隨著現代工業的發展，機器人的種類和應用領域不斷拓展。按照現代機器人的用途分類，可將機器人分為專業服務機器人和家用服務機器人2大類。

一、機器人的發展及應用現狀

隨著機器人發展的不斷成熟，機器人的應用已從最早的工業領域不斷擴大到醫療衛生、生活服務、空間及海洋探索、軍事和娛樂等。機器人技術將不僅推動制造業進入一個新的階段，同時也將迎來非制造業自動化技術的快速發展。

當前，美、日、歐洲、韓國等工業強國將實現機器人技術突破、促進機器人產業發展放在各國科技發展的重要戰略地位。我國在《中國制造2025》也將“高檔數控機床和機器人”作為10個重點發展領域之一，提出“圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業機器人、特種機器人，以及醫療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人的應用需求，積極研發新產品，促進機器人標準化、模塊化發展”。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020年）》也明確將服務機器人作為未來優先發展的戰略高技術，提出“以服務機器人應用需求為重點，研究設計方法、制造工藝、智能控制和應用系統集成等共性基礎技術”［5］。目前，世界制造業使用工業機器人平均密度為每萬名雇員55 臺，而中國工業機器人的使用密度僅為每萬人36臺。鑒于上述背景，“機器換人”已是大勢所趨。在珠三角地區制造業代表的廣州，政府已經提出到2020 年全市80％以上的制造業企業應用工業機器人及智能裝備。

機器人除了在制造業中涉及的沖壓、焊接、自動化裝配流水線等工藝上得到了廣泛使用外，還可用于替代傳統上需人工完成的打磨、復雜焊接、拋光等復雜動作的工作。蘋果公司采用2臺KUKA電子機器人對Mac Pro的外表進行二次拋光從而生產出如鏡面般的表面，在完成外部打磨之后，機器人同樣會對Mac Pro外殼的內部進行打磨，如圖1所示。焊接機器人在高質、高效的船體焊接生產中，發揮了極其重要的作用，并逐漸向自動化轉型。韓國采用了一種基于PDA的船舶移動焊接機器人Rail Runner，可進入所需焊接雙殼體船的封閉結構，在有毒氣體和高溫的惡劣焊接環境下工作，替代人工實現自動化焊接，如圖2所示。

圖1 機器人對MacPro外殼的內部進行打磨和拋光

圖2 船體6軸焊接機器人

機器人在非制造業中的應用也越來越多樣化。亞馬遜在其配送中心配備了超過1．5萬臺Kiva的輪式機器人，實現倉庫自動化，如圖3所示。這些機器人行動快速、安靜，在收到中央計算機無線傳送的數字指令后，通過掃描地面上的條形碼標穿行、滑動至貨架底下，然后送至揀貨員面前。日本研制的R2D4水下機器人，最大潛深4000m，能自主收集數據，可用于海底火山、沉船和礦藏等。中國科學院沈陽自動化研究所同俄羅斯合作的CR－01、CR－02系列預編程控制的水下機器人，最大潛深為6000m，已完成了太平洋深海的考察工作。在空間機器人方面，美國NASA開發的機器人Robonaut將代替宇航員從事艙外工作，而且反應速度要超過人類，適應于應付不可預見的緊急情況，如圖4所示。

圖3 Kiva的輪式機器人

圖4 空間機器人Robonaut

當前，中國已步入老齡化社會，人口結構老齡化帶來的醫療、康復、助殘等問題也給整個社會帶來了巨大的經濟、資源等壓力。以達芬奇機器人（da Vinci）為代表的手術機器人代表了當前醫療機器人的最高水平，也展現了醫療機器人的廣闊應用前景，而外骨骼機器人也在輔助老年人、殘疾人行走方面展現了其應用潛質。在醫療機器人方面，我國西南醫院等多家醫院使用膠囊內鏡機器人替代傳統胃鏡進行消化道檢查。該機器人只有膠囊大小，患者口服后醫生通過顯示屏可以360°觀察到消化道內部情況，約15min便可完成檢查，不僅讓患者更舒適，并且一次性的膠囊也防止了交叉感染，更加衛生安全。在助老機器人方面，日本Cyberdyne公司的外骨骼機器人Robot Suit HAL可以輔助行走困難的患者實現康復，亦適用于輔助老年人行走，該機器人可以幫助佩戴者完成站立、步行、抓握和舉重物等動作，且持續工作時間可達到280min。

二、機器人用材及其輕量化趨勢

目前，各種牌號的金屬材料是各類機器人結構零部件材料的首選，如鑄鐵、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等。以傳統工業機器人為代表的專業機器人在設計和使用時首先考慮的是需要具有足夠的強度，因此，其結構部件多為各類鑄鐵、合金鋼等材料，亦有部分部件采用鋁合金、復合材料等。

綜合考慮探測救援機器人對減輕自重、快速平穩移動等方面的要求高等特點，采用亞麻纖維天然纖維增強熱塑性樹脂基體或熱固性樹脂復合材料替換45號鋼制作探測機器人的主體后，主體的質量減小至45 kg，較原車體質量減少了190．5 kg，減重率高達80．9％。家用服務機器人對材料強度的要求稍低，但對機器人重量或便攜性有更多要求，因此，服務機器人的基本構架多采用鋁合金材料。如一種老人服務機器人的機械臂構架采用的就是7075鋁合金，通過優化結構實現機械臂的輕量化設計，且保證其性能要求。外骨骼機器人作為助殘機器人的代表，對其減重和便攜性能有更高的要求。如EKSO（圖5）外骨骼機器人以鋁、鈦合金作為其機械結構，總重僅23kg左右，我國電子科技大學的PRMI自主減重外骨骼下肢機器人的材質同樣以鋁合金為主。

總之，為適應機器人向更加輕巧、高效率及操作便捷性等需求，機器人輕量化是未來的發展趨勢，機器人輕量化途徑除了結構設計輕量化外，材料輕量化更為重要。材料輕量化相對于結構輕量化而言，使機器人具有更大的減重潛力和更廣闊的應用范圍［20］。

圖5 EKSO外骨骼機器人

三、輕質鎂材料在機器人上的應用優勢

機器人可選用的金屬材料主要有鋼鐵、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。由于鋼鐵材料的密度高達7．8g／cm3，雖有少部分機器人的運動部件采用了鈦合金材料（4．5g／cm3）或鋁合金材料（2．7g／cm3）代替鋼鐵材料，但鈦合金密度仍然較高，且成本昂貴，鋁合金的密度也高于鎂合金。

鎂或鎂合金作為最輕的金屬結構材料，其密度為鋁的2／3，不到鋼的1／4，對于含30％玻纖的聚碳酸酯復合材料來說，鎂的密度也不超過其10％。此外，我國的鐵、鋁資源儲量僅占世界比例18．7％和2．3％，但我國的鎂礦資源是世界上最富有的，鎂材料的應用具有得天獨厚的資源優勢。因此，鎂及鎂合金材料以其輕質、高比強度等特點，在減重、提高機器人機動性、續航能力等方面有著顯著優勢，是制造機器人的最理想材料之一。

機器人材料的輕量化可大幅提高其機動性，增加其工作效率，突顯機器人在減輕運動慣性、提高操作速度和動作準確度方面的優勢。日本本田公司第3代的ASIMO（圖6）便是由輕質合金制成，其外殼就為鎂合金材質，這使得機器人的自重大大降低，步行速度由原來的1．6km／h提高到2．5km／h，最大奔跑速度達到了3km／h。

圖6 本田ASIMO機器人

鎂合金材料雖然在機器人上得到了初步應用，但是限制鎂合金材料在機器人零部件領域應用的重要瓶頸之一依然是現有牌號鎂合金的強韌性與鋼鐵、鋁合金相比還較低，距機器人材料性能的要求尚有差距，無法實現對鋼鐵、鋁合金等材料的完全替代。因此，開發用于制造機器人零部件的高性能鎂合金及其成形加工技術，對減輕機器人運動部件質量、提高動作準確性、實現節能等都具有重要意義。

2015年10月，北京工業大學針對當前機器人領域研究現狀和發展前景，啟動了“大科研推進計劃——智能機器人”。該計劃除了以智能機器人的重大共性關鍵技術、關鍵零部件、整機研發、集成應用等方向為研究重點外，一個顯著的特點是突出了以鎂合金材料為代表的“機器人用輕量化材料的關鍵技術研究”。該“大科研推進計劃”依托北京工業大學材料學院十幾年以來在輕質鎂合金材料方向的研發團隊和研發平臺優勢，以Mg－Zn－Er、Mg－Gd－Er－Zr等高性能鎂合金的材料設計、精細組織控制、塑性成形機制等研究成果為基礎，瞄準高附加值的醫療機器人、家政機器人在材料輕量化方面的需求，以新型高強高韌鎂合金材料為目標，開發高性能用于醫療／家政等家用服務機器人的鎂合金零部件，著重關注該類機器人手臂等運動部件的輕量化，并逐步實現家用服務機器人的整體減重。

在我國制造業面臨產業升級換代、老齡化社會轉型等背景下，在未來十幾年甚至幾十年內，傳統的工業機器人和新型家政服務機器人的需求將持續上升，機器人市場應用潛力十分顯著。以鎂合金為代表的輕質合金材料在機器人上的應用，具有顯著提高機器人的機動性、減少能耗、提高待機時間等優勢，是機器人研究開發的重要方向之一。