自上世紀五六十年代以來, 機械臂被發(fā)明并逐漸應用到工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療輔助、空間技術等領域，機械臂的應用發(fā)展經(jīng)歷多個階段,，第一階段是上世紀五六十年代，機械臂首次被提出并應用在汽車工業(yè)方面, 是基于數(shù)控技術的末端工具與機械手臂的結合, 缺乏檢測環(huán)境信息的工具, 僅能執(zhí)行點對點的操作任務。第二階段是上世紀七十年代，許多先進的傳感設備集成到機械臂中，如視覺、力、力矩等，這使機械臂能夠對環(huán)境做出反應；此外可編程邏輯控制器被應用到機械臂編程中，這大大降低了復雜任務的編程難度。第三階段是上世紀八九十年代，機械臂配置專有的控制器并開發(fā)新的編程語言，這使得機械臂能夠快速適應不同領域的任務，大大增強機械臂的通用性。第四階段是二十世紀初至今，人工智能在機械臂領域不斷發(fā)展，更強大的計算機使得機械臂不僅能夠處理數(shù)據(jù)，還可以進行推理和學習，此外協(xié)作機器人也在這一階段被提出。機械臂起源于工業(yè)應用，在工業(yè)中的應用也最廣泛。根據(jù)《中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告 (2022 年)》的統(tǒng)計， 預計 2022 年中國機器人市場規(guī)模為 174億美元, 占全球市場的 34%, 其中工業(yè)機器人市場87 億美元, 位居中國機器人市場首位。根據(jù)億歐智庫的報告, 工業(yè)機器人主要應用在家電、汽車、金屬加工和機械、塑料和化學產(chǎn)品、食品等制造業(yè)。在中國工業(yè)機器人市場中, 電氣電子設備和器材制造、汽車制造業(yè)約占機器人應用的“半壁江山”。復材產(chǎn)品制造屬于塑料和化學產(chǎn)品制造業(yè), 全球市場中,工業(yè)機器人在該領域的應用僅占總規(guī)模的 5%, 中國市場中, 因市場規(guī)模太小故未單獨統(tǒng)計。將機械臂引入復材產(chǎn)品制造領域, 不僅能夠有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量, 也將成為機器人市場發(fā)展的新增長點.復材產(chǎn)品制造領域的機械臂應用主要有以下兩種形式: 一是使用機械臂的拾取和放置操作鋪放復合材料, 因復合材料是以片狀形式直接覆蓋在模具表面, 再使用按壓等操作來使其緊密貼合, 故稱其為鋪片; 二是在自動鋪帶 (Automated tape laying,ATL) 和自動纖維鋪放 (Automated fiber place-ment, AFP) 中使用機械臂, 因復合材料是以帶狀或絲狀形式連續(xù)給進鋪放在模具表面, 故稱其為鋪帶 (絲)。

在復材產(chǎn)品制造時, 因復合材料一般是柔軟且具有粘性的, 同時需要滿足制造時加熱、制造后無損檢測等工藝要求, 使得復材產(chǎn)品制造中的機械臂應用與其他工業(yè)場景應用既有相同特點, 又有明顯不同。表 1 為機械臂在傳統(tǒng)工業(yè)場景和復材產(chǎn)品制造場景應用特點對比。機械臂應用廣泛, 許多科研工作者對機械臂的應用和研究進行綜述, 主要分兩方面進行: 一是按照行業(yè)類別進行調(diào)研；二是針對機械臂中應用的單一技術進行調(diào)研, 視覺伺服是機械臂增強操作能力的重要基礎。

簡單了解復材產(chǎn)品制造工藝, 這是機械臂應用和研究的基礎。復合材料自被開發(fā)以來，復材產(chǎn)品的制造一直都是科研人員十分關注的研究領域, 已開發(fā)出多種成型工藝, 如手糊成型、樹脂傳遞模塑、自動鋪帶和自動纖維鋪放等。下面將簡單介紹上述制造工藝, 剖析其中涉及機械臂應用的主要環(huán)節(jié)

2.1 手糊成型

手糊成型是最早使用的復材產(chǎn)品制造工藝. 工人首先將已預浸漬樹脂的纖維材料轉移至切割平臺, 經(jīng)切割后運送至操作臺, 使用定制的工具進行按壓等操作使其緊密貼合在模具表面, 隨后將其轉移至高壓釜內(nèi)進行高溫固化, 形成預制件.手糊成型是一項勞動密集型工作, 其所有工作均是由人工完成。經(jīng)過自動化改造后, 可由機械臂完成復合材料轉移至模具表面和按壓緊密貼合表面的工序, 這即是本文定義的鋪片操作中的一種形式。

2.2 樹脂傳遞模塑

與手糊成型使用預浸料不同, 樹脂傳遞模塑一般使用干纖維。干纖維經(jīng)切割后被轉移至兩個匹配的模具腔內(nèi), 達到產(chǎn)品所需厚度后, 即可在高壓作用下注入樹脂進行固化, 形成預制件。在生產(chǎn)中使用機械臂取放操作將干纖維堆疊在模具腔內(nèi)是一種能夠提高生產(chǎn)效率的方式, 這即是本文所定義的鋪片操作的另一種形式。

2.3 自動鋪帶和自動纖維鋪放

自動纖維鋪放是在自動鋪帶的基礎上發(fā)展而來的, 自動鋪帶于上世紀七十年代被提出, 而自動纖維鋪放則于上世紀八十年代末進入工業(yè)應用。它們具有一定的相似性, 但也有明顯的不同。它們均使用預浸料作為鋪放材料, 預浸料被卷成輥筒形狀安裝在鋪放頭上, 經(jīng)過導向、切割、加熱等步驟, 經(jīng)由壓實模塊作用鋪放在模具上, 切割模塊工作以截斷預浸料。鋪放完成后再經(jīng)過高壓釜固化形成預制件。自動鋪帶和自動纖維鋪放的主要區(qū)別是: 自動鋪帶常鋪放寬度為 75 mm、150 mm 和 300 mm的帶離型紙的單向預浸帶, 自動纖維鋪放可同時鋪

放多條寬度為 3 ~ 25 mm 的窄絲束且每條絲束能夠被單獨切割、重送。自動纖維鋪放相比自動鋪帶能夠更好適應曲率更大表面的制造。

圖 2 所示為上述 4 種復材產(chǎn)品制造工藝的簡易生產(chǎn)流程圖, 由虛線所框出的工藝階段即是本文重點討論的鋪片和鋪帶 (絲) 操作。鋪片和鋪帶 (絲) 的主要區(qū)別是: 鋪片動作主要由機械臂取放操作完成, 搭配合適的末端工具, 能夠鋪放雙曲率或曲率較大的復雜幾何構件且生產(chǎn)成本低, 主要缺點是鋪放效率不高。鋪帶 (絲) 操作主要依靠結構嚴謹?shù)匿伔拍┒送瓿? 一般用于鋪放單曲率或曲率較小的簡單幾何構件且鋪放速率高、產(chǎn)品質量好, 主要缺點是系統(tǒng)造價高, 單位成本隨同一產(chǎn)品產(chǎn)量提升而降低, 不適合個性化少量生產(chǎn)。目前關于復材產(chǎn)品的自動化制造只是針對單個工藝或生產(chǎn)流程的自動化, 還不能實現(xiàn)整個制造流程的自動化。雖然如此, 但機械臂在生產(chǎn)過程中已經(jīng)解決了較為關鍵的工藝環(huán)節(jié), 進一步剖析機械臂所發(fā)揮作用并總結機械臂應用的經(jīng)驗, 能夠指導我們構建多機器人系統(tǒng)以協(xié)同完成整個復材產(chǎn)品制造流程。

3 機械臂鋪片制造方法

即將預浸漬的或干的編織纖維片無縫隙地直接鋪放在模具上, 根據(jù)所鋪放“片材”占模具表面積大小的比例, 可以劃分為以下三類主要形式:一是鋪放大型片材, 即所鋪放片材與模具表面積大致相當，如圖 3(a) 所示。手糊成型一般采用此種形式, 將手糊成型直接進行自動化改造, 需要使用機械臂取放操作完成片材的轉移和懸垂操作,即將片材拾取移動并覆蓋到模具上, 對其進行剪切、拉伸和平滑等操作, 使其與模具充分接觸, 并且不出現(xiàn)氣泡、褶皺等缺陷。二是鋪放中型條狀片材, 即每次鋪放的片材占表面積中等比例, 如圖 3(b) 所示。操作中型條狀片材一般需要雙機械臂協(xié)作, 根據(jù)模具的表面形狀, 從卷材上切割出條狀片材, 使用兩個機械臂夾持以提供張力, 一個機械臂進行懸垂操作。使用條狀長片材進行鋪放能夠提升鋪放效率, 達到與ATL、AFP 相當?shù)匿伔判是揖哂械统杀镜膬?yōu)勢,并能夠制造復雜幾何構件。三是鋪放小型片材, 即每次鋪放的片材僅占模具表面積較小比例, 如圖 3(c) 所示, 這是將纖維短切成小型片材后再進行鋪放的工藝。該工藝最初由EADS Innovation Works 與自動化公司 Manz 于2008 年合作發(fā)明, 專門用于制造具有復雜幾何結構的復材產(chǎn)品，從纖維卷材中切割出貼片, 經(jīng)過檢測、加熱等工序, 使用機械臂拾取片材, 并將其按壓粘貼在模具表面上。貼片纖維形狀短小, 模具形狀復雜多變, 需要通過纖維的拼接組成產(chǎn)品機械性能的基礎, 同時由于使用的預浸材具有粘性, 該鋪放系統(tǒng)需解決的關鍵問題是: 合理設計貼片纖維的拼接規(guī)劃, 并解決末端結構與片材間的粘結問題。

此外, 定制纖維鋪放也是一種能夠制造復雜幾何構件的工藝, 其利用三維增材構造原理, 纖維以指定路徑縫合在基材上, 再進行樹脂浸漬和固化后形成構件。可以用于制造三維復雜構件, 也可用于構件的局部加強， 目前工業(yè)上常使用縫紉機進行干纖維的縫合, 具有成本昂貴的缺點, 開發(fā)一種使用機械臂進行縫制的生產(chǎn)方式能使定制纖維鋪放得到進一步推廣和應用。

4 機械臂鋪帶 (絲) 制造方法

本節(jié)介紹機械臂鋪帶 (絲) 制造方法, 即自動鋪帶和自動纖維鋪放系統(tǒng), 采用連續(xù)給進方式鋪放帶狀預浸材或絲狀預浸材，鋪放時機械臂末端帶動定制的鋪放頭進行鋪放作業(yè)。自動鋪帶和自動纖維鋪放作業(yè)的主要流程是:自動鋪帶作業(yè)時, 機械臂接收到鋪放指令, 鋪帶頭調(diào)整到合適位姿, 鋪帶頭中各模塊開始工作, 保持鋪放作業(yè)中預浸帶的傳輸速度、張力、壓實力和溫度的穩(wěn)定, 鋪放結束前, 鋪帶頭內(nèi)部模塊切斷復合材料, 機械臂運動到目標點時, 鋪帶頭停止作業(yè), 同時機械臂將鋪放頭沿模具法向抬升, 并移動到后續(xù)鋪帶起點。自動纖維鋪放作業(yè)時, 與鋪帶作業(yè)流程基本一致, 但應考慮對各路纖維絲束的精確控制, 使其能夠合理排布, 滿足構件結構設計的要求.自動鋪帶最早是為航空航天產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需要提出的, 經(jīng)改進后成為自動纖維鋪放, 自動鋪帶鋪放速率高, 自動纖維鋪放可以制造曲率稍大的構件,目前均得到大范圍推廣和應用。由于所制造的航空航天產(chǎn)業(yè)部件通常尺寸較大, 故龍門架形式的鋪放設備最為常用, 對于筒形體構件, 可使用臥式龍門架。近年來, 機械臂平臺式的鋪放設備由于成本低、自由度高且易于更換模塊化鋪放頭等優(yōu)勢, 在工業(yè)生產(chǎn)中的應用逐漸增多。

5 未來發(fā)展趨勢

根據(jù)上述調(diào)研情況, 本文認為機械臂及其智能化應用在復材制造領域還有許多可以發(fā)展的空間,主要集中在以下方面:

1) 機械臂應用場景的進一步擴展

復材產(chǎn)品制造是一個多工序工作, 目前針對該工序的自動化改造僅是針對其中一個環(huán)節(jié)進行研究的，沒有形成整體的自動化制造場景。本文只對機械臂在復合材料鋪放場景中的應用做調(diào)研和回顧。分析復材產(chǎn)品制造的工序, 可以找到多個潛在的機械臂應用場景,如機械臂鋪片制造方法中, 使用機械臂清洗模具、袋裝密封、搬運預制件、脫模等; 在機械臂鋪帶(絲) 制造方法中, 使用帶有視覺設備的機械臂掃描構件進行缺陷檢測等。將機械臂應用引入上述場景中, 對于一些簡單的工作, 如模具清洗、搬運、掃描等, 可以考慮直接應用機械臂, 對于復雜度較高的工作, 如袋裝密封需要操作柔軟材料、脫模需要考慮多機協(xié)作和力控應用, 則應從人機協(xié)作角度考慮,先減少人類的工作負擔, 進而實現(xiàn)全自動化。此外,對于檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進行處理, 目前常采用人工介入處理方式, 自動化缺陷處理技術研究仍比較空白,使用一些較為簡單的缺陷處理操作, 如鋪片制造中對氣泡進行再次懸垂、鋪帶 (絲) 制造中對間隙進行補充鋪放等, 也是未來的發(fā)展和應用方向之一.

在復材產(chǎn)品制造工序之外, 基于多機械臂協(xié)同配合操作提出無模具成型方法, 也是未來簡化復材產(chǎn)品制造工序、提升機械臂應用潛力的發(fā)展方向之一。

2) 機械臂控制軟件的進一步發(fā)展

目前復材產(chǎn)品制造領域的控制軟件問題主要集中在仿真與控制之間的過渡、不同品牌之間的轉化等,即, 進行軌跡規(guī)劃和仿真后如何快速轉化為機器人控制代碼, 如何在不同機械臂品牌之間轉換控制代碼等。此外, 遠期還應考慮復材產(chǎn)品制造多工序場景下各工序協(xié)作的控制軟件或系統(tǒng)。控制軟件的進一步發(fā)展有以下幾個方面: 優(yōu)化軌跡規(guī)劃算法, 能夠更便捷地生成針對大曲率構件的鋪放軌跡以及能夠自動生成機械臂取放操作中的懸垂軌跡; 機械臂生產(chǎn)商提供的編程軟件中, 應考慮集成面向復材產(chǎn)品制造領域的軌跡規(guī)劃及仿真模塊, 提高機械臂編程軟件在仿真和模擬中的精度; 同時由于各機械臂制造商已形成獨特的控制編程語言, 有必要應用ROS 操作系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制的轉化。

3) 多機械臂的協(xié)同作業(yè)研究

機械臂鋪片制造方法由于需要操作片材, 多機械臂協(xié)同是必要的,如機械臂鋪片制造方法中德國宇航中心的雙臂協(xié)作鋪放系統(tǒng)、斯圖加特大學“Low Flip”項目實現(xiàn)與自動纖維鋪放相當?shù)匿伔判实取C械臂鋪帶 (絲) 制造方法中, 實現(xiàn)多機同時鋪放、鋪放與檢測同步進行等也有助于提高生產(chǎn)效率。此外, 引入機械臂以實現(xiàn)復材產(chǎn)品制造的全流程自動化鋪放也是多機械臂協(xié)同作業(yè)的場景之一。多機械臂協(xié)同作業(yè)的研究可以從機械臂功能多樣化和多機械臂并行工作研究著手。機械臂功能多樣化, 即, 對機械臂鋪片制造方法進行任務分配, 進一步優(yōu)化機械臂拾取、懸垂、夾持功能, 實現(xiàn)大曲率構件的快速制造, 同時支持小批量、多品種快速制造。多機械臂并行工作, 即, 在機械臂鋪帶 (絲) 制造方法中, 對于鋪放作業(yè)量大的工作, 劃分工作區(qū)域, 并行鋪放, 同時支持構件的局部加強、不同復合材料的使用, 實現(xiàn)構件的機械性能和鋪放效率同步提升。

4) 智能化方法的進一步應用

雖然復材產(chǎn)品制造領域仍然處于自動化或半自動化階段, 但智能化方法在其中應用前景廣泛, 在一些自動化比較成熟的工序中應用智能化方法能夠進一步推動科學研究、提高生產(chǎn)質量。目前智能化方法應用的主要表現(xiàn)為缺陷檢測中使用計算機視覺方法, 這方面的發(fā)展方向是使用工藝參數(shù)實時監(jiān)控, 建立鋪放參數(shù)與故障類型之間的關系模型, 提前預測缺陷形成并調(diào)整工藝進行消除。其他方面的智能化方法應用還可以從以下幾個方面考慮: 將計算機視覺技術拓展應用到復材產(chǎn)品制造場景, 如采取基于 3D 視覺的位姿估計方法進行片材與模具的位置匹配和基于計算機視覺建立數(shù)字孿生系統(tǒng)預測構件性能；將人機技能傳遞、智能規(guī)劃等技術引入以提升系統(tǒng)智能水平, 如使用規(guī)劃領域定義語言進行系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度, 使用模仿學習、強化學習 等方法將人類鋪層技能傳遞給機器人.