在风力涡轮机制造中使用数字孪生的自适应人机协作

用更聪明的帮手制造更大的涡轮

风力涡轮机正在变得异常巨大，一些海上机组现在的高度可与摩天大楼媲美。这些巨型设备能够提供廉价、清洁的电力，但组装它们仍然是艰苦的手工工作。本文探讨了工厂工人如何与新型机器人及其虚拟“孪生体”协作，更快、更安全地组装关键部件，并减少代价高昂的错误。

为什么巨型涡轮需要新型帮助

现代风力涡轮机变得更大、功率更高，因为更大的叶轮能从风中捕获更多能量。结果是更便宜的电力和更小的生命周期碳足迹。然而，制造支撑其顶部的巨大塔筒、叶片和轮舱在很大程度上仍依赖手工。工人必须在弯曲表面上提举、测量并装配长而沉重的部件，常常在狭窄或高处作业。频繁的设计变更使得传统的固定工业机器人不太适用，因为这些系统在重新编程上成本高昂并将制造商锁定在僵硬的布局中。与此同时，许多生产复杂涡轮部件的国家面临着劳动力老龄化和熟练工短缺的问题，这增加了在车间寻找支持人工的新途径的压力。

与人并肩工作的机器人，而不是取代人

作者关注的一类设备是协作机器人（cobot），设计用于与人共享工作空间，而不是被安全围栏隔离。与为单一狭窄任务设计的传统机器人不同，所提出的移动机器人助手将小型机械臂与轮式底座相结合，使其能够在工位间移动。该助手旨在处理重复且需要精度的工作，而人为则处理需要判断的任务，如检验和问题解决。为了使系统具备适应性而非单一用途，团队围绕模块化硬件——可在机器人手腕上更换的工具——以及可为新产品和任务重新配置的灵活软件设计系统。一个核心理念是人为主体地位不变，机器人像一名熟练的帮手，根据需要被重新分配到最需要的地方。

用虚拟孪生来设计和引导机器人

这项工作的一项关键创新是使用数字孪生：机器人、其工具以及将要装配的涡轮部件的高保真虚拟副本。工程师将涡轮设计从计算机辅助设计文件导入仿真软件，并在虚拟环境中对机器人进行编程以到达这些部件上的特定位置。在这个虚拟世界里，他们可以测试机械臂能否覆盖每个位置、调整路径以避免碰撞，并在构建或重新配置物理设备之前估算任务所需时间。数字孪生在运行期间保持与真实机器人的连接，使位置和运动可以双向交换。该连接便于微调系统、校正诸如激光指向等小偏差，并在涡轮设计改变时快速更新程序。

在复杂装配任务中的真实工厂测试

为演示该概念在实践中的效果，研究人员与一家领先的风机制造商合作，解决了一个具体瓶颈：在涡轮轮舱内的大型钢框架上安装数十个电缆托架。之前工人必须在弯曲表面上手工测量，深度感知困难且常引入小的放置误差，导致后续电缆长度不足。移动机器人助手配备了一个定制的3D打印工具，能固定多个激光单元。在数字孪生的引导下，机器人在钢框架上投射出细而明亮的线条，标出托架必须安装的精确位置和角度。站在平台上或框架内部的工人只需将每个托架与激光标记对齐，而不必反复测量。测试显示，该系统能将放置误差控制在几毫米左右，试验中消除了电缆长度问题，并将每个框架的装配时间从大约四十分钟缩短到约二十五分钟——减少约三分之一。

把控制权握在工人腕间

由于机器人在人员附近工作，工人与之互动的方式至关重要。团队试验了多种无线控制选项，包括手持遥控器和智能手机，发现智能手表在车间中效果最佳。其简洁的按键让操作员无需走到控制面板就能启动、暂停或将机器人移到下一个位置。后台由一个小型智能中继将这些按键操作转换为机器人控制器的信号。操作员反映，智能手表控制感觉自然、方便，整体流程也更高效，因为他们不再需要停下工作去测量或反复目视检查。系统设计为可在以后重新配置——例如通过自动换工具器——以在不需要用于托架时执行其他任务，如螺栓装配。

这对清洁能源制造意味着什么

研究得出结论：将人类工人与移动协作机器人及其数字孪生配对，可以更容易地制造推动清洁能源未来所需的超大型设备。该系统不是旨在取代人，而是将繁琐且易出错的步骤卸载出去，同时通过简单的可穿戴界面保持人对过程的控制。尽管仍面临若干挑战——如实现完全自主移动、改进基于视觉的校准以及满足严格的安全法规——该方法已被证明能够提高精度、减少劳动时间并为工人接受。随着涡轮持续增大、工厂寻求保持灵活性的途径，作者认为像这样的可适应机器人助手可能成为规模化可再生能源技术的关键组成部分。

引用: Malik, A.A., Masood, T. Adaptive human–robot collaboration in wind turbine manufacturing using digital twins. Sci Rep 16, 11205 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40576-6

关键词: 风力涡轮机制造, 协作机器人, 数字孪生, 人机交互, 柔性自动化