支撐人形機(jī)器人精密運(yùn)動(dòng)的先進(jìn)加工技術(shù)

　　【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 新品出爐】 “機(jī)器人”這個(gè)說法誕生于1920年。在戲劇中出現(xiàn)的機(jī)器人是模仿人制作而成，代替人進(jìn)行勞作。機(jī)器人在20世紀(jì)60年代開始實(shí)用化，其后為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動(dòng)化和提高工作效率，制造出了各種形狀的機(jī)器人。如今，形態(tài)類似人的機(jī)器人與我們并肩工作的時(shí)代即將到來。
 

　　人形機(jī)器人的智能：傳感器和控制系統(tǒng)
 

　　人形機(jī)器人由于是模擬人的運(yùn)動(dòng)，因此具有大量的活動(dòng)部位。此外，為了獲取外部信息和自身的運(yùn)動(dòng)信息，機(jī)器人還配備有眾多傳感器。對(duì)來自多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行整合并使活動(dòng)部位同時(shí)動(dòng)作所需的復(fù)雜計(jì)算和處理，需要用到大量的程序，而單靠人工很難一個(gè)一個(gè)地編寫出這些程序。基于人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題做出了貢獻(xiàn)。由此，可以采用與以往不同的方法來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。傳統(tǒng)的人形機(jī)器人根據(jù)預(yù)先編程的運(yùn)動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)，因此有時(shí)無法在未知的環(huán)境中做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。而機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以讓機(jī)器人通過自身的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)來推導(dǎo)出適當(dāng)?shù)膭?dòng)作模式。
 

　　機(jī)器學(xué)習(xí)的方法正被不斷地應(yīng)用，助力效率提升。如今，通過在高度還原現(xiàn)實(shí)世界的物理模擬器中并行運(yùn)行上千個(gè)虛擬機(jī)器人，只需幾個(gè)小時(shí)就能收集到相當(dāng)于真實(shí)世界多年的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)量。除了通過模擬學(xué)習(xí)外，還有一種方法是讓機(jī)器人通過觀察人類的實(shí)際行為來學(xué)習(xí)。這樣，通過重復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和優(yōu)化，未來的人形機(jī)器人有望能夠應(yīng)對(duì)更加多樣化的任務(wù)。
 

　　為什么現(xiàn)在要發(fā)展人形機(jī)器人？
 

　　機(jī)器人于1960年左右開始被引入制造業(yè)。后來，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了焊接、噴漆、裝配、運(yùn)輸、零件加工和包裝等多種工作的自動(dòng)化。現(xiàn)在已經(jīng)有很多機(jī)器人工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，例如形狀類似人手臂的多關(guān)節(jié)機(jī)器人、在自動(dòng)搬運(yùn)車上配備了自主行走功能的搬運(yùn)機(jī)器人(AMR)等。與此同時(shí)，近年來，在全球勞動(dòng)力短缺的背景下，需要自動(dòng)化和高效化的工作范圍不斷擴(kuò)大，要求機(jī)器人具備的功能也越來越多樣化。為了滿足這些需求，人形機(jī)器人成了大家關(guān)注的對(duì)象。
 

　　目前備受關(guān)注的人形機(jī)器人是指模仿人的外形和動(dòng)作而設(shè)計(jì)的機(jī)器人。這類機(jī)器人的制造困難重重，除了執(zhí)行器和電池等零件需要小型化外，要實(shí)現(xiàn)自主動(dòng)作，還需要先進(jìn)的傳感和處理技術(shù)。因此，人形機(jī)器人長期以來未能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。但近年來隨著人工智能的迅速發(fā)展，人形機(jī)器人迎來了重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。目前，以實(shí)際作業(yè)為目的的人形機(jī)器人已經(jīng)上市，從2023年左右起，以汽車行業(yè)為首，人形機(jī)器人的測(cè)試性引進(jìn)正在逐步推進(jìn)。預(yù)計(jì)今后為實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的實(shí)用化而開展的活動(dòng)將會(huì)取得長足進(jìn)展。除了制造業(yè)，機(jī)器人還將在服務(wù)行業(yè)和一般家庭中得到廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)未來10年的市場(chǎng)規(guī)模將超過300億美元。
 

　　人形機(jī)器人的未來
 

　　人形機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)就在于是“人形”。首先，人形機(jī)器人可以直接使用人類的環(huán)境。例如，無需對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)(拓寬通道或消除階差等)即可引進(jìn)人形機(jī)器人，可以和人類作業(yè)人員一起工作。此外，人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的是讓他們從事各種工作，因此他們的優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)目的靈活地執(zhí)行任務(wù)。
 

　　出于人形機(jī)器人的特性，大小需要和人一樣，并且為了確保安全和性能，需要盡可能輕量化。因此，人形機(jī)器人所用的零件需要輕巧、緊湊而且高剛性，并滿足嚴(yán)格的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。此外，降低單位制造成本對(duì)于促進(jìn)其推廣也很重要。
 

　　目前的人形機(jī)器人尚處于過渡期。傳感器的識(shí)別能力和處理能力尚有改善余地，可搬運(yùn)重量以及電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間也存在一些難題。因此，人形機(jī)器人目前僅停留在搬運(yùn)和分選等基礎(chǔ)工作的應(yīng)用，但今后隨著技術(shù)開發(fā)，除了簡單的重復(fù)性工作，還有望能在嚴(yán)酷的工作環(huán)境、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)等對(duì)人類危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。截至2025年，人形機(jī)器人相關(guān)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新的舉措層出不窮。不斷發(fā)展并適應(yīng)各種環(huán)境的人形機(jī)器人，將超越行業(yè)限制而大展身手。
 

　　人形機(jī)器人的身體：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和框架
 

　　人形機(jī)器人的性能很大程度上取決于其核心部件的精度與堅(jiān)固程度。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而多樣的動(dòng)作，機(jī)器人的身體需要采用兼具輕量化、緊湊性、高剛性及高精度的零部件。
 

　　執(zhí)行器作為將能量轉(zhuǎn)化為物理運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，根據(jù)機(jī)器人不同部位的運(yùn)動(dòng)需求而有所不同類型：
 

　　旋轉(zhuǎn)軸：用于驅(qū)動(dòng)頸部、肩部、髖關(guān)節(jié)等需旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部位。其執(zhí)行器通常由小型電機(jī)、可高精度控制旋轉(zhuǎn)的編碼器與制動(dòng)器，以及能將小型電機(jī)輸出轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大扭矩的減速器組成。
 

　　直線（線性）軸：用于手腕、腳踝等需在直線方向進(jìn)行三維角度控制的部位。這類線性執(zhí)行器需能夠支撐機(jī)器人自重及搬運(yùn)載荷，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。
 

　　此外，支撐和連接各執(zhí)行器的框架，不僅需要精密、緊湊的設(shè)計(jì)，也必須具備足夠的結(jié)構(gòu)剛性，以保障整體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。
 

　　01
 

　　實(shí)現(xiàn)了高減速比的波動(dòng)齒輪裝置
 

　　為了實(shí)現(xiàn)與人相同甚至超過人的可動(dòng)范圍，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)大且高精度的旋轉(zhuǎn)軸控制，人形機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)軸部分使用了波動(dòng)齒輪裝置。波動(dòng)齒輪裝置是一種利用零件的彈性和撓度實(shí)現(xiàn)極高減速比的齒輪零件。波動(dòng)齒輪在實(shí)現(xiàn)高減速比的同時(shí)，還具有結(jié)構(gòu)簡單、扭矩容量高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思維與通常需要消除零件畸變和撓曲的機(jī)械零件完全相反，由于是利用零件的彈性，因此需要具備經(jīng)過精心計(jì)算的高精度形狀精度，并且除了車削加工外，還需要進(jìn)行鉆孔和面銑等銑削加工、齒輪部分的齒輪加工等多種加工。
 

　　馬扎克的INTEGREX i-H系列復(fù)合加工機(jī)采用車削主軸和可傾斜銑削主軸，可高精度地進(jìn)行各種加工。此外，通過使銑削主軸和車削主軸的旋轉(zhuǎn)同步，可以進(jìn)行使用了滾齒工具的高精度齒輪加工，通過5軸聯(lián)動(dòng)加工實(shí)現(xiàn)齒輪部分的高品質(zhì)精加工。
 

　　02
 

　　發(fā)揮高制動(dòng)性能的行星滾珠絲杠機(jī)構(gòu)
 

　　為了用小型電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)力，線性軸也要求使用具有高減速比的零件。代表性零件有使用了行星滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的線性執(zhí)行器。行星滾珠絲杠機(jī)構(gòu)以接受電機(jī)等動(dòng)力的主軸(太陽軸)為中心，行星絲杠組件在其周圍旋轉(zhuǎn)，可將主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。此外，行星滾珠絲杠結(jié)構(gòu)不僅通過行星絲杠組件與主軸的軸徑比實(shí)現(xiàn)了高減速比，而且絲杠零件相互之間的接觸點(diǎn)增加，因此具有高剛性和大扭矩容量。為了發(fā)揮這些性能，構(gòu)成組件的絲杠零件不僅需要具備較高的形狀精度，而且需要進(jìn)行光滑的絲杠形狀加工。
 

　　馬扎克高性能CNC車削中心QRX系列是加工這些絲杠零件的理想機(jī)型。除了憑借高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)揮高加工能力外，還能通過車削和使用了丫軸的銑削加工、使用了雙刀塔的高效加工，僅用一臺(tái)機(jī)床即可完成主軸的絲杠部分加工，以及鍵槽和電機(jī)連接接口部分的加工。
 

　　03
 

　　兼顧了輕量化和高剛性的復(fù)雜形狀一體化零件
 

　　用于支撐旋轉(zhuǎn)軸和直線軸執(zhí)行器的框架零件以及機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)件，也與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有著不同的要求。除了尺寸限制外，為了實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的輕量化，滿足為了最大限度發(fā)揮其功能所需的剛性，同時(shí)減少零件數(shù)量，各處都需要形狀復(fù)雜的一體化零件。
 

　　小型、形狀復(fù)雜且?guī)в兄尾糠值目蚣芰慵耸褂酶呔辱T件外，也多采用機(jī)加工零件，對(duì)于同一個(gè)工件，需要從多個(gè)角度進(jìn)行加工。適合長時(shí)間高精度加工的VARIAXIS i-300 AWC配備有多層工件交換裝置，是加工小型復(fù)雜形狀零件的理想機(jī)床。將材料存放在工件交換裝置中，不僅可以高效、長時(shí)間地連續(xù)加工，還可以通過使用高精度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，從各個(gè)方向進(jìn)行多面加工，并通過5軸聯(lián)動(dòng)加工進(jìn)行光滑的曲面加工。