机器人系统在美国防部制造与装备保障中的应用简析_尤晨宇.pdf

19AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2 机器人系统在美国防部制造与装备保障中的应用简析近几年，随着民用机器人系统技术的快速发展与广泛应用，美国防部采取一系列措施希望加速推进机器人系统在其装备制造与装备保障中的应用，以应对其军内工业基础面临的挑战，改善其制造与装备保障的效率、质量和安全。本文以“机器人系统在美国防部制造与装备保障中的应用”为中心，分析了其应用背景、应用现状和推进举措，并提出了几点认识。经过多年的发展，机器人系统在民用领域应用已非常成熟，在军事领域的应用也在不断扩展，辅以人机交互、机器学习等先进技术的不断突破，机器人系统也愈加灵活、精确和智能，并正在逐步取代人类，投入到高重复性、高劳动强度和危险环境下的工作任务中，极大提升了工作效率、工作质量和安全性。为进一步强化机器人系统在军内工业基础1中的应用，美国防部发布5000.94 机器人系统在国防部制造与装备保障中的应用指示，旨在提升美军制造与装备保障的效率和效能。1 美军推进机器人系统应用的背景当前，机器人系统在民用领域的应用已取得诸多进展，而美军军内工业基础在基础设施、供应链、维修保障等方面仍面临严峻挑战，迫切需要利用机器人系统等先进技术和手段，提升军内制造与保障能力。1.1 机器人系统在民用领域取得广泛Analysis on the Application of Robotic Systems in Defense Manufacturing and Sustainment across U.S.DOD 尤晨宇 刘亚威/航空工业信息中心应用工业部门为提高产量、缓解劳动力短缺带来的困境，投入了大量资源研制和推广机器人系统，并在诸多方面取得可观效益。目前，工业部门生产流水线通过广泛应用焊接机器人、装配机器人、材料搬运机器人、检测机器人、喷涂机器人等多类型机器人系统，已基本实现自动化运行，大幅提升了工业部门的生产效力和产品质量安全。近年来，美国防部一直强调学习工业界的“最佳实践”，工业部门在机器人系统应用方面取得的成效已引起美国防部的广泛关注。1.2 军内工业基础面临严峻挑战美国防部认为军内工业基础是装备部署后维持装备性能和可靠性、满足作战人员需求的重要力量。目前，美国防部军内工业基础饱受新冠疫情影响，并且面临基础设施和设备老化、供应链不稳定、新旧装备保障要求不平衡等问题与挑战，亟需采取措施对军内工业基础进行现代化改进。在军内工业基础中引入和应用机器人系统、增材制造等先进技术和手段，是美国防部军内工业基础现代化的重要举措之一。1.3 迫切需要利用机器人系统提升制造与装备保障效能目前，美国防部装备维修面临维修任务量大、维修效率低、维修环境恶劣等挑战，导致维修任务积压、维修人员安全与健康面临威胁，从而影响了装备的战备完好性。机器人系统可以承担重复性高、劳动强度大和环境险恶的制造与装备保障任务，有助于解决美国防部面临的维修挑战，提高制造与装备保障的生产效力、质量和安全性。此外，当前机器人系统研制与应用门槛较低，美国防部各军种及基地自行开展机器人系统的研制和应用，缺乏顶层的统筹规划与管理，易造成国防部资源的浪费。2 机器人系统在美军制造与装备保障中的应用现状目前，美军在军内制造与装备保障中已广泛利用搬运机器人、焊接机器人、1 军内工业基础(organic industrial base,OIB)是美国防部监管的国有工业设施的统称,是美国国防工业基础的子集。美军内工业基础的主要任务包括两方面:一是武装部队使用的常规弹药的生产、储存和处置；二是武器装备和防御设备的维护、大修和修理。其主要包括各军种大修基地、造船厂、舰队战备中心、空军后勤中心以及军火库。DOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.02.009 20航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2喷涂/除漆机器人、故障检测机器人、维修机器人等多种机器人系统，开展了军内装备制造、维护、检测、修理等任务。其中美空军应用效果显著，2021 年美国罗宾斯空军基地第 402 维修大队已应用35 种机器人执行 22 类计划型维修任务；2022 年 9 月，该基地又启动了基于人工智能的多用途机器人开发工作，提升该基地紧固件拆卸效率。2.1 在军内制造中应用情况当前美军应用机器人系统主要是在军内造船厂、弹药库中代替或辅助人员参与制造过程中单调、笨重、重复性高的工作，以此提高制造效率、质量和安全。2021 年 8 月，美国陆军支持英国BAE 系统公司，开发出了自适应高能埋弧焊机器人敏捷制造系统，该焊接系统集成了大容量多轴定位系统、多机器人末端执行器、柔性夹具以及传感器套件，可用于大型铝合金车体自动化焊接，替代传统手工作业，提升焊接效率与质量。该焊接单元已成功用于陆军的自行榴弹炮、弹药补给车以及多用途装甲车铝合金车体焊接。2.2 在装备保障中应用情况在装备维护方面，通过无人系统或配备多功能末端的自主移动机器人系统，开展装备清洗、检查等工作。例如，2021 年 5 月美空军研制了一款新型机械臂，可以代替 4 名维护人员开展 F-16战斗机的清洗维护，将维护时间从 6 小时缩短至 1 小时，并避免了维护人员暴露在化学药剂环境中。在装备故障检测方面，配备声像设备及传感器的机器人系统，可在装备保障人员难以作业的情况下开展装备故障检测工作，辅助人员快速开展故障检测与定位。例如，2022 年 9 月美空军研究实验室展示了其研制的自适应天线罩故障诊断机器人系统，该机器人系统可扫描雷达天线罩的局部电磁响应，识别其故障与缺陷，该系统的工作效率比手动快 4 倍左右。在装备修理方面，一方面以灵巧机械臂为代表的机器人系统，可代替装备保障人员开展危险、困难的装备维修工作;另一方面，以微型机器人为代表的机器人系统，可在确定装备故障后，立即就位开展装备维修工作，消除故障，但微型修理机器人成熟度等级仍然较低。2022 年 10 月，美空军快速保障办公室发布消息称，空军正在使用集成激光剥离工具的先进机器人系统，自动开展飞机褪漆工作，将有效提升褪漆效率和质量。3 美军促进机器人系统应用的主要举措为了以最低成本实现机器人系统应用效益最大化，美国防部于 2022 年 3月发布 5000.94机器人系统在国防部制造与装备保障中的应用指示，作为顶层政策进一步推动机器人系统在国防制造与装备保障领域的应用。美国防部在统筹、规范和推进机器人系统应用方面提出 5 项措施。1）明确美国防部各部门推进机器人系统应用的职责。美国防部围绕机器人系统应用，明确了相关职责：国防部采办与保障副部长负责制定在国防部制造与装备保障中应用机器人系统的相关政策，并监督政策落实；国防部研究与工程副部长负责基于国防部政策、指南和程序，支持机器人系统的研发和使用；国防部各部门负责在装备全寿期内，针对装备解决方案制定机器人系统和自动化相关的政策、指南和计划，包括应用机器人系统支持应急或作战环境中的装备维护与保障等；参联会主席负责围绕机器人系统与武器系统的早期集成，对相关能力的开发提供指导。2）视情优先在国防部制造与装备保障中应用机器人系统。美国防部要求：在确定采用机器人系统和自动化技术能够提高生产力、改进质量和安全性或减小环境影响时，要优先在制造与装备保障中使用机器人系统；将机器人系统纳入整个采办程序中，并考虑机器人系统可能对武器装备设计、提升工业基础能力以及保持技术能力的影响，以支持制造与装备保障；加强国防部各部门与工业界的协作，鼓励在国防供应链中应用机器人系统和自动化技术，并利用政府、工业界和学术界的专业知识建立一个有能力、有韧性的基于机器人系统的供应链。3）统筹规范机器人系统的研制和应用。美国防部要求：使用系统工程方法，从整体上确定应用机器人系统所需的资源，基于完善的系统安全工程引入机器人系统，确保网络韧性和网络安全考虑得以在机器人系统寿命周期中落实；设立军内机器人技术联合开发组织，以开展军内协作并共享机器人系统相关知识与最佳实践；为确保高效费比加速机器人系统的部署和应用，要确保国防部内在制造与装备保障中对机器人系统应用的一致性，确保在适用情况下使用标准化或可互操作的机器人系统，并尽可能使用通用机器人系统标准、规范和技术方法；要求国防部为先进机器人系统和相关技术的研发提供资源等。4)并行开展机器人系统应用支持工作。美国防部要求：为国防部相关人员（包括管理人员、设计人员、操作人员、维护人员和采购人员等）提供教育、培训及资格认证；为机器人系统的应用建立并维持安全且可互操作的数字化和网络物理基础设施，识别机器人的操作系统在生产时存在的网络安全风险,并采取保护措施；建立并维持一个健壮的供应链，为整个国防工业基础的机器人系统提供支持；确保联合规划人员提前考虑了机器人系统的维护保障需求；确保专 稿 FEATURES 21AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2能够获取并访问支持机器人系统使用和维护所需的知识产权和数据权；在机器人系统使用寿命结束时应建立处置和重复使用策略等。5)促进军民机器人系统的协同发展。美国防部要求：鼓励工业界发展可用于装备保障的机器人技术，并与国防部进行分享；要求国防部尽可能使用商用现货技术，推动跨政府部门、工业界、学术界及其他政府机构和联盟合作共享技术、人员、软件和使用“最佳实践”；鼓励国防部与工业界、学术界合作开发机器人系统标准规范；利用前沿技术开发支持新机器人系统能力的研制与转化；鼓励应用“工业日”或“技术会议”等活动吸引软硬件供应商参与国防项目；简化资金审批流程，以灵活的合同签订机制为先进机器人系统提供资源。4 几点认识机器人系统在制造与装备保障领域有广阔的应用前景和可观的应用效益，美军正在通过加强顶层统筹，加速推进机器人系统的发展与应用。4.1 美国防部通过促进前沿技术应用，提升其军内工业基础能力高韧性的军内工业基础是确保国家军事能力的重要组成部分。为确保建立韧性且能及时响应需求的军内工业基础，美国防部制定了军内工业基础加强策略和计划，以现代化基础设施和设备，确保国防部各基地有效满足战备完好性和装备可用性的目标。5000.94 指示是国防部采办与保障办公室发布的首个用于加强国防部军内工业基础的指示文件，其意在加强国防部大修基地、武器库和造船厂的机器人系统应用，提高制造与装备保障效率和质量、节省人力成本并提升人员安全性，优化军内制造与装备保障的生产力，提升军内工业基础的韧性。4.2 美国防部通过统筹和规范机器人系统应用，以较低成本最大化机器人系统应用优势近几年，面向美国防制造和装备保障应用需求的机器人系统快速发展，应用范围不断扩大。美国防部对国防部内机器人系统的发展应用从顶层进行了统筹、规范和协调，有助于避免国防部内机器人系统“野蛮”发展，减少资源浪费；就机器人系统标准规范的应用与制定（统标统型）、人才队伍培训、技术数据管理等配套机制建设提出了相关要求，为开展相关工作提供了指导和依据；同时要求并行开展相关支撑工作，并对美国防部机器人系统的相关人才培训与资格认证、网络物理基础设施建设、网络安全保护以及机器人系统维护保障等工作进行了系统性安排，确保机器人系统在应用于制造与装备保障过程中快速、持续生成能力。4.3 美国防部强调借助民用能力，提升装备制造与保障能力当前，多种民用前沿技术的发展和应用要快于军事领域，美军为更好地利用民用科研生产力量、技术和标准，在其顶层政策中明确提出支持国防部参与民间与机器人系统相关的科研、标准制定等活动，并鼓励采用“工业日”“技术会议”“技术竞赛”等形式吸引民用先进机器人系统技术参与国防项目，以此借用民用技术优势提升国防部的机器人系统能力水平，促进军民机器人系统相关技术协调发展。航空维修与工程是由中国航空工业集团有限公司主管，中航出版传媒有限责任公司主办和出版的科技期刊。国内统一连续出版物号：CN11-4912/V；国际标准刊号：ISSN1672-0989。本刊为月刊，每月 20 日出版