軟體技術(shù)在機(jī)器人化制造中的應(yīng)用與展望

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)大型結(jié)構(gòu)件（如百米級(jí)風(fēng)電葉片等）的需求日益增長(zhǎng)，然而傳統(tǒng)專機(jī)難以在超大空間內(nèi)對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行高效、連續(xù)加工來滿足實(shí)際需求。而機(jī)器人化制造憑借其分布式、集群式、在線式加工策略成為解決上述問題的優(yōu)選方案。與此同時(shí)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適形性低、容易對(duì)工件造成破壞、加工-檢測(cè)一體化難等問題也成為制造工序中的巨大挑戰(zhàn)。軟體技術(shù)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，已經(jīng)呈現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用潛力，通過引入柔性材料、柔性結(jié)構(gòu)和柔性驅(qū)動(dòng)模式，賦予機(jī)器人化制造系統(tǒng)全新的優(yōu)勢(shì)，使之更加輕量化、柔順化、無損化、一體化。

近日，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院丁漢院士、吳志剛教授團(tuán)隊(duì)在《機(jī)器人》上發(fā)表了題為“軟體技術(shù)在機(jī)器人化制造中的應(yīng)用與展望”的綜述。本文首次系統(tǒng)地討論了軟體技術(shù)在機(jī)器人化制造中的應(yīng)用前景與優(yōu)勢(shì)。文中將機(jī)器人化制造劃分為機(jī)器人化加工、機(jī)器人化檢測(cè)和機(jī)器人化裝配三個(gè)流程，并分別討論了變剛度機(jī)制、柔性傳感器及軟體賦能夾持器在其中的應(yīng)用前景。文章最后分析了軟體技術(shù)還未能大規(guī)模在機(jī)器人化加工中應(yīng)用的幾點(diǎn)原因，并對(duì)其發(fā)展做出了展望。

圖1 機(jī)器人化制造與軟體技術(shù)

軟體技術(shù)在機(jī)器人化加工中的應(yīng)用：

機(jī)器人化加工方案中，最重要的是實(shí)現(xiàn)適形恒力加工，阻抗控制法是最傳統(tǒng)的方法，但是這種方法復(fù)雜度高，且會(huì)給機(jī)器人關(guān)節(jié)引入額外的高負(fù)載。經(jīng)典的軟體變剛度機(jī)制有如下四種：阻塞變剛度機(jī)制、磁流變液體變剛度機(jī)制、低熔點(diǎn)合金變剛度機(jī)制與形狀記憶材料變剛度機(jī)制。引入這些機(jī)制可以降低變剛度關(guān)節(jié)的復(fù)雜度、提高變剛度速度、實(shí)現(xiàn)無感化加工、賦予機(jī)器人化加工工具本體變剛度特性。

圖2 軟體變剛度機(jī)制

軟體技術(shù)在機(jī)器人化檢測(cè)中的應(yīng)用：

自身感知和交互感知是機(jī)器人化檢測(cè)中關(guān)鍵的信息來源，保證了系統(tǒng)的閉環(huán)和穩(wěn)定性。柔性傳感器由于其具備多種優(yōu)良的性質(zhì)，如體積小、重量輕、柔順性好、可拉伸性好、無感度強(qiáng)、功耗低、檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單等，已被廣泛應(yīng)用在可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人感知裝置、智能蒙皮中。將柔性傳感器與機(jī)器人化檢測(cè)有機(jī)地融合在一起，會(huì)賦予機(jī)器人系統(tǒng)無感式檢測(cè)、順應(yīng)性檢測(cè)、原位在線檢測(cè)、低功耗檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。

圖3 柔性傳感器

軟體技術(shù)在機(jī)器人化裝配中的應(yīng)用：

在機(jī)器人化裝配場(chǎng)景中，剛性?shī)A持器還存在許多問題，比如適應(yīng)性差、容易對(duì)工件產(chǎn)生破壞、靈活性低、對(duì)算法和傳感器設(shè)備要求高等問題。

軟體夾持器的適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高、靈活性高并且對(duì)算法和傳感器設(shè)備要求較低，可以適應(yīng)裝配非結(jié)構(gòu)化與復(fù)雜化的工件裝配任務(wù)，但是其輸出力較低。

圖4 軟體夾持器

將軟體技術(shù)賦能于剛性系統(tǒng)中，可以使二者的優(yōu)勢(shì)在最大程度得到體現(xiàn)。賦能后的機(jī)器人化裝配系統(tǒng)將具備以下優(yōu)勢(shì)：豐富的操作策略、極寬的夾持范圍、多樣化的具身感知方式、更快的驅(qū)動(dòng)速度。

圖5 軟體賦能的剛?cè)釆A持器

綜合上述內(nèi)容，軟體技術(shù)在機(jī)器人化制造中的應(yīng)用已初具雛形，并且結(jié)合當(dāng)前以及未來的制造環(huán)境和需求，軟體技術(shù)在機(jī)器人化制造中還有巨大的應(yīng)用潛力，軟體技術(shù)也促進(jìn)了機(jī)器人制造系統(tǒng)向著 “人－機(jī)－環(huán)境”交互的共融機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展。

華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院研究生蒲萌浩為第一作者，華中科技大學(xué)吳志剛教授為論文通信作者，本文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：52188102）的支持。