軽量ロボットへのマグネシウム合金材料の応用

1. ロボットの開発・応用状況

ロボットの開発が成熟し続けるにつれて、ロボットの応用は初期の産業分野から医療や健康、生活サービス、宇宙や海洋探査、軍事やエンターテイメントなどに拡大しています。ロボット工学は製造業を新たな分野に押し進めるだけではありません。段階にありますが、非製造自動化技術の急速な発展も先導します。

現在、米国、日本、欧州、韓国、その他の工業大国はロボット技術に画期的な進歩をもたらし、すべての国の科学技術の発展における重要な戦略的位置にロボット産業の発展を促進しています。 「中国製造2025」においても、中国は「ハイエンドCNC工作機械とロボット」を10の重点開発分野の一つとしており、「産業用ロボット、自動車、機械、エレクトロニクス、危険物などの専門分野に重点を置く」ことを提案している。製造業、国防、軍事、化学、軽工業。 

医療・健康、ホームサービス、教育・エンターテイメントなどのサービスロボットだけでなく、ロボットの応用ニーズも積極的に研究開発し、新製品の標準化やモジュール化を促進する。科学技術開発計画の概要（2006-2020）」でも、サービスロボットを将来の開発における戦略的ハイテク優先事項として明確に捉えており、「サービスロボットのアプリケーション要件、研究設計方法、製造プロセス、およびインテリジェント制御に焦点を当てる」と提案しています。 アプリケーションシステムとの統合などの共通基盤技術」[5]。 

現在、世界の製造業で使用されている産業用ロボットの平均密度は従業員 55 人あたり 10,000 台ですが、中国の産業用ロボットの密度は従業員 36 人あたりわずか 10,000 台です。 以上のような背景から、「機械代替」が一般的な傾向となってきました。 珠江デルタの製造業の代表である広州市では、2020年までに市内の製造業の80％以上が産業用ロボットやインテリジェント機器を導入するよう政府が提案している。

などの工程で広く使用されているほか、 スタンピング、製造業の溶接、自動組立ラインなどでロボットを使用して、研削、複雑な溶接、研磨などの従来の手動作業を置き換えることもできます。 Apple は XNUMX 台の KUKA 電子ロボットを使用して Mac Pro の外観を XNUMX 回磨き、鏡のような表面を作り出しました。 

図 1 に示すように、外部研磨が完了した後、ロボットは Mac Pro シェルの内部も研磨します。溶接ロボットは高品質で効率的な船体溶接生産において非常に重要な役割を果たしており、徐々に自動化へ移行しています。 。 韓国はPDAベースの移動式船舶溶接ロボット「レールランナー」を導入した。これは溶接が必要な二重船殻の船舶の密閉構造に入り込み、手動の代わりに有毒ガスと高温の過酷な溶接環境で作業できる。自動溶接。 

PTJ は、中国科学院の技術的背景に依存し、インテリジェントロボット部品の設計の最適化、製造、国内外の販売に注力する総合的なハイテク企業です。 当社チームは2010年に設立され、高精度・高難度で変形しやすい金属・プラスチック部品の加工や、軽合金・複合材料（金属など）の中小規模の生産・製造に長年取り組んでまいりました。マグネシウム・リチウム合金、マグネシウム・アルミニウム合金、炭素繊維など）部品として。 ロボットの部品調達やカスタマイズサービスも。

非製造業におけるロボットの活用も多様化しています。 Amazon は、図 15,000 に示すように、倉庫の自動化を実現するために、物流センターに 3 台以上の Kiva 車輪付きロボットを装備しました。これらのロボットは高速かつ静かに移動します。 中央コンピュータから無線で送信されたデジタル指示を受信した後、地面にあるバーコードラベルをスキャンして棚の下を通り抜け、ピッカーに送ります。 日本が開発した水中ロボット「R2D4」は最大潜水深度4000メートルで自律的にデータを収集でき、海底火山や沈没船、鉱床などの調査に使用できる。 

中国科学院瀋陽オートメーション研究所がロシアと協力して開発した、事前にプログラムされ制御された水中ロボットのCR-01およびCR-02シリーズは、最大潜水深度6000メートルで、太平洋の調査を完了している。 。 宇宙ロボットでは、米国NASAが開発したロボット「ロボノート」が宇宙飛行士に代わって船外作業を行うロボットで、人間よりも反応速度が速く、不測の緊急事態にも対応できる。

現在、中国は高齢化社会を迎えており、人口構造の高齢化に伴う医療、リハビリテーション、障害者支援の問題も社会全体に大きな経済的・資源的圧迫をもたらしている。 ダビンチロボットに代表される手術ロボットは、現在の医療ロボットの最高レベルであり、医療ロボットの幅広い応用の可能性を示しています。 

外骨格ロボットは、高齢者や障害者の歩行を補助する際にも利点を示しています。 応用の可能性。 医療ロボットに関して言えば、私の国のサウスウェスト病院などの多くの病院は、胃腸の検査に従来の胃カメラの代わりにカプセル内視鏡ロボットを使用しています。 ロボットはカプセルほどの大きさしかありません。 患者に経口摂取した後、医師は表示画面を通して消化管内を360°観察でき、検査は約15分で完了します。これにより、患者がより快適になるだけでなく、使い捨てのカプセルにより予防効果も得られます。交差感染を防ぎ、より衛生的で安全です。 。 

高齢者向けロボットとしては、日本のサイバーダイン社の外骨格型ロボット「ロボットスーツHAL」は、歩行困難患者のリハビリテーションを支援するほか、高齢者の歩行補助にも適している。 ロボットは、着用者が立って歩く、重い物体を掴んで持ち上げるなどの動作を完了するのを支援し、連続作業時間は280分に達します。

2. ロボットの材料と軽量化の動向

現在、ロボットのさまざまな構造部品の材料としては、鋳鉄、合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金など、さまざまなグレードの金属材料が第一選択されています。 従来の産業用ロボットに代表される業務用ロボットの設計・使用において第一に考慮すべきことは、十分な強度が必要であるということです。 そのため、構造部品の多くは鋳鉄、合金鋼などの各種材料で作られており、一部の部品にはアルミニウム合金や複合材料が使用されています。 待って。

探知救助ロボットの自重軽減、高速かつ安定した動作などの高い要求を考慮し、45#鋼を亜麻繊維天然繊維強化熱可塑性樹脂マトリックスまたは熱硬化性樹脂複合材料に置き換えて主に製造検知ロボット本体の質量は、純正車体質量より45kg減の190.5kgとなり、軽量化率は80.9％と高い。 ホームサービスロボットの材料強度に対する要件はわずかに低くなりますが、ロボットの重量や可搬性に対する要件は高くなります。 したがって、サービスロボットの基本構造にはアルミニウム合金材料が使用されることがほとんどです。 例えば、高齢者向けのサービスロボットのアーム構造は7075アルミニウム合金で作られています。 

アームは構造の最適化により軽量設計を実現し、要求性能を確保しています。 外骨格ロボットは障害者ロボットの代表格として、軽量化と可搬性に対する高い要求が求められます。 たとえば、EKSO (図 5) の外骨格ロボットは、機械構造としてアルミニウムとチタンの合金を使用しており、その総重量はわずか約 23kg です。 私の国の電子科学技術大学のPRMI自律型軽量外骨格下肢ロボットもアルミニウム合金で作られています。

つまり、ロボットの軽量化、高効率化、操作性の向上というニーズに応えるため、ロボットの軽量化は今後の開発トレンドとなっています。 軽量構造設計に加えて、軽量材料もさらに重要です。 軽量構造と比較して、材料が軽量であるため、ロボットの軽量化の可能性が大きくなり、適用範囲が広がります。

3.軽量マグネシウム材料のロボットへの応用メリット

ロボットが選択できる金属材料は、主に鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金などです。鋼材の密度は7.8g/cm3と高いため、ロボットの可動部には一部チタンが使用されています。鋼材の代わりに合金材（4.5g/cm3）やアルミニウム合金材（2.7g/cm3）を使用しても、チタン合金の密度は依然として比較的高い。 アルミニウム合金は高価であり、密度もマグネシウム合金よりも高い。

金属構造材料の中で最も軽いマグネシウムまたはマグネシウム合金の密度はアルミニウムの 2/3 で、鋼の 1/4 以下です。 30% のガラス繊維を含むポリカーボネート複合材料の場合、マグネシウムの密度は 10% を超えません。 また、我が国の鉄とアルミニウムの資源埋蔵量は世界の割合の18.7％と2.3％に過ぎませんが、我が国のマグネシウム鉱石資源は世界で最も豊富であり、マグネシウム材料の応用には独特の資源上の利点があります。 したがって、マグネシウムおよびマグネシウム合金材料は、軽量で比強度が高いため、軽量化、ロボットの操作性の向上、耐久性の向上に大きな利点があります。 ロボットの製造に最も理想的な材料の一つです。

ロボット材料の軽量化により、操作性が大幅に向上し、作業効率が向上し、動作慣性の低減、動作速度と動作精度の向上におけるロボットの利点が強調されます。 日本のホンダ社の第 6 世代 ASIMO (図 1.6) は軽量合金で作られており、そのシェルはマグネシウム合金で作られています。 これによりロボットの自重が大幅に軽減され、歩行速度が時速2.5kmから時速3kmに向上しました。 km/h、最高走行速度はXNUMXkm/hに達しました。

マグネシウム合金材料は当初ロボットに適用されてきましたが、ロボット部品分野でのマグネシウム合金材料の適用を制限する重要なボトルネックのXNUMXつは、依然として既存グレードのマグネシウム合金の強度と靱性が鋼やアルミニウムよりも低いことです。合金。 ロボットの材料に要求される性能にはまだギャップがあり、鋼やアルミニウム合金などの材料を完全に代替することは不可能です。 したがって、ロボット部品を製造するための高性能マグネシウム合金およびその成形・加工技術の開発は、ロボット可動部の低品質化、動作精度の向上、省エネルギー化を図る上で非常に重要です。

2015年XNUMX月、北京理工大学はロボット工学分野における研究の現状と発展の見通しに応えて、「大型科学研究推進プログラム－知能ロボット」を立ち上げた。 このプログラムは、主要な共通キーテクノロジー、キーコンポーネント、完全なマシンの研究開発、インテリジェントロボットの統合アプリケーションに加えて、研究に焦点を当てています。 注目すべき特徴は、マグネシウム合金材料に代表される「ロボット用軽量材料」にスポットライトを当てていることだ。 キーテクノロジー研究」。 

「大きな研究進歩計画」は、軽マグネシウム合金材料の分野における北京理工大学材料科学院の研究開発チームと研究開発プラットフォームの利点にXNUMX年以上依存しており、次のような高性能マグネシウムを使用しています。 Mg-Zn-Er、Mg-Gd-Er-Zrなどの合金材料設計、微細構造制御、塑性加工機構などの研究成果をもとに、高付加価値の医療用ロボットや医療用ロボットのニーズに応えます。家庭用ロボットの軽量化を目指し、医療・家事などの家庭用サービスロボットに使用される高性能マグネシウム合金部品の開発を目標に、高強度・高靱性のマグネシウム合金新素材を開発し、軽量化を重視しています。ロボットアームなど可動部の軽量化を進め、ホームサービスロボット全体の軽量化を徐々に実現していきます。

我が国の製造業が産業の高度化と高齢化社会の変革に直面している状況において、今後XNUMX年、さらには数十年にわたって、従来の産業用ロボットと新しい家庭用サービスロボットの需要は引き続き増加し、ロボット市場への応用の可能性は非常に大きいと考えられます。 マグネシウム合金に代表される軽量合金材料をロボットに適用すると、ロボットの操縦性が大幅に向上し、エネルギー消費量が削減され、待機時間が増加するというメリットがあります。 それはロボットの研究開発の重要な方向性の XNUMX つです。

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