安，陈恳，等.协作机器人及其在航空制造中的应用综述[J].航空制造技术，2019，62（10）：24-34.