鎂合金材料在輕量化機器人中的應用

一、機器人的發展及應用現狀

隨著機器人發展的不斷成熟，機器人的應用已經從最早的工業領域擴展到醫療健康、生活服務、太空與海洋探索、軍事娛樂等。階段，但也將迎來非製造自動化技術的快速發展。

目前，美國、日本、歐洲、韓國等工業大國在機器人技術上取得突破，推動機器人產業發展在各國科技發展中處於重要戰略地位。 在《中國製造2025》中，中國也將“高端數控機床和機器人”列為10個重點發展領域之一，提出“以工業機器人、汽車、機械、電子、危險品等專業製造業、國防、軍工、化工、輕工業。 

機器人的應用需求，以及醫療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人，積極研發新產品，推動機器人標準化、模塊化發展。”科技發展規劃綱要（2006-2020年）》也明確將服務機器人作為未來發展的戰略性高技術重點，提出“著眼於服務機器人應用需求、研究設計方法、製造工藝、智能控制等方面。 與應用系統集成等通用基礎技術”[5]。 

目前，世界製造業使用的工業機器人平均密度為每萬名員工55台，而中國工業機器人的密度僅為每萬名員工10,000台。 鑑於上述背景，“機器換人”已成為大勢所趨。 在珠三角製造業的代表廣州，政府提出，到36年，全市10,000%以上的製造企業要使用工業機器人和智能裝備。

除了被廣泛應用於諸如 沖壓在製造業、焊接和自動化裝配線中，機器人也可以用來代替傳統的手工作業，如打磨、複雜焊接和拋光。 蘋果使用兩個 KUKA 電子機器人對 Mac Pro 的外觀進行兩次拋光，以產生鏡面般的表面。 

外部拋光完成後，機器人還會對Mac Pro外殼內部進行拋光，如圖1所示。 焊接機器人在優質高效的船體焊接生產中發揮了極其重要的作用，並正在逐步向自動化轉型. 韓國採用了基於PDA的移動式船舶焊接機器人Rail Runner，可以進入需要焊接的雙殼船的封閉結構，在有毒氣體和高溫的惡劣焊接環境中工作，代替人工自動焊接。 

PTJ是一家依託中科院技術背景，專注於智能機器人零部件設計優化、製造及國內外銷售的綜合性高新技術企業。 公司團隊成立於2010年，長期致力於高精度、高難度、易變形金屬及塑料零件的加工，以及輕合金及復合材料（如如鎂鋰合金、鎂鋁合金、碳纖維等）零件。 以及機器人零部件採購和定制服務。

機器人在非製造業領域的應用也越來越多樣化。 亞馬遜在其配送中心配備了超過 15,000 台 Kiva 輪式機器人，以實現倉庫自動化，如圖 3 所示。這些機器人快速而安靜地移動。 接收到中央計算機無線傳輸的數字指令後，他們掃描地面上的條碼標籤穿行，滑到貨架下方，然後發送給揀貨員。 日本研發的R2D4水下機器人最大下潛深度達4000m，可自主採集數據，可用於海底火山、沉船和礦藏。 

中科院沉陽自動化所與俄羅斯合作的CR-01和CR-02系列預編程控制水下機器人，最大潛水深度6000m，已完成對太平洋的調查. 在太空機器人方面，美國NASA研發的機器人Robonaut將替代宇航員進行出艙工作，其響應速度比人類更快，適應突發事件。

當前，中國已進入老齡化社會，人口結構老齡化帶來的醫療、康復、助殘等問題也給整個社會帶來了巨大的經濟和資源壓力。 以達芬奇機器人為代表的手術機器人代表了當前醫療機器人的最高水平，也展示了醫療機器人廣闊的應用前景。 

外骨骼機器人在協助老年人和殘疾人行走方面也顯示出優勢。 應用潛力。 在醫療機器人方面，我國西南醫院等多家醫院使用膠囊內窺鏡機器人代替傳統的胃鏡進行胃腸檢查。 機器人只有膠囊大小。 患者口服後，醫生可通過顯示屏360°觀察消化道內部，約15分鐘即可完成檢查，不僅讓患者更舒適，一次性膠囊也防止交叉感染，更衛生安全。 . 

在老人機器人方面，來自日本Cyber​​dyne的外骨骼機器人Robot Suit HAL可以幫助行走困難的患者實現康復，也適合輔助老人行走。 該機器人可以幫助佩戴者完成站立、行走、抓取和舉起重物等動作，連續工作時間可達280min。

2. 機器人材料及其輕量化趨勢

目前，各種等級的金屬材料是各種機器人結構件的首選材料，如鑄鐵、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等。 以傳統工業機器人為代表的專業機器人在設計和使用時首先要考慮的是它們需要有足夠的強度。 因此，它們的結構件大多采用各類鑄鐵、合金鋼等材料，也有部分採用鋁合金和復合材料。 等待。

考慮到探測救援機器人對減輕自身重量、移動快速穩定等要求較高，在用亞麻纖維天然纖維增強熱塑性樹脂基體或熱固性樹脂複合材料代替45#鋼製成後，主檢測機器人車身，主體質量減至45公斤，比原車車身質量減輕190.5公斤，減重率高達80.9%。 家庭服務機器人對材料強度的要求略低，但對機器人重量或便攜性的要求更高。 因此，服務機器人的基本結構多采用鋁合金材料。 例如，老年人服務機器人的手臂結構是由7075鋁合金製成的。 

通過優化結構實現手臂的輕量化設計，保證了其性能要求。 作為殘障機器人的代表，外骨骼機器人對輕量化和便攜性有著更高的要求。 例如EKSO（圖5）外骨骼機器人採用鋁鈦合金作為其機械結構，其總重量僅為23kg左右。 我國電子科技大學的PRMI自主減重外骨骼下肢機器人也是採用鋁合金材質。

總之，為了滿足機器人更輕量化、更高效、更便捷的操作需求，輕量化機器人是未來的發展趨勢。 除了輕量化的結構設計，輕量化的材料更為重要。 與輕量化結構相比，輕量化材料使機器人具有更大的減重潛力和更廣泛的應用範圍。

三、輕量化鎂材料在機器人上的應用優勢

機器人可選擇的金屬材料主要有鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。由於鋼材的密度高達7.8g/cm3，雖然機器人的運動部件少部分使用鈦合金材料（4.5g/cm3）或鋁合金材料（2.7g/cm3）代替鋼材，鈦合金的密度還是比較高的。 高且貴，鋁合金的密度也比鎂合金高。

作為最輕的金屬結構材料，鎂或鎂合金的密度是鋁的2/3，不到鋼的1/4。 對於含有30%玻璃纖維的聚碳酸酯複合材料，鎂的密度不超過其10%。 此外，我國鐵鋁資源儲量僅佔世界比重的18.7%和2.3%，但我國鎂礦資源是世界上最豐富的，鎂材料的應用具有得天獨厚的資源優勢。 因此，鎂及鎂合金材料由於重量輕、比強度高，在減輕重量、提高機器人的機動性和耐久性方面具有顯著優勢。 它們是製造機器人最理想的材料之一。

機器人材料的輕量化可以大大提高其機動性和工作效率，突出了機器人在降低運動慣性、提高運行速度和運動精度方面的優勢。 日本本田公司的第三代ASIMO（圖6）採用輕質合金，外殼採用鎂合金。 這大大降低了機器人的自重，其行走速度從1.6km/h提高到2.5km/h。 公里/小時，最高運行速度達到3公里/小時。

雖然鎂合金材料已初步應用於機器人，但制約鎂合金材料在機器人零部件領域應用的重要瓶頸之一仍然是現有牌號的鎂合金強度和韌性低於鋼和鋁合金。 機器人材料的性能要求還存在差距，無法完全替代鋼、鋁合金等材料。 因此，開髮用於製造機器人零部件的高性能鎂合金及其成型加工技術，對於降低機器人運動部件質量、提高運動精度、實現節能具有重要意義。

2015年XNUMX月，北京工業大學針對當前機器人領域的研究現狀和發展前景，啟動了“大科研進步計劃——智能機器人”。 除了智能機器人的重大共性關鍵技術、關鍵零部件、整機研發、集成應用外，該項目重點研究。 一個顯著特點是突出了以鎂合金材料為代表的“機器人輕量化材料”。 關鍵技術研究”。 

“大研推進計劃”依托北京工業大學材料科學與技術學院在輕鎂合金材料領域十餘年的研發團隊和研發平台優勢，採用高性能鎂等如Mg-Zn-Er、Mg-Gd-Er-Zr等。基於合金材料設計、精細結構控制、塑性成形機理等研究成果，針對高附加值醫療機器人和國產機器人在材料輕量化方面，以開發新型高強度、高韌性鎂合金材料為目標，開髮用於醫療/家政等家政服務機器人的高性能鎂合金零部件，著眼於輕量化等機械臂等運動部件，逐步實現家庭服務機器人的整體減重。

在我國製造業面臨產業升級和老齡化社會轉型的背景下，未來十年甚至幾十年，對傳統工業機器人和新型家政服務機器人的需求將不斷上升，機器人市場應用潛力非常顯著。 以鎂合金為代表的輕質合金材料在機器人中的應用，具有顯著提高機器人機動性、降低能耗、增加待機時間等優點。 是機器人研發的重要方向之一。

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