當(dāng)前，我國對大型結(jié)構(gòu)件（如百米級風(fēng)電葉片等）的需求日益增長，然而傳統(tǒng)專機難以在超大空間內(nèi)對大型結(jié)構(gòu)件進行高效、連續(xù)加工來滿足實際需求。而機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，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適形性低、容易對工件造成破壞、加工-檢測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)作為一項新興的技術(shù)，已經(jīng)呈現(xiàn)出極強的應(yīng)用潛力，通過引入柔性材料、柔性結(jié)構(gòu)和柔性驅(qū)動模式，賦予機器人化制造系統(tǒng)全新的優(yōu)勢，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)機械學(xué)院丁漢院士、吳志剛教授團隊在《機器人》上發(fā)表了題為“軟體技術(shù)在機器人化制造中的應(yīng)用與展望”的綜述。本文首次系統(tǒng)地討論了軟體技術(shù)在機器人化制造中的應(yīng)用前景與優(yōu)勢。文中將機器人化制造劃分為機器人化加工、機器人化檢測和機器人化裝配三個流程，并分別討論了變剛度機制、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)模在機器人化加工中應(yīng)用的幾點原因，并對其發(fā)展做出了展望。

圖1 機器人化制造與軟體技術(shù)

軟體技術(shù)在機器人化加工中的應(yīng)用：

機器人化加工方案中，最重要的是實現(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，且會給機器人關(guān)節(jié)引入額外的高負載。經(jīng)典的軟體變剛度機制有如下四種：阻塞變剛度機制、磁流變液體變剛度機制、低熔點合金變剛度機制與形狀記憶材料變剛度機制。引入這些機制可以降低變剛度關(guān)節(jié)的復(fù)雜度、提高變剛度速度、實現(xiàn)無感化加工、賦予機器人化加工工具本體變剛度特性。

圖2 軟體變剛度機制

軟體技術(shù)在機器人化檢測中的應(yīng)用：

自身感知和交互感知是機器人化檢測中關(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、功耗低、檢測設(shè)備簡單等，已被廣泛應(yīng)用在可穿戴設(shè)備、軟體機器人感知裝置、智能蒙皮中。將柔性傳感器與機器人化檢測有機地融合在一起，會賦予機器人系統(tǒng)無感式檢測、順應(yīng)性檢測、原位在線檢測、低功耗檢測等優(yōu)勢。

圖3 柔性傳感器

軟體技術(shù)在機器人化裝配中的應(yīng)用：

在機器人化裝配場景中，剛性夾持器還存在許多問題，比如適應(yīng)性差、容易對工件產(chǎn)生破壞、靈活性低、對算法和傳感器設(shè)備要求高等問題。

軟體夾持器的適應(yīng)性強、安全性高、靈活性高并且對算法和傳感器設(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)勢在最大程度得到體現(xiàn)。賦能后的機器人化裝配系統(tǒng)將具備以下優(yōu)勢：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)在機器人化制造中還有巨大的應(yīng)用潛力，軟體技術(shù)也促進了機器人制造系統(tǒng)向著 “人－機－環(huán)境”交互的共融機器人系統(tǒng)發(fā)展。

華中科技大學(xué)機械學(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，本文得到了國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號：52188102）的支持。