化定奇

機(jī)器人是匯集材料、機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)等一系列學(xué)科所形成的高新技術(shù)集合體，機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新、高端制造發(fā)展水平的重要標(biāo)志。國(guó)際金融危機(jī)后，發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家紛紛將機(jī)器人的發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，力求繼續(xù)保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。我國(guó)也高度重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2013年12月22日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》；2016年4月28日，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》；另外，《中國(guó)制造2025》也明確將工業(yè)機(jī)器人列入大力推動(dòng)突破發(fā)展10大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

一、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.現(xiàn)狀：工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)階段機(jī)器人的主要市場(chǎng)

機(jī)器人按照應(yīng)用類型大致可分為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)型機(jī)器人2類。工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用包括焊接、刷漆、組裝、包裝、碼垛、表面貼裝技術(shù)（SMT）、產(chǎn)品檢測(cè)和測(cè)試等。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）于2016年2月發(fā)布了最新的全球工業(yè)機(jī)器人統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，2014年，全球工業(yè)機(jī)器人銷量共計(jì)229 261臺(tái)，銷售總額達(dá)到107億美元，如果包括軟件、外圍設(shè)備和系統(tǒng)工程的成本，機(jī)器人系統(tǒng)的全球市場(chǎng)規(guī)模為320億美元；2015年全球工業(yè)機(jī)器人安裝量預(yù)計(jì)比2014年至少增長(zhǎng)15%，達(dá)到264 000臺(tái)。而2014年全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模約為59.7億美元，2015年估計(jì)將達(dá)到85億美元。目前全球機(jī)器人市場(chǎng)主要以工業(yè)機(jī)器人為主，占市場(chǎng)份額的80%。

2.趨勢(shì)一：服務(wù)機(jī)器人逐漸成為市場(chǎng)熱點(diǎn)

目前，服務(wù)機(jī)器人正在成為機(jī)器人行業(yè)的熱點(diǎn)。根據(jù)使用者不同情況，以及特定的使用環(huán)境的不同，服務(wù)機(jī)器人一般分為2大類：一類是個(gè)人/家庭服務(wù)機(jī)器人，如掃地機(jī)器人，娛樂(lè)/休閑機(jī)器人等；另一類是專業(yè)服務(wù)機(jī)器人，如康復(fù)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人以及軍用機(jī)器人等。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)未來(lái)主要增長(zhǎng)點(diǎn)，增長(zhǎng)空間和潛力遠(yuǎn)大于工業(yè)機(jī)器人。據(jù)IFR預(yù)測(cè)，2015-2018年服務(wù)機(jī)器人總體市場(chǎng)規(guī)模394億美元，4年復(fù)合增速21.07%，高于IFR預(yù)測(cè)的工業(yè)機(jī)器人15%的增速。

3.趨勢(shì)二：機(jī)器人智能化程度將不斷提升

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人是按事先編好的程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行控制，使其自動(dòng)重復(fù)完成某種方式的操作。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人將逐漸進(jìn)化成為能夠利用各種傳感器、測(cè)量器等來(lái)獲取環(huán)境信息，然后利用智能技術(shù)進(jìn)行識(shí)別、理解、推理最后作出規(guī)劃決策，能自主行動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的智能機(jī)器人。目前最先進(jìn)的機(jī)器人之一是波士頓動(dòng)力（Boston Dynamics）公布的新一代的人形機(jī)器人ATLAS，ATLAS在惡劣、復(fù)雜環(huán)境中能行動(dòng)自如，在行進(jìn)間受到物體撞擊時(shí)能夠保持平衡，能智能躲避障礙物，完成搜索并識(shí)別指定目標(biāo)任務(wù)等。

智能機(jī)器人是機(jī)器人的終極目標(biāo)，而作為傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人和智能工業(yè)機(jī)器人之間的過(guò)渡，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將成為主流，這種類型的機(jī)器人主要是填補(bǔ)全手動(dòng)裝配生產(chǎn)線與全自動(dòng)生產(chǎn)線之間空白，機(jī)器人幫助人完成更加繁重和危險(xiǎn)的工作，人則可以發(fā)揮創(chuàng)造性，處理更為復(fù)雜的項(xiàng)目。根據(jù)埃森哲（Accenture Consulting）的一項(xiàng)調(diào)查顯示，85%的制造商預(yù)計(jì)，到2020年，制造業(yè)的技術(shù)焦點(diǎn)將轉(zhuǎn)向“人機(jī)協(xié)作”。目前市場(chǎng)上已推出多款人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，如丹麥Universal Robots的優(yōu)傲（UR）系列機(jī)器人、瑞士ABB公司的雙臂工業(yè)機(jī)器人YuMi、瑞士Mabi的單臂桌面機(jī)器人Speedy、美國(guó)Rethink的協(xié)作機(jī)器人Baxter、德國(guó)庫(kù)卡（KUKA）的7軸輕型靈敏機(jī)器人LBR iiwa等等。

二、機(jī)器人關(guān)鍵部件用材料的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

機(jī)器人主要由機(jī)器本體、減速器、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等部分組成，各部分對(duì)于材料種類和性能的需求不同。隨著機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模和品類的不斷擴(kuò)大以及機(jī)器人智能化水平的不斷提高，不僅將帶動(dòng)的相關(guān)材料需求規(guī)模的增加，同時(shí)對(duì)于相關(guān)材料的性能、種類也將提出更高的要求。

1.機(jī)器本體用高性能結(jié)構(gòu)材料

（1）機(jī)器本體用材料的特點(diǎn)及常用材料

機(jī)器人本體是機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，也是機(jī)器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括臂部、腕部、手部）等。機(jī)器人本體是直接受力的構(gòu)件，其材料應(yīng)該具備如下幾個(gè)特點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)度高，能保證在較高外力作用下不發(fā)生永久變形和斷裂；②彈性模量大或剛度高，具備較強(qiáng)的在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力；③質(zhì)量輕，機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)，輕量化材料有助于改善機(jī)器人操作的動(dòng)態(tài)性能；④阻尼大，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)，可是在終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生殘余振動(dòng)，采用大阻尼材料有助于吸收能量以提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性。

現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、焊接、噴涂、搬運(yùn)、包裝等領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械臂、底座等機(jī)器本體最常用的材料是鋼、鑄鐵以及鋁合金等；在食品、醫(yī)藥等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，為滿足苛刻的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，也有應(yīng)用不銹鋼等作為機(jī)器人本體材料，譬如KUKA公司的KR 15 SL型機(jī)器人等。

（2）輕量化結(jié)構(gòu)材料有助于提升傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的整體性能

在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，在滿足高速度、高精度等基本性能要求的基礎(chǔ)上，各大機(jī)器人制造公司通過(guò)運(yùn)用輕量化結(jié)構(gòu)材料減小工業(yè)機(jī)器人自重，不僅提升了機(jī)器人整體動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)還可以降低能耗，減小環(huán)境污染。譬如：德國(guó)庫(kù)卡公司在2005年第1個(gè)推出采用碳纖維復(fù)合材料制造的2款碼垛機(jī)器人KR100-2PA和KR180PA，在保持強(qiáng)度、剛度未變的同時(shí)大幅減重，使碼垛機(jī)器人在降低能源消耗的同時(shí)極大地提升了性能和安全性，而且更輕、更快、成本更低并顯著提高了生產(chǎn)能力。日本發(fā)那科公司（FANUC）推出的一系列以P-250i B、P-50i B等為代表的六軸噴涂機(jī)器人，機(jī)械手臂和手腕所使用材料為不導(dǎo)電材料尼龍，節(jié)約能源的同時(shí)也降低了成本[1]。Codian Robotics最新的delta型機(jī)器人使用了碳纖維、鈦、陽(yáng)極電鍍鋁、316不銹鋼和塑料等多種材料組合?？傮w來(lái)看，目前輕量化結(jié)構(gòu)材料在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域使用的比例越來(lái)越高。

（3）人機(jī)協(xié)作機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人對(duì)本體材料的輕量化要求更高

由于要與人頻繁接觸，安全性是人機(jī)協(xié)作機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題之一，即保證機(jī)器與人類一起協(xié)作工作時(shí)不會(huì)受到機(jī)器的傷害，其中輕量型設(shè)計(jì)是人機(jī)協(xié)作安全的一個(gè)可行方案，通過(guò)減輕機(jī)器人的機(jī)身質(zhì)量，可以有效地降低其對(duì)人體的沖擊，從而確保人機(jī)協(xié)作的安全。譬如瑞士ABB公司的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人YuMi就通過(guò)采用輕量化的剛性鎂鋁合金骨架以及被軟性材料包裹的塑料外殼等設(shè)計(jì)確保安全性；德國(guó)KUKA的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人LBR iiwa的結(jié)構(gòu)則是通過(guò)采用鋁制材料來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

除了同樣應(yīng)考慮安全性因素以外，服務(wù)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)靈活性對(duì)本體材料的輕量化提出更高的要求。從目前市場(chǎng)上推出的服務(wù)機(jī)器人來(lái)看，大多采用了更加先進(jìn)的輕量化材料。譬如外骨骼制造商Ekso Bionic于2012年推出的復(fù)健型的下肢外骨骼系統(tǒng)Ekso，為了兼顧了輕量化和耐用性，在關(guān)鍵的部位大量采用了鋁合金、鈦合金、碳纖維等輕量化金屬材料和復(fù)合材料；松下2015年9月推出的可輔助重物裝卸等作業(yè)的可穿戴式機(jī)器人“Assist Suite”，其零部件采用了先進(jìn)的碳纖維材料，質(zhì)量?jī)H為6kg；谷歌旗下的波士頓動(dòng)力學(xué)公司為美軍研制的擁有高度機(jī)動(dòng)能力的類人機(jī)器人Atlas為了適應(yīng)復(fù)雜的惡劣的環(huán)境，并兼具靈活性和強(qiáng)壯，采用了航空級(jí)鋁鈦合金材料。另外，采用新的材料生產(chǎn)工藝也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕量化的重要方向之一，譬如Atlas當(dāng)前的機(jī)械腿是由幾十個(gè)通過(guò)螺栓和螺母連接的部件組成，而正在測(cè)試中的3D打印腿不僅結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，且許多重要的部位的內(nèi)部是類似格子狀的中空結(jié)構(gòu)，將大幅降低了自身的質(zhì)量。

總體來(lái)看，目前鋁合金、鈦合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料、碳纖維是當(dāng)前常見(jiàn)和應(yīng)用較多的輕量化材料，這些類型材料具有不同的屬性特點(diǎn)、工藝技術(shù)水平和性價(jià)比水平。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)多材料組合的輕量化結(jié)構(gòu)和合適的材料用于合適類型的機(jī)器人是輕量化選材的發(fā)展方向。我國(guó)目前輕量化材料基本能夠滿足工業(yè)機(jī)器人和普通服務(wù)機(jī)器人的需求，但是在特種機(jī)器人領(lǐng)域所需的高性能輕量化材料（高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等）以及先進(jìn)的材料生產(chǎn)工藝等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。

2.高精密減速器用高強(qiáng)度耐磨材料

高精密減速器是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，是一種精密的動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，其利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置，從而降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。機(jī)器人需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)的高性能精密減速器，其中RV減速器（基于擺線齒輪機(jī)構(gòu)的高精密減速機(jī)）和諧波減速器是精密減速器中重要的2種減速器。諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪3個(gè)基本構(gòu)件組成，RV減速器主要由齒輪軸、行星輪、轉(zhuǎn)臂、擺線輪、針輪、剛性盤(pán)與輸出盤(pán)等組成。

高精密減速機(jī)屬于純精密機(jī)械部件，對(duì)材料和工藝水平要求高，高品質(zhì)齒輪鋼、軸承鋼是制造精密減速器的關(guān)鍵材料之一，要求其具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性；另外由于機(jī)器人對(duì)減速機(jī)的精度要求很高，所以還要求材料工藝性好。目前常用的材料包括30CrMnSi、35CrMnSiA、40CrNiMoA、45鋼、40Cr等。與國(guó)外相比，我國(guó)相關(guān)材料在性能方面與國(guó)外還有一定的差距，《高品質(zhì)特殊鋼科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》將高品質(zhì)軸承鋼、齒輪鋼等生產(chǎn)技術(shù)列入鋼鐵行業(yè)“十二五”期間的技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)；《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》也提出要通過(guò)發(fā)展高強(qiáng)度耐磨材料技術(shù)等實(shí)現(xiàn)高精密減速器的突破。

3.伺服電機(jī)用高性能磁性材料

機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)的電機(jī)要求有高功率質(zhì)量比、高扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍，機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）更是要求電機(jī)的體積、質(zhì)量盡可能??；在要求快速響應(yīng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過(guò)載能力。稀土永磁電機(jī)具有體積小、損耗低、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是高精度、微進(jìn)給伺服系統(tǒng)的最佳選擇。

在稀土永磁電機(jī)中，以釹鐵硼為代表的稀土永磁材料是稀土永磁電機(jī)的最關(guān)鍵的材料。釹鐵硼是目前綜合性能最高的一種永磁材料，具有極高的磁能積、高矯頑力、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，其高效節(jié)能、質(zhì)量輕、體積小、控制調(diào)速性好等特點(diǎn)非常符合機(jī)器人伺服電機(jī)的要求。我國(guó)是釹鐵硼產(chǎn)業(yè)大國(guó)，產(chǎn)量占全球近80%市場(chǎng)份額，部分企業(yè)生產(chǎn)的高性能釹鐵硼永磁材料的磁性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但是整體來(lái)看，高性能釹鐵硼材料與日本還有一定的差距。隨著服務(wù)機(jī)器人的興起，機(jī)器人的機(jī)動(dòng)靈活性要求及自主行動(dòng)的趨勢(shì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的微型化、高功率密度提出更高要求，需要進(jìn)一步探索和發(fā)現(xiàn)新型高性能磁性材料。

4.感知系統(tǒng)用傳感材料

隨著機(jī)器人智能化水平的不斷提高，其顯著的特點(diǎn)之一就是機(jī)器人身上的傳感器數(shù)量將越來(lái)越多，例如觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、超聲波傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器等。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人相比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，需要安裝傳感器來(lái)感知周圍環(huán)境的變化以確保人的安全性，而智能機(jī)器人收集、決策并自主行動(dòng)則需要更多的傳感器。譬如，美國(guó)Rethink公司的Baxter協(xié)作機(jī)器人的頭頂有一圈聲納傳感器，只要有人過(guò)于接近工作區(qū)域，機(jī)器人就會(huì)放慢動(dòng)作；YuMi也裝了多個(gè)力傳感器，一旦機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的手臂可能觸碰到工人，它就會(huì)自動(dòng)放慢速度或者停止運(yùn)動(dòng)。智能化水平更高的類人機(jī)器人Atlas安裝了更多的傳感器，包括身體和腿用來(lái)保持平衡的傳感器，位于其四肢以防側(cè)翻的傳感器，用來(lái)識(shí)別箱子或門(mén)上類似QR（快速響應(yīng)編碼）的編碼的傳感器，安裝于頭部與激光雷達(dá)一起用來(lái)以避開(kāi)障礙物、評(píng)估地形和幫助導(dǎo)航的立體傳感器等。

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，傳感器需求的增加大大提升對(duì)傳感材料的需求。傳感器材料種類繁多，幾乎可以涵蓋導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等各個(gè)材料類型。但各種類型的半導(dǎo)體（晶體、非晶體、陶瓷）仍然是當(dāng)前最通用、最重要的傳感器材料。其中應(yīng)該最廣泛、功能最齊全的首推硅和以硅為組元的化合物和固溶體，如碳化硅、鍺硅合金、多晶硅、非晶硅等；除半導(dǎo)體外，常用的傳感器材料還包括某些塑料、金屬和非半導(dǎo)體陶瓷制成的鐵磁材料、壓電材料和熱電材料等以及某些玻璃、光學(xué)纖維和光學(xué)晶體等傳感器材料[2]。機(jī)器人對(duì)于傳感器的有著非常嚴(yán)格的要求，包括要求傳感器的精度高、穩(wěn)定性好、靠干擾性強(qiáng)、重量輕、體積小等，這對(duì)傳感材料的種類和工藝也提出更高的要求。

另外，新型傳感器材料及傳感器的研發(fā)將進(jìn)一步提升機(jī)器人的智能化水平。譬如美國(guó)麻省理工學(xué)院和波士頓東北大學(xué)成功研制的由一塊透明的合成橡膠層（單面噴金屬漆）組成的觸覺(jué)傳感器GelSight，使機(jī)器人手指比人類手指更加靈活敏感；東京大學(xué)科學(xué)家通過(guò)在室溫下沉積超纖薄氧化鋁層在一個(gè)透明聚合物箔片，之后附加電路元件至氧化物基片上的方法，研制出一種布滿傳感器的透明塑料薄片，這種塑料質(zhì)地電路比羽毛還輕，僅有1μm厚度，非常柔韌，可以制作成為機(jī)器人的“感官皮膚”。

三、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)步入了快車道，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園“一哄而上”，用過(guò)熱形容也不為過(guò)，但在“機(jī)器人熱”背后是低水平重復(fù)建設(shè)，伺服電機(jī)、減速器等核心零部件高度依賴進(jìn)口、主要部件所需的關(guān)鍵材料與國(guó)外相比存在不同程度的差距等問(wèn)題。當(dāng)前發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，應(yīng)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，著重發(fā)展關(guān)鍵材料及核心部件等基礎(chǔ)性技術(shù)，夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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