【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 新品出爐】 “機器人”這個說法誕生于1920年。在戲劇中出現(xiàn)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(xiàn)作業(yè)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(tài)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(tǒng)
 

　　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(fù)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(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)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(tǒng)的人形機器人根據(jù)預(yù)先編程的運動模式運動，因此有時無法在未知的環(huán)境中做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。而機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以讓機器人通過自身的經(jīng)驗和學(xué)習(xí)來推導(dǎo)出適當(dāng)?shù)膭幼髂Ｊ健?br /> 

　　機器學(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(dāng)于真實世界多年的學(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器人通過觀察人類的實際行為來學(xué)習(xí)。這樣，通過重復(fù)進行學(xué)習(xí)和優(yōu)化，未來的人形機器人有望能夠應(yīng)對更加多樣化的任務(wù)。
 

　　為什么現(xiàn)在要發(fā)展人形機器人？
 

　　機器人于1960年左右開始被引入制造業(yè)。后來，機器人實現(xiàn)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。現(xiàn)在已經(jīng)有很多機器人工作在生產(chǎn)現(xiàn)場，例如形狀類似人手臂的多關(guān)節(jié)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(guān)注的對象。
 

　　目前備受關(guān)注的人形機器人是指模仿人的外形和動作而設(shè)計的機器人。這類機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，要實現(xiàn)自主動作，還需要先進的傳感和處理技術(shù)。因此，人形機器人長期以來未能實現(xiàn)實用化。但近年來隨著人工智能的迅速發(fā)展，人形機器人迎來了重大轉(zhuǎn)折點。目前，以實際作業(yè)為目的的人形機器人已經(jīng)上市，從2023年左右起，以汽車行業(yè)為首，人形機器人的測試性引進正在逐步推進。預(yù)計今后為實現(xiàn)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(yè)，機器人還將在服務(wù)行業(yè)和一般家庭中得到廣泛應(yīng)用，預(yù)計未來10年的市場規(guī)模將超過300億美元。
 

　　人形機器人的未來
 

　　人形機器人的優(yōu)勢就在于是“人形”。首先，人形機器人可以直接使用人類的環(huán)境。例如，無需對基礎(chǔ)設(shè)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(yè)人員一起工作。此外，人形機器人的設(shè)計目的是讓他們從事各種工作，因此他們的優(yōu)勢是可以根據(jù)目的靈活地執(zhí)行任務(wù)。
 

　　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(qū)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(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，還有望能在嚴酷的工作環(huán)境、災(zāi)難現(xiàn)場等對人類危險的環(huán)境下工作。截至2025年，人形機器人相關(guān)技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，新的舉措層出不窮。不斷發(fā)展并適應(yīng)各種環(huán)境的人形機器人，將超越行業(yè)限制而大展身手。
 

　　人形機器人的身體：驅(qū)動系統(tǒng)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(xiàn)復(fù)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(zhí)行器作為將能量轉(zhuǎn)化為物理運動的關(guān)鍵部件，根據(jù)機器人不同部位的運動需求而有所不同類型：
 

　　旋轉(zhuǎn)軸：用于驅(qū)動頸部、肩部、髖關(guān)節(jié)等需旋轉(zhuǎn)運動的部位。其執(zhí)行器通常由小型電機、可高精度控制旋轉(zhuǎn)的編碼器與制動器，以及能將小型電機輸出轉(zhuǎn)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(zhí)行器需能夠支撐機器人自重及搬運載荷，實現(xiàn)平穩(wěn)的直線運動。
 

　　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，也必須具備足夠的結(jié)構(gòu)剛性，以保障整體運動的穩(wěn)定與準確。
 

　　01
 

　　實現(xiàn)了高減速比的波動齒輪裝置
 

　　為了實現(xiàn)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(zhuǎn)軸控制，人形機器人的旋轉(zhuǎn)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(xiàn)極高減速比的齒輪零件。波動齒輪在實現(xiàn)高減速比的同時，還具有結(jié)構(gòu)簡單、扭矩容量高、易于小型化等優(yōu)點。這種機械結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jīng)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(fù)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(zhuǎn)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(lián)動加工實現(xiàn)齒輪部分的高品質(zhì)精加工。
 

　　02
 

　　發(fā)揮高制動性能的行星滾珠絲杠機構(gòu)
 

　　為了用小型電機產(chǎn)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(jié)構(gòu)的線性執(zhí)行器。行星滾珠絲杠機構(gòu)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(zhuǎn)，可將主軸的旋轉(zhuǎn)運動平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換為直線運動。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現(xiàn)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(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(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。
 

　　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器人本身的結(jié)構(gòu)件，也與傳統(tǒng)工業(yè)機器人有著不同的要求。除了尺寸限制外，為了實現(xiàn)人形機器人的輕量化，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(fù)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(xù)加工，還可以通過使用高精度旋轉(zhuǎn)工作臺，從各個方向進行多面加工，并通過5軸聯(lián)動加工進行光滑的曲面加工。