镁合金材料在轻量化机器人中的应用

一、机器人的发展及应用现状

随着机器人发展的不断成熟，机器人的应用已经从最早的工业领域扩展到医疗健康、生活服务、太空与海洋探索、军事娱乐等。阶段，但也将迎来非制造自动化技术的快速发展。

目前，美国、日本、欧洲、韩国等工业大国在机器人技术上取得突破，推动机器人产业发展在各国科技发展中处于重要战略地位。 在《中国制造2025》中，中国也将“高端数控机床和机器人”列为10个重点发展领域之一，提出“以工业机器人、汽车、机械、电子、危险品等专业制造业、国防、军工、化工、轻工业。 

机器人的应用需求，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人，积极研发新产品，推动机器人标准化、模块化发展。”科技发展规划纲要（2006-2020年）》也明确将服务机器人作为未来发展的战略性高技术重点，提出“着眼于服务机器人应用需求、研究设计方法、制造工艺、智能控制等方面。 与应用系统集成等通用基础技术”[5]。 

目前，世界制造业使用的工业机器人平均密度为每万名员工55台，而中国工业机器人的密度仅为每万名员工10,000台。 鉴于上述背景，“机器换人”已成为大势所趋。 在珠三角制造业的代表广州，政府提出，到36年，全市10,000%以上的制造企业要使用工业机器人和智能装备。

除了被广泛应用于诸如 冲压在制造业、焊接和自动化装配线中，机器人还可以用来代替传统的手工作业，如打磨、复杂焊接和抛光。 苹果使用两个 KUKA 电子机器人对 Mac Pro 的外观进行两次抛光，以产生镜面般的表面。 

外部抛光完成后，机器人还会对Mac Pro外壳内部进行抛光，如图1所示。 焊接机器人在优质高效的船体焊接生产中发挥了极其重要的作用，并正在逐步向自动化转型. 韩国采用了基于PDA的移动式船舶焊接机器人Rail Runner，可以进入需要焊接的双壳船的封闭结构，在有毒气体和高温的恶劣焊接环境中工作，代替人工自动焊接。 

PTJ是一家依托中科院技术背景，专注于智能机器人零部件设计优化、制造及国内外销售的综合性高新技术企业。 公司团队成立于2010年，长期致力于高精度、高难度、易变形金属及塑料零件的加工，以及轻合金及复合材料（如如镁锂合金、镁铝合金、碳纤维等）零件。 以及机器人零部件采购和定制服务。

机器人在非制造业领域的应用也越来越多样化。 亚马逊在其配送中心配备了 15,000 多台 Kiva 轮式机器人，以实现仓库自动化，如图 3 所示。这些机器人快速而安静地移动。 接收到中央计算机无线传输的数字指令后，他们扫描地面上的条码标签走过去，滑到货架下方，然后发送给拣货员。 日本研发的R2D4水下机器人最大下潜深度为4000m，可自主采集数据，可用于海底火山、沉船和矿藏。 

中科院沉阳自动化所与俄罗斯合作的CR-01和CR-02系列预编程控制水下机器人，最大潜水深度6000m，已完成对太平洋的调查. 在太空机器人方面，美国NASA研发的机器人Robonaut将替代宇航员进行出舱工作，其响应速度比人类快，适应突发事件。

当前，我国已进入老龄化社会，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和资源压力。 以达芬奇机器人为代表的手术机器人代表了当前医疗机器人的最高水平，也展示了医疗机器人广阔的应用前景。 

外骨骼机器人在协助老年人和残疾人行走方面也显示出优势。 应用潜力。 在医疗机器人方面，我国西南医院等多家医院使用胶囊内窥镜机器人代替传统的胃镜进行胃肠检查。 机器人只有胶囊大小。 患者口服后，医生可通过显示屏360°观察消化道内部，约15分钟即可完成检查，不仅让患者更舒适，一次性胶囊也防止交叉感染，更卫生安全。 . 

在老人机器人方面，来自日本Cyber​​dyne的外骨骼机器人Robot Suit HAL可以帮助行走困难的患者实现康复，也适用于辅助老人行走。 该机器人可以帮助佩戴者完成站立、行走、抓取和举起重物等动作，连续工作时间可达280min。

2. 机器人材料及其轻量化趋势

目前，各种等级的金属材料是各种机器人结构件的首选材料，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要考虑的是它们需要有足够的强度。 因此，它们的结构件大多采用各类铸铁、合金钢等材料，也有部分采用铝合金和复合材料。 等待。

考虑到探测救援机器人对减轻自身重量、运动快速稳定等要求较高，在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代替45#钢制成主要检测机器人车身，主体质量减至45公斤，比原车车身质量减轻190.5公斤，减重率高达80.9%。 家庭服务机器人对材料强度的要求略低，但对机器人重量或便携性的要求更高。 因此，服务机器人的基本结构多采用铝合金材料。 例如，老年人服务机器人的手臂结构是由7075铝合金制成的。 

通过优化结构实现手臂的轻量化设计，保证了其性能要求。 作为残障机器人的代表，外骨骼机器人对轻量化和便携性有着更高的要求。 例如EKSO（图5）外骨骼机器人采用铝钛合金作为其机械结构，其总重量仅为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也是采用铝合金材质。

总之，为了满足机器人更轻量化、更高效、更便捷的操作需求，轻量化机器人是未来的发展趋势。 除了轻量化结构设计，轻量化材料更为重要。 与轻量化结构相比，轻量化材料使机器人具有更大的减重潜力和更广泛的应用范围。

三、轻量化镁材料在机器人上的应用优势

机器人可选择的金属材料主要有钢、铝合金、镁合金、钛合金等。由于钢材的密度高达7.8g/cm3，虽然机器人的运动部件少部分使用钛合金材料（4.5g/cm3）或铝合金材料（2.7g/cm3）代替钢材，钛合金的密度还是比较高的。 高且贵，铝合金的密度也比镁合金高。

作为最轻的金属结构材料，镁或镁合金的密度是铝的2/3，不到钢的1/4。 对于含有30%玻璃纤维的聚碳酸酯复合材料，镁的密度不超过其10%。 此外，我国铁铝资源储量仅占世界比重的18.7%和2.3%，但我国镁矿资源是世界上最丰富的，镁材料的应用具有得天独厚的资源优势。 因此，镁及镁合金材料由于重量轻、比强度高，在减轻重量、提高机器人的机动性和耐久性方面具有显着优势。 它们是制造机器人最理想的材料之一。

机器人材料的轻量化可以大大提高其机动性和工作效率，突出了机器人在降低运动惯性、提高运行速度和运动精度方面的优势。 日本本田公司的第三代ASIMO（图6）采用轻质合金，外壳采用镁合金。 这大大降低了机器人的自重，其行走速度从1.6km/h提高到2.5km/h。 公里/小时，最高运行速度达到3公里/小时。

虽然镁合金材料已初步应用于机器人，但制约镁合金材料在机器人零部件领域应用的重要瓶颈之一仍然是现有牌号的镁合金强度和韧性低于钢和铝合金。 机器人材料的性能要求还存在差距，无法完全替代钢、铝合金等材料。 因此，开发用于制造机器人零部件的高性能镁合金及其成型加工技术，对于降低机器人运动部件质量、提高运动精度、实现节能具有重要意义。

2015年XNUMX月，北京工业大学针对当前机器人领域的研究现状和发展前景，启动了“大科研进步计划——智能机器人”。 除了智能机器人的重大共性关键技术、关键零部件、整机研发和集成应用外，该项目还重点研究。 一个显着特点是突出了以镁合金材料为代表的“机器人轻量化材料”。 关键技术研究”。 

“大研推进计划”依托北京工业大学材料科学与技术学院在轻镁合金材料领域十余年的研发团队和研发平台优势，采用高性能镁等如Mg-Zn-Er、Mg-Gd-Er-Zr等。基于合金材料设计、精细结构控制、塑性成形机理等研究成果，针对高附加值医疗机器人和国产机器人在材料轻量化方面，以开发新型高强度、高韧性镁合金材料为目标，开发用于医疗/家政等家政服务机器人的高性能镁合金零部件，着眼于轻量化等机械臂等运动部件，逐步实现家庭服务机器人的整体减重。

在我国制造业面临产业升级和老龄化社会转型的背景下，未来十年甚至几十年，对传统工业机器人和新型家政服务机器人的需求将不断上升，机器人市场应用潜力非常显着。 以镁合金为代表的轻质合金材料在机器人中的应用，具有显着提高机器人机动性、降低能耗、增加待机时间等优点。 是机器人研发的重要方向之一。

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