精彩的“混搭”

施俊丹

近年来，机器人在航空制造领域的使用愈来愈普遍，其承担的任务也愈来愈繁重。同时，与机器人配套的新技术也愈来愈复杂，3D打印、VR等新技术层出不穷。随着机器人与这些新技术的结合越来越紧密，机器人的智能化水平得到明显提高，在很大程度上改变了航空制造业的面貌。

机器人+3D打印

3D打印是一项前沿技术，目前正在大规模普及，已经在很多行业有成功应用的案例。航空工业作为高技术产业，自然也不例外，2017年5月首飞的C919大型客机上就有3D打印零部件的身影。C919机翼的主要承重部件——机翼中央椽条，以及前机身和中后机身登机门、服务门、前后货舱门上使用的23个金属部件，都来自3D打印。

2016年，空客推出了一款全3D打印的验证飞机——Thor（雷神）。该飞机的非电子部分，如发动机、起落架等均采用绵纶制造。

3D打印技术的发展，离不开工业机器人。正是因为有不断发展的机器人技术，才使得3D打印从理论走向现实、从传统工业走进航空工业。

洛克希德·马丁公司和美国机器人集成商Wolf Robotics合作，开发了一款验证平台，计划通过不断添加组件，进行迭代开发以增强其功能，以便更好地適应未来工厂的制造需求。平台最近的形态是由两台纵向排列的ABB公司的机器人构成。

第一台机器人用来进行3D打印，其机械臂前端有一根用来“吐珠子”的管子，可以连续释放球状高分子材料，铺满一层后继续铺上面一层，直到结构成型。

另一台机器人是多功能的，其前端的工具更换系统可以切换三种功能，分别用来移除第一台机器人在物件表面铺放的多余材料，或者通过光学扫描装置监测整个3D打印过程，还可以换上一个钳子处理其他任务。利用这个钳子，第二台机器人可以抓起一台体积更小的3D打印机，将它悬在第一台机器人打印好的物件表面进行“精雕细琢”，仿佛是第二台机器人的手臂延长了。

如果使用传统设备进行上述3D打印工作，流程通常是串行的，先制造好，然后切削，再添加组件，如此循环往复。现在把机器人和3D打印结合在一起，利用强大的控制软件，这些过程可以并行完成，有条不紊，效率大大提升。

利用特殊设计的机器人，而不是预定义的打印设备进行3D打印，可以快速开发出新的金属零件，不需要增加额外的模具成本就可以进行设计更改，并且只有很低的初期制造成本，这些优点让制造过程更加自由，浪费更少。

GE航空结合自身实践，在这方面进行了积极探索。在其研发的先进螺旋桨发动机上，GE的设计师将855个独立零件成功地减少为12个，发动机超过三分之一的部件都是3D打印的。

机器人+VR

除了能自动作业的机器人外，还有很多工业机器人需要操作者和机器同处一地进行操作。但随着科技的快速发展，会不会有一天这些机器人可以实现远程控制呢？

近期，在波音和美国国家自然基金会的资助下，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）设计了一套利用Oculus Rift头盔远程操控机器人的VR系统。使用者待在安装有多个视觉传感器的控制室内，系统让其感到仿佛置身于机器人的“头”里。使用者做出手势向机器人传递信息，机器人通过复制使用者的动作完成不同的任务，这套系统最终可以帮助人类远距离管理机器人。

使用VR进行远程操控，通常有两种方法。一种是“直接”模式，使用者的视觉直接和机器人的状态进行耦合，可以理解为“第一人称视角”。但是，由于传输延迟等原因，有可能会导致使用者出现呕心、头痛等问题，使用者的视野也受限于机器人的视角，所获取的信息较少。另一种是“数字-物理”模式，使用者和机器人相互独立，转而和一个虚拟形态的机器人及其所处的环境进行交互，可以理解为“第三人称视角”。用户不仅能看到机器人视野中的东西，还能对机器人本身进行观察。但是，这种模式需要大量的传感器以及更多的数据支持。

CSAIL设计的VR系统介于上述两种模式之间。这项技术一旦成熟，在航空制造业中将有很好的发展前景。比如，它能很好地解决航空公司的定制涂装问题，既能把工人从有毒的环境中解放出来，又能弥补自动机器人在喷涂不同图案时存在的问题。

机器人+复合材料

波音在制造777X的机翼时，使用了自动纤维敷设机，这是用机器人处理复合材料的典型案例。其实，换一个角度来看，复合材料不仅可以为飞机部件减重，也可以为生产飞机部件的机器人减重。

2017年，英国谢菲尔德大学和波音共同创建的先进制造研究中心（AMRC）推出了世界上首个可重构的碳纤维复合材料机器人。这种机器人采用模块化设计，结构简单、重量轻，可以由两个人轻松地拆卸并移动。

工业机器人的两个重要指标是承载能力和精度，使用金属材料去追求承载能力，势必会增加机器人手臂等承力部件的重量，而重量增加带来惯性增大，会拖累精度。为了维持精度，反过来又要增加一些补偿结构。这样一来，对机器人的制造工艺提出了很高的要求。

复合材料出现后，机器人的负载和自重比有了质的飞跃，能够有效解决上述问题。碳纤维复合材料的抗拉强度一般都不少于3 500兆帕，是钢材的7～9倍，抗拉弹性模量为23 000～43 000兆帕，密度却不到钢材的四分之一，这种高承载能力和轻量化效果对工业机器人的操作精度有明显改善。此外，由复合材料制成的机器人，其操作精度受环境温度、湿度变化的影响也比金属材料制成的机器人更小。