機械臂是機器人執(zhí)行操作任務(wù)的主要部件之一，其主要功能是在與環(huán)境進行交互的過程中，能夠準(zhǔn)確接受指令，并精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行規(guī)范性作業(yè)。作為機器人技術(shù)領(lǐng)域中最為廣泛應(yīng)用的自動化機械裝置之一，機械臂在工業(yè)制造、醫(yī)療、民用、軍事、交通物流以及太空探索等領(lǐng)域中都發(fā)揮出重要作用。越來越多的新型機械臂開始采用碳纖維復(fù)合材料，這種比金屬材料貴許多倍的新材料到底有哪些“過人之處”？機械臂設(shè)計師選擇碳纖維復(fù)合材料的理由是什么？

理由一：自重輕=能耗低、生產(chǎn)效率高

機械臂的自重要盡量輕，機械臂越輕，其運動慣量越小。通過輕量化設(shè)計可以使機械臂的功率自重比達到最優(yōu)化，選擇輕量化的制作材料也是機械臂實現(xiàn)輕量化的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料的密度僅是鋼材的1/3，比鋁合金也要輕30%左右，輕自重意味著機械臂運轉(zhuǎn)過程中需要消耗的能量更少，運行更為輕便快捷。哪怕是能耗比只降低一點點，或者生產(chǎn)效率提升一點點，這在長周期和批量化工作中帶來的效果都是巨大的。

理由二：強度大=承載多、功能多樣化

機械臂在實現(xiàn)輕自重的同時，更要保證自身具備足夠的負載能力。機械手臂要承受的基本重量包括手臂本身的重量加上其手爪抓取工件的最大重量，碳纖維復(fù)合材料的比強度和比模量都比鋼高，其抗拉強度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍。某碳纖維企業(yè)為隧道勘探機器人配置的一款可伸縮式碳纖維機械臂，其臂厚僅為5 mm，直徑為18 cm，卻能夠承載高達一百多千克的儀器設(shè)備，這種高承載性能賦予了機器人向多元化功能方向發(fā)展的可能性。

理由三：蠕變小=精度高、適應(yīng)能力強

碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)微乎其微，蠕變小，能夠適應(yīng)溫差較大的工作環(huán)境。一款專為電力巡檢機器人配備的矩形可伸縮式機械臂管，不僅通過降低自重，減少能耗，成倍地延長了工作周期，而且其在嚴寒、高溫等惡劣氣候環(huán)境下工作性能穩(wěn)定，能夠精確、快速地完成指令，在替代人工巡檢工作中發(fā)揮出巨大作用，這也是許多特定工作環(huán)境下機器人設(shè)計優(yōu)選碳纖維復(fù)合材料的重要原因。

理由四：耐疲勞=壽命長、使用成本低

碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐疲勞性，采用這種先進復(fù)合材料制作的零部件使用壽命長，用于維護或者更新的頻率低。要想充分發(fā)揮出碳纖維復(fù)合材料的耐疲勞性能，應(yīng)從最基本的設(shè)計制作出發(fā)，因為碳纖維復(fù)合材料機械臂的實際耐疲勞性往往受制于復(fù)合材料鋪層方向與載荷方向的角度設(shè)計。因此，在采用碳纖維復(fù)合材料制作機械臂時，需要針對機械臂所承受的載荷與實際工況設(shè)計一套專門的制作方案。