镁合金材料在机器人轻量化上的应用浅析

王朝辉 贾林 杜文博

随着现代工业的发展，机器人的种类和应用领域不断拓展。按照现代机器人的用途分类，可将机器人分为专业服务机器人和家用服务机器人2

大类[1]。

一、机器人的发展及应用现状

随着机器人发展的不断成熟，机器人的应用已从最早的工业领域不断扩大到医疗卫生、生活服务、空间及海洋探索、军事和娱乐等。机器人技术将不仅推动制造业进入一个新的阶段，同时也将迎来非制造业自动化技术的快速发展[2]。

当前，美、日、欧洲、韩国等工业强国将实现机器人技术突破、促进机器人产业发展放在各国科技发展的重要战略地位[3]。我国在《中国制造2025》也将“高档数控机床和机器人”作为10个重点发展领域之一，提出“围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人的应用需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展”[4]。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》也明确将服务机器人作为未来优先发展的战略高技术，提出“以服务机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术”[5]。目前，世界制造业使用工业机器人平均密度为每万名雇员55台，而中国工业机器人的使用密度仅为每万人36台。鉴于上述背景，“机器换人”已是大势所趋。在珠三角地区制造业代表的广州，政府已经提出到2020年全市80%以上的制造业企业应用工业机器人及智能装备[6，7]。

机器人除了在制造业中涉及的冲压、焊接、自动化装配流水线等工艺上得到了广泛使用外，还可用于替代传统上需人工完成的打磨、复杂焊接、抛光等复杂动作的工作。苹果公司采用2台库卡（KUKA）电子机器人对Mac Pro的外表进行二次抛光从而生产出如镜面般的表面，在完成外部打磨之后，机器人同样会对Mac Pro外壳的内部进行打磨，如图1所示[8]。焊接机器人在高质、高效的船体焊接生产中，发挥了极其重要的作用，并逐渐向自动化转型。韩国采用了一种基于PDA的船舶移动焊接机器人Rail Runner，可进入所需焊接双壳体船的封闭结构，在有毒气体和高温的恶劣焊接环境下工作，替代人工实现自动化焊接，如图2所示[9，10]。

机器人在非制造业中的应用也越来越多样化。亚马逊在其配送中心配备了超过1.5万台Kiva的轮式机器人，实现仓库自动化，如图3所示。这些机器人行动快速、安静，在收到中央计算机无线传送的数字指令后，通过扫描地面上的条形码标穿行、滑动至货架底下，然后送至拣货员面前[11]。日本研制的R2D4水下机器人，最大潜深4 000m，能自主收集数据，可用于海底火山、沉船和矿藏等。中国科学院沈阳自动化研究所同俄罗斯合作的CR-01、CR-02系列预编程控制的水下机器人，最大潜深为6 000m，已完成了太平洋深海的考察工作[12]。在空间机器人方面，美国NASA开发的机器人Robonaut将代替宇航员从事舱外工作，而且反应速度要超过人类，适应于应付不可预见的紧急情况，如图4所示[13]。

当前，中国已步入老龄化社会，人口结构老龄化带来的医疗、康复、助残等问题也给整个社会带来了巨大的经济、资源等压力。以达芬奇机器人（da Vinci）为代表的手术机器人代表了当前医疗机器人的最高水平，也展现了医疗机器人的广阔应用前景，而外骨骼机器人也在辅助老年人、残疾人行走方面展现了其应用潜质[14]。在医疗机器人方面，我国西南医院等多家医院使用胶囊内镜机器人替代传统胃镜进行消化道检查。该机器人只有胶囊大小，患者口服后医生通过显示屏可以360°观察到消化道内部情况，约15min便可完成检查，不仅让患者更舒适，并且一次性的胶囊也防止了交叉感染，更加卫生安全[15]。在助老机器人方面，日本Cyberdyne公司的外骨骼机器人Robot Suit HAL可以辅助行走困难的患者实现康复，亦适用于辅助老年人行走，该机器人可以帮助佩戴者完成站立、步行、抓握和举重物等动作，且持续工作时间可达到280min[16]。

二、机器人用材及其轻量化趋势

目前，各种牌号的金属材料是各类机器人结构零部件材料的首选，如铸铁、合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金等。以传统工业机器人为代表的专业机器人在设计和使用时首先考虑的是需要具有足够的强度，因此，其结构部件多为各类铸铁、合金钢等材料，亦有部分部件采用铝合金、复合材料等。

综合考虑探测救援机器人对减轻自重、快速平稳移动等方面的要求高等特点，采用亚麻纤维天然纤维增强热塑性树脂基体或热固性树脂复合材料替换45号钢制作探测机器人的主体后，主体的质量减小至45kg，较原车体质量减少了190.5kg，减重率高达80.9%[17]。家用服务机器人对材料强度的要求稍低，但对机器人质量或便携性有更多要求，因此，服务机器人的基本构架多采用铝合金材料。如一种老人服务机器人的机械臂构架采用的就是7075铝合金，通过优化结构实现机械臂的轻量化设计，且保证其性能要求[18]。外骨骼机器人作为助残机器人的代表，对其减重和便携性能有更高的要求。如EKSO（图5）外骨骼机器人以铝、钛合金作为其机械结构，总重仅23kg左右，我国电子科技大学的PRMI自主减重外骨骼下肢机器人的材质同样以铝合金为主[19]。

总之，为适应机器人向更加轻巧、高效率及操作便捷性等需求，机器人轻量化是未来的发展趋势，机器人轻量化途径除了结构设计轻量化外，材料轻量化更为重要。材料轻量化相對于结构轻量化而言，使机器人具有更大的减重潜力和更广阔的应用范围[20]。

三、轻质镁材料在机器人上的应用优势

机器人可选用的金属材料主要有钢铁、铝合金、镁合金、钛合金等。由于钢铁材料的密度高达7.8g/cm3，虽有少部分机器人的运动部件采用了钛合金材料（4.5g/cm3）或铝合金材料（2.7g/cm3）代替钢铁材料，但钛合金密度仍然较高，且成本昂贵，铝合金的密度也高于镁合金。

镁或镁合金作为最轻的金属结构材料，其密度为铝的2/3，不到钢的1/4，对于含30%玻纤的聚碳酸酯复合材料来说，镁的密度也不超过其10%。此外，我国的铁、铝资源储量仅占世界比例18.7%和2.3%，但我国的镁矿资源是世界上最富有的，镁材料的应用具有得天独厚的资源优势[21]。因此，镁及镁合金材料以其轻质、高比强度等特点，在减重、提高机器人机动性、续航能力等方面有着显著优势，是制造机器人的最理想材料之一。

机器人材料的轻量化可大幅提高其机动性，增加其工作效率，突显机器人在减轻运动惯性、提高操作速度和动作准确度方面的优势。日本本田公司第3代的ASIMO（图6）便是由轻质合金制成，其外壳就为镁合金材质，这使得机器人的自重大大降低，步行速度由原来的1.6km/h提高到2.5km/h，最大奔跑速度达到了3km/h[22]。

镁合金材料虽然在机器人上得到了初步应用，但是限制镁合金材料在机器人零部件领域应用的重要瓶颈之一依然是现有牌号镁合金的强韧性与钢铁、铝合金相比还较低，距机器人材料性能的要求尚有差距，无法实现对钢铁、铝合金等材料的完全替代。因此，开发用于制造机器人零部件的高性能镁合金及其成形加工技术，对减轻机器人运动部件质量、提高动作准确性、实现节能等都具有重要意义。

2015年10月，北京工业大学针对当前机器人领域研究现状和发展前景，启动了“大科研推进计划——智能机器人”。该计划除了以智能机器人的重大共性关键技术、关键零部件、整机研发、集成应用等方向为研究重点外，一个显著的特点是突出了以镁合金材料为代表的“机器人用轻量化材料的关键技术研究”。该“大科研推进计划”依托北京工业大学材料学院十几年以来在轻质镁合金材料方向的研发团队和研发平台优势，以Mg-ZnEr、Mg-Gd-Er-Zr等高性能镁合金的材料设计、精细组织控制、塑性成形机制等研究成果为基础，瞄准高附加值的医疗机器人、家政机器人在材料轻量化方面的需求，以新型高强高韧镁合金材料为目标，开发高性能用于医疗/家政等家用服务机器人的镁合金零部件，着重关注该类机器人手臂等运动部件的轻量化，并逐步实现家用服务机器人的整体减重。

四、结语

在我国制造业面临产业升级换代、老龄化社会转型等背景下，在未来十几年甚至几十年内，传统的工业机器人和新型家政服务机器人的需求将持续上升，机器人市场应用潜力十分显著。以镁合金为代表的轻质合金材料在机器人上的应用，具有显著提高机器人的机动性、减少能耗、提高待机时间等优势，是机器人研究开发的重要方向之一。

参考文献

[1] 王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报，2014，50（9）：1-13.

[2] 戴顺孝，顾晓月.特种服务机器人应用领域研究[J].机械制造，2010，48（556）：1-3.

[3] 洪京一.世界制造业发展报告（2014-2015）[R].北京：社会科学文献出版社，2015.

[4] 中国制造2025[M].北京：人民出版社，2015.

[5] 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）[M].中国法制出版社，2006.

[6] 晓雷.国产工业机器人步入快速“生长期”[J].中国设备工程，2014（11）：10-15.

[7] 林昌华.中国实施“机器换人”战略促进产业转型研究[J].中国发展，2015，15（3）：71-73.

[8] 中關村在线.航空级精密苹果Mac Pro生产过程揭秘[EB/OL].（2013-11-18）.http：//nb.zol.com.cn/412/4129663.html.

[9] Oh M J，Lee S M，Kim T W，et al.Design of a teaching pendant program for a mobile shipbuilding welding robot using a PDA[J].Computer-Aided Design，2010，42：173-182.

[10] Lee Donghun.Robots in the shipbuilding industry[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2014（30）：442-450.

[11] 亚马逊启用机器人处理订单[J].机器人技术与应用.2015（1）：8.

[12] 徐玉如，李彭超.水下机器人发展趋势[J].自然，2011，33（3）：125-132.

[13] 贾东永，侯向阳，黄强.空间机器人结构轻量化设计[C].北京力学会学术年会，2011：53-54.

[14] 李光林，郑悦，吴新宇，等.医疗康复机器人研究进展及趋势、服务机器人技术研究现状与发展趋势[J].中国科学院院刊，2015，30（6）：793-802.

[15] 胶囊内镜机器人纳入医保[J].机器人技术与应用，2015（3）：11.

[16] Cyberdyne，它创造了全球首个获得安全认证的外骨骼机器人[EB/OL].（2016-01-25）.http：//mt.sohu.com/20160125/ n435713241.shtml.

[17] 曲芳，张艳，宁姗等.纤维增强复合材料在探测机器人主车体上的应用[J].机械制造，2015（1）：33-35.

[18] 郭大宝，梅涛，骆敏舟，等.老人服务机器人机械臂的动力学分析与轻量化设计研究[J].中国机械工程，2012，23（10）： 1146-1150.

[19] 郑航明.自主减重外骨骼下肢机器人的混合控制系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014.

[20] 国瑞，盛磊，刘静.可穿戴机器人研究进展：材料学角度[J].科技导报，2015，33（23）：81-91.

[21] 左铁镛.21世纪的轻质结构材料——镁及镁合金发展[J].新材料产业，2007（12）：2-6.

[22] 佳音.镁合金机器人走入人们生活[N].中国有色金属报，2006-12-28（7）.