精彩的“混搭”

施俊丹

近年來，機器人在航空制造領域的使用愈來愈普遍，其承擔的任務也愈來愈繁重。同時，與機器人配套的新技術也愈來愈復雜，3D打印、VR等新技術層出不窮。隨著機器人與這些新技術的結合越來越緊密，機器人的智能化水平得到明顯提高，在很大程度上改變了航空制造業的面貌。

機器人+3D打印

3D打印是一項前沿技術，目前正在大規模普及，已經在很多行業有成功應用的案例。航空工業作為高技術產業，自然也不例外，2017年5月首飛的C919大型客機上就有3D打印零部件的身影。C919機翼的主要承重部件——機翼中央椽條，以及前機身和中后機身登機門、服務門、前后貨艙門上使用的23個金屬部件，都來自3D打印。

2016年，空客推出了一款全3D打印的驗證飛機——Thor（雷神）。該飛機的非電子部分，如發動機、起落架等均采用綿綸制造。

3D打印技術的發展，離不開工業機器人。正是因為有不斷發展的機器人技術，才使得3D打印從理論走向現實、從傳統工業走進航空工業。

洛克希德·馬丁公司和美國機器人集成商Wolf Robotics合作，開發了一款驗證平臺，計劃通過不斷添加組件，進行迭代開發以增強其功能，以便更好地適應未來工廠的制造需求。平臺最近的形態是由兩臺縱向排列的ABB公司的機器人構成。

第一臺機器人用來進行3D打印，其機械臂前端有一根用來“吐珠子”的管子，可以連續釋放球狀高分子材料，鋪滿一層后繼續鋪上面一層，直到結構成型。

另一臺機器人是多功能的，其前端的工具更換系統可以切換三種功能，分別用來移除第一臺機器人在物件表面鋪放的多余材料，或者通過光學掃描裝置監測整個3D打印過程，還可以換上一個鉗子處理其他任務。利用這個鉗子，第二臺機器人可以抓起一臺體積更小的3D打印機，將它懸在第一臺機器人打印好的物件表面進行“精雕細琢”，仿佛是第二臺機器人的手臂延長了。

如果使用傳統設備進行上述3D打印工作，流程通常是串行的，先制造好，然后切削，再添加組件，如此循環往復。現在把機器人和3D打印結合在一起，利用強大的控制軟件，這些過程可以并行完成，有條不紊，效率大大提升。

利用特殊設計的機器人，而不是預定義的打印設備進行3D打印，可以快速開發出新的金屬零件，不需要增加額外的模具成本就可以進行設計更改，并且只有很低的初期制造成本，這些優點讓制造過程更加自由，浪費更少。

GE航空結合自身實踐，在這方面進行了積極探索。在其研發的先進螺旋槳發動機上，GE的設計師將855個獨立零件成功地減少為12個，發動機超過三分之一的部件都是3D打印的。

機器人+VR

除了能自動作業的機器人外，還有很多工業機器人需要操作者和機器同處一地進行操作。但隨著科技的快速發展，會不會有一天這些機器人可以實現遠程控制呢？

近期，在波音和美國國家自然基金會的資助下，麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）設計了一套利用Oculus Rift頭盔遠程操控機器人的VR系統。使用者待在安裝有多個視覺傳感器的控制室內，系統讓其感到仿佛置身于機器人的“頭”里。使用者做出手勢向機器人傳遞信息，機器人通過復制使用者的動作完成不同的任務，這套系統最終可以幫助人類遠距離管理機器人。

使用VR進行遠程操控，通常有兩種方法。一種是“直接”模式，使用者的視覺直接和機器人的狀態進行耦合，可以理解為“第一人稱視角”。但是，由于傳輸延遲等原因，有可能會導致使用者出現嘔心、頭痛等問題，使用者的視野也受限于機器人的視角，所獲取的信息較少。另一種是“數字-物理”模式，使用者和機器人相互獨立，轉而和一個虛擬形態的機器人及其所處的環境進行交互，可以理解為“第三人稱視角”。用戶不僅能看到機器人視野中的東西，還能對機器人本身進行觀察。但是，這種模式需要大量的傳感器以及更多的數據支持。

CSAIL設計的VR系統介于上述兩種模式之間。這項技術一旦成熟，在航空制造業中將有很好的發展前景。比如，它能很好地解決航空公司的定制涂裝問題，既能把工人從有毒的環境中解放出來，又能彌補自動機器人在噴涂不同圖案時存在的問題。

機器人+復合材料

波音在制造777X的機翼時，使用了自動纖維敷設機，這是用機器人處理復合材料的典型案例。其實，換一個角度來看，復合材料不僅可以為飛機部件減重，也可以為生產飛機部件的機器人減重。

2017年，英國謝菲爾德大學和波音共同創建的先進制造研究中心（AMRC）推出了世界上首個可重構的碳纖維復合材料機器人。這種機器人采用模塊化設計，結構簡單、重量輕，可以由兩個人輕松地拆卸并移動。

工業機器人的兩個重要指標是承載能力和精度，使用金屬材料去追求承載能力，勢必會增加機器人手臂等承力部件的重量，而重量增加帶來慣性增大，會拖累精度。為了維持精度，反過來又要增加一些補償結構。這樣一來，對機器人的制造工藝提出了很高的要求。

復合材料出現后，機器人的負載和自重比有了質的飛躍，能夠有效解決上述問題。碳纖維復合材料的抗拉強度一般都不少于3 500兆帕，是鋼材的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000兆帕，密度卻不到鋼材的四分之一，這種高承載能力和輕量化效果對工業機器人的操作精度有明顯改善。此外，由復合材料制成的機器人，其操作精度受環境溫度、濕度變化的影響也比金屬材料制成的機器人更小。