支撐人形機器人精密運動的先進加工技術

　　【機床商務網欄目 新品出爐】 “機器人”這個說法誕生于1920年。在戲劇中出現的機器人是模仿人制作而成，代替人進行勞作。機器人在20世紀60年代開始實用化，其后為了實現作業自動化和提高工作效率，制造出了各種形狀的機器人。如今，形態類似人的機器人與我們并肩工作的時代即將到來。
 

　　人形機器人的智能：傳感器和控制系統
 

　　人形機器人由于是模擬人的運動，因此具有大量的活動部位。此外，為了獲取外部信息和自身的運動信息，機器人還配備有眾多傳感器。對來自多個傳感器的信息進行整合并使活動部位同時動作所需的復雜計算和處理，需要用到大量的程序，而單靠人工很難一個一個地編寫出這些程序?；谌斯ぶ悄艿臋C器學習技術的發展為解決這一難題做出了貢獻。由此，可以采用與以往不同的方法來對機器人進行運動控制。傳統的人形機器人根據預先編程的運動模式運動，因此有時無法在未知的環境中做出適當的反應。而機器學習技術可以讓機器人通過自身的經驗和學習來推導出適當的動作模式。
 

　　機器學習的方法正被不斷地應用，助力效率提升。如今，通過在高度還原現實世界的物理模擬器中并行運行上千個虛擬機器人，只需幾個小時就能收集到相當于真實世界多年的學習數據量。除了通過模擬學習外，還有一種方法是讓機器人通過觀察人類的實際行為來學習。這樣，通過重復進行學習和優化，未來的人形機器人有望能夠應對更加多樣化的任務。
 

　　為什么現在要發展人形機器人？
 

　　機器人于1960年左右開始被引入制造業。后來，機器人實現了焊接、噴漆、裝配、運輸、零件加工和包裝等多種工作的自動化?，F在已經有很多機器人工作在生產現場，例如形狀類似人手臂的多關節機器人、在自動搬運車上配備了自主行走功能的搬運機器人(AMR)等。與此同時，近年來，在全球勞動力短缺的背景下，需要自動化和高效化的工作范圍不斷擴大，要求機器人具備的功能也越來越多樣化。為了滿足這些需求，人形機器人成了大家關注的對象。
 

　　目前備受關注的人形機器人是指模仿人的外形和動作而設計的機器人。這類機器人的制造困難重重，除了執行器和電池等零件需要小型化外，要實現自主動作，還需要先進的傳感和處理技術。因此，人形機器人長期以來未能實現實用化。但近年來隨著人工智能的迅速發展，人形機器人迎來了重大轉折點。目前，以實際作業為目的的人形機器人已經上市，從2023年左右起，以汽車行業為首，人形機器人的測試性引進正在逐步推進。預計今后為實現人形機器人的實用化而開展的活動將會取得長足進展。除了制造業，機器人還將在服務行業和一般家庭中得到廣泛應用，預計未來10年的市場規模將超過300億美元。
 

　　人形機器人的未來
 

　　人形機器人的優勢就在于是“人形”。首先，人形機器人可以直接使用人類的環境。例如，無需對基礎設施進行改進(拓寬通道或消除階差等)即可引進人形機器人，可以和人類作業人員一起工作。此外，人形機器人的設計目的是讓他們從事各種工作，因此他們的優勢是可以根據目的靈活地執行任務。
 

　　出于人形機器人的特性，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，人形機器人所用的零件需要輕巧、緊湊而且高剛性，并滿足嚴格的尺寸標準。此外，降低單位制造成本對于促進其推廣也很重要。
 

　　目前的人形機器人尚處于過渡期。傳感器的識別能力和處理能力尚有改善余地，可搬運重量以及電池驅動時間也存在一些難題。因此，人形機器人目前僅停留在搬運和分選等基礎工作的應用，但今后隨著技術開發，除了簡單的重復性工作，還有望能在嚴酷的工作環境、災難現場等對人類危險的環境下工作。截至2025年，人形機器人相關技術取得了突飛猛進的發展，新的舉措層出不窮。不斷發展并適應各種環境的人形機器人，將超越行業限制而大展身手。
 

　　人形機器人的身體：驅動系統和框架
 

　　人形機器人的性能很大程度上取決于其核心部件的精度與堅固程度。為實現復雜而多樣的動作，機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。
 

　　執行器作為將能量轉化為物理運動的關鍵部件，根據機器人不同部位的運動需求而有所不同類型：
 

　　旋轉軸：用于驅動頸部、肩部、髖關節等需旋轉運動的部位。其執行器通常由小型電機、可高精度控制旋轉的編碼器與制動器，以及能將小型電機輸出轉化為強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行三維角度控制的部位。這類線性執行器需能夠支撐機器人自重及搬運載荷，實現平穩的直線運動。
 

　　此外，支撐和連接各執行器的框架，不僅需要精密、緊湊的設計，也必須具備足夠的結構剛性，以保障整體運動的穩定與準確。
 

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　　實現了高減速比的波動齒輪裝置
 

　　為了實現與人相同甚至超過人的可動范圍，同時進行強大且高精度的旋轉軸控制，人形機器人的旋轉軸部分使用了波動齒輪裝置。波動齒輪裝置是一種利用零件的彈性和撓度實現極高減速比的齒輪零件。波動齒輪在實現高減速比的同時，還具有結構簡單、扭矩容量高、易于小型化等優點。這種機械結構的設計思維與通常需要消除零件畸變和撓曲的機械零件完全相反，由于是利用零件的彈性，因此需要具備經過精心計算的高精度形狀精度，并且除了車削加工外，還需要進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系列復合加工機采用車削主軸和可傾斜銑削主軸，可高精度地進行各種加工。此外，通過使銑削主軸和車削主軸的旋轉同步，可以進行使用了滾齒工具的高精度齒輪加工，通過5軸聯動加工實現齒輪部分的高品質精加工。
 

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　　發揮高制動性能的行星滾珠絲杠機構
 

　　為了用小型電機產生強大的動力，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構的線性執行器。行星滾珠絲杠機構以接受電機等動力的主軸(太陽軸)為中心，行星絲杠組件在其周圍旋轉，可將主軸的旋轉運動平穩地轉換為直線運動。此外，行星滾珠絲杠結構不僅通過行星絲杠組件與主軸的軸徑比實現了高減速比，而且絲杠零件相互之間的接觸點增加，因此具有高剛性和大扭矩容量。為了發揮這些性能，構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型。除了憑借高剛性的機床結構發揮高加工能力外，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，僅用一臺機床即可完成主軸的絲杠部分加工，以及鍵槽和電機連接接口部分的加工。
 

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　　兼顧了輕量化和高剛性的復雜形狀一體化零件
 

　　用于支撐旋轉軸和直線軸執行器的框架零件以及機器人本身的結構件，也與傳統工業機器人有著不同的要求。除了尺寸限制外，為了實現人形機器人的輕量化，滿足為了最大限度發揮其功能所需的剛性，同時減少零件數量，各處都需要形狀復雜的一體化零件。
 

　　小型、形狀復雜且帶有支撐部分的框架零件除了使用高精度鑄件外，也多采用機加工零件，對于同一個工件，需要從多個角度進行加工。適合長時間高精度加工的VARIAXIS i-300 AWC配備有多層工件交換裝置，是加工小型復雜形狀零件的理想機床。將材料存放在工件交換裝置中，不僅可以高效、長時間地連續加工，還可以通過使用高精度旋轉工作臺，從各個方向進行多面加工，并通過5軸聯動加工進行光滑的曲面加工。