王朝輝 賈林 杜文博

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人的種類和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。按照現(xiàn)代機(jī)器人的用途分類，可將機(jī)器人分為專業(yè)服務(wù)機(jī)器人和家用服務(wù)機(jī)器人2

大類[1]。

一、機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著機(jī)器人發(fā)展的不斷成熟，機(jī)器人的應(yīng)用已從最早的工業(yè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大到醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)、空間及海洋探索、軍事和娛樂等。機(jī)器人技術(shù)將不僅推動制造業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的階段，同時(shí)也將迎來非制造業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展[2]。

當(dāng)前，美、日、歐洲、韓國等工業(yè)強(qiáng)國將實(shí)現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)突破、促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展放在各國科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位[3]。我國在《中國制造2025》也將“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”作為10個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，提出“圍繞汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展”[4]?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》也明確將服務(wù)機(jī)器人作為未來優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)，提出“以服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用需求為重點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)方法、制造工藝、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等共性基礎(chǔ)技術(shù)”[5]。目前，世界制造業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人平均密度為每萬名雇員55臺，而中國工業(yè)機(jī)器人的使用密度僅為每萬人36臺。鑒于上述背景，“機(jī)器換人”已是大勢所趨。在珠三角地區(qū)制造業(yè)代表的廣州，政府已經(jīng)提出到2020年全市80%以上的制造業(yè)企業(yè)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人及智能裝備[6，7]。

機(jī)器人除了在制造業(yè)中涉及的沖壓、焊接、自動化裝配流水線等工藝上得到了廣泛使用外，還可用于替代傳統(tǒng)上需人工完成的打磨、復(fù)雜焊接、拋光等復(fù)雜動作的工作。蘋果公司采用2臺庫卡（KUKA）電子機(jī)器人對Mac Pro的外表進(jìn)行二次拋光從而生產(chǎn)出如鏡面般的表面，在完成外部打磨之后，機(jī)器人同樣會對Mac Pro外殼的內(nèi)部進(jìn)行打磨，如圖1所示[8]。焊接機(jī)器人在高質(zhì)、高效的船體焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用，并逐漸向自動化轉(zhuǎn)型。韓國采用了一種基于PDA的船舶移動焊接機(jī)器人Rail Runner，可進(jìn)入所需焊接雙殼體船的封閉結(jié)構(gòu)，在有毒氣體和高溫的惡劣焊接環(huán)境下工作，替代人工實(shí)現(xiàn)自動化焊接，如圖2所示[9，10]。

機(jī)器人在非制造業(yè)中的應(yīng)用也越來越多樣化。亞馬遜在其配送中心配備了超過1.5萬臺Kiva的輪式機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)倉庫自動化，如圖3所示。這些機(jī)器人行動快速、安靜，在收到中央計(jì)算機(jī)無線傳送的數(shù)字指令后，通過掃描地面上的條形碼標(biāo)穿行、滑動至貨架底下，然后送至揀貨員面前[11]。日本研制的R2D4水下機(jī)器人，最大潛深4 000m，能自主收集數(shù)據(jù)，可用于海底火山、沉船和礦藏等。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所同俄羅斯合作的CR-01、CR-02系列預(yù)編程控制的水下機(jī)器人，最大潛深為6 000m，已完成了太平洋深海的考察工作[12]。在空間機(jī)器人方面，美國NASA開發(fā)的機(jī)器人Robonaut將代替宇航員從事艙外工作，而且反應(yīng)速度要超過人類，適應(yīng)于應(yīng)付不可預(yù)見的緊急情況，如圖4所示[13]。

當(dāng)前，中國已步入老齡化社會，人口結(jié)構(gòu)老齡化帶來的醫(yī)療、康復(fù)、助殘等問題也給整個(gè)社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)、資源等壓力。以達(dá)芬奇機(jī)器人（da Vinci）為代表的手術(shù)機(jī)器人代表了當(dāng)前醫(yī)療機(jī)器人的最高水平，也展現(xiàn)了醫(yī)療機(jī)器人的廣闊應(yīng)用前景，而外骨骼機(jī)器人也在輔助老年人、殘疾人行走方面展現(xiàn)了其應(yīng)用潛質(zhì)[14]。在醫(yī)療機(jī)器人方面，我國西南醫(yī)院等多家醫(yī)院使用膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人替代傳統(tǒng)胃鏡進(jìn)行消化道檢查。該機(jī)器人只有膠囊大小，患者口服后醫(yī)生通過顯示屏可以360°觀察到消化道內(nèi)部情況，約15min便可完成檢查，不僅讓患者更舒適，并且一次性的膠囊也防止了交叉感染，更加衛(wèi)生安全[15]。在助老機(jī)器人方面，日本Cyberdyne公司的外骨骼機(jī)器人Robot Suit HAL可以輔助行走困難的患者實(shí)現(xiàn)康復(fù)，亦適用于輔助老年人行走，該機(jī)器人可以幫助佩戴者完成站立、步行、抓握和舉重物等動作，且持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)到280min[16]。

二、機(jī)器人用材及其輕量化趨勢

目前，各種牌號的金屬材料是各類機(jī)器人結(jié)構(gòu)零部件材料的首選，如鑄鐵、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等。以傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人為代表的專業(yè)機(jī)器人在設(shè)計(jì)和使用時(shí)首先考慮的是需要具有足夠的強(qiáng)度，因此，其結(jié)構(gòu)部件多為各類鑄鐵、合金鋼等材料，亦有部分部件采用鋁合金、復(fù)合材料等。

綜合考慮探測救援機(jī)器人對減輕自重、快速平穩(wěn)移動等方面的要求高等特點(diǎn)，采用亞麻纖維天然纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基體或熱固性樹脂復(fù)合材料替換45號鋼制作探測機(jī)器人的主體后，主體的質(zhì)量減小至45kg，較原車體質(zhì)量減少了190.5kg，減重率高達(dá)80.9%[17]。家用服務(wù)機(jī)器人對材料強(qiáng)度的要求稍低，但對機(jī)器人質(zhì)量或便攜性有更多要求，因此，服務(wù)機(jī)器人的基本構(gòu)架多采用鋁合金材料。如一種老人服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械臂構(gòu)架采用的就是7075鋁合金，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的輕量化設(shè)計(jì)，且保證其性能要求[18]。外骨骼機(jī)器人作為助殘機(jī)器人的代表，對其減重和便攜性能有更高的要求。如EKSO（圖5）外骨骼機(jī)器人以鋁、鈦合金作為其機(jī)械結(jié)構(gòu)，總重僅23kg左右，我國電子科技大學(xué)的PRMI自主減重外骨骼下肢機(jī)器人的材質(zhì)同樣以鋁合金為主[19]。

總之，為適應(yīng)機(jī)器人向更加輕巧、高效率及操作便捷性等需求，機(jī)器人輕量化是未來的發(fā)展趨勢，機(jī)器人輕量化途徑除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化外，材料輕量化更為重要。材料輕量化相對于結(jié)構(gòu)輕量化而言，使機(jī)器人具有更大的減重潛力和更廣闊的應(yīng)用范圍[20]。

三、輕質(zhì)鎂材料在機(jī)器人上的應(yīng)用優(yōu)勢

機(jī)器人可選用的金屬材料主要有鋼鐵、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。由于鋼鐵材料的密度高達(dá)7.8g/cm3，雖有少部分機(jī)器人的運(yùn)動部件采用了鈦合金材料（4.5g/cm3）或鋁合金材料（2.7g/cm3）代替鋼鐵材料，但鈦合金密度仍然較高，且成本昂貴，鋁合金的密度也高于鎂合金。

鎂或鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度為鋁的2/3，不到鋼的1/4，對于含30%玻纖的聚碳酸酯復(fù)合材料來說，鎂的密度也不超過其10%。此外，我國的鐵、鋁資源儲量僅占世界比例18.7%和2.3%，但我國的鎂礦資源是世界上最富有的，鎂材料的應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢[21]。因此，鎂及鎂合金材料以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)度等特點(diǎn)，在減重、提高機(jī)器人機(jī)動性、續(xù)航能力等方面有著顯著優(yōu)勢，是制造機(jī)器人的最理想材料之一。

機(jī)器人材料的輕量化可大幅提高其機(jī)動性，增加其工作效率，突顯機(jī)器人在減輕運(yùn)動慣性、提高操作速度和動作準(zhǔn)確度方面的優(yōu)勢。日本本田公司第3代的ASIMO（圖6）便是由輕質(zhì)合金制成，其外殼就為鎂合金材質(zhì)，這使得機(jī)器人的自重大大降低，步行速度由原來的1.6km/h提高到2.5km/h，最大奔跑速度達(dá)到了3km/h[22]。

鎂合金材料雖然在機(jī)器人上得到了初步應(yīng)用，但是限制鎂合金材料在機(jī)器人零部件領(lǐng)域應(yīng)用的重要瓶頸之一依然是現(xiàn)有牌號鎂合金的強(qiáng)韌性與鋼鐵、鋁合金相比還較低，距機(jī)器人材料性能的要求尚有差距，無法實(shí)現(xiàn)對鋼鐵、鋁合金等材料的完全替代。因此，開發(fā)用于制造機(jī)器人零部件的高性能鎂合金及其成形加工技術(shù)，對減輕機(jī)器人運(yùn)動部件質(zhì)量、提高動作準(zhǔn)確性、實(shí)現(xiàn)節(jié)能等都具有重要意義。

2015年10月，北京工業(yè)大學(xué)針對當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，啟動了“大科研推進(jìn)計(jì)劃——智能機(jī)器人”。該計(jì)劃除了以智能機(jī)器人的重大共性關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵零部件、整機(jī)研發(fā)、集成應(yīng)用等方向?yàn)檠芯恐攸c(diǎn)外，一個(gè)顯著的特點(diǎn)是突出了以鎂合金材料為代表的“機(jī)器人用輕量化材料的關(guān)鍵技術(shù)研究”。該“大科研推進(jìn)計(jì)劃”依托北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院十幾年以來在輕質(zhì)鎂合金材料方向的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和研發(fā)平臺優(yōu)勢，以Mg-ZnEr、Mg-Gd-Er-Zr等高性能鎂合金的材料設(shè)計(jì)、精細(xì)組織控制、塑性成形機(jī)制等研究成果為基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)高附加值的醫(yī)療機(jī)器人、家政機(jī)器人在材料輕量化方面的需求，以新型高強(qiáng)高韌鎂合金材料為目標(biāo)，開發(fā)高性能用于醫(yī)療/家政等家用服務(wù)機(jī)器人的鎂合金零部件，著重關(guān)注該類機(jī)器人手臂等運(yùn)動部件的輕量化，并逐步實(shí)現(xiàn)家用服務(wù)機(jī)器人的整體減重。

四、結(jié)語

在我國制造業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)升級換代、老齡化社會轉(zhuǎn)型等背景下，在未來十幾年甚至幾十年內(nèi)，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人和新型家政服務(wù)機(jī)器人的需求將持續(xù)上升，機(jī)器人市場應(yīng)用潛力十分顯著。以鎂合金為代表的輕質(zhì)合金材料在機(jī)器人上的應(yīng)用，具有顯著提高機(jī)器人的機(jī)動性、減少能耗、提高待機(jī)時(shí)間等優(yōu)勢，是機(jī)器人研究開發(fā)的重要方向之一。

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