碳纤维复合材料在机器人应用中的四大“亮点”

机械臂是机器人执行操作任务的主要部件之一，其主要功能是在与环境进行交互的过程中，能够准确接受指令，并精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行规范性作业。作为机器人技术领域中最为广泛应用的自动化机械装置之一，机械臂在工业制造、医疗、民用、军事、交通物流以及太空探索等领域中都发挥出重要作用。越来越多的新型机械臂开始采用碳纤维复合材料，这种比金属材料贵许多倍的新材料到底有哪些“过人之处”？机械臂设计师选择碳纤维复合材料的理由是什么？

理由一：自重轻=能耗低、生产效率高

机械臂的自重要尽量轻，机械臂越轻，其运动惯量越小。通过轻量化设计可以使机械臂的功率自重比达到最优化，选择轻量化的制作材料也是机械臂实现轻量化的重要途径。碳纤维复合材料的密度仅是钢材的三分之一，比铝合金也要轻30%左右，轻自重意味着机械臂运转过程中需要消耗的能量更少，运行更为轻便快捷。哪怕是能耗比只降低一点点，或者生产效率提升一点点，这在长周期和批量化工作中带来的效果都是巨大的。

理由二：强度大=承载多、功能多样化

机械臂在实现轻自重的同时，更要保证自身具备足够的负载能力。机械手臂要承受的基本重量包括手臂本身的重量加上其手爪抓取工件的最大重量，碳纤维复合材料的比强度和比模量都比钢高，其抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍。某碳纤维企业为隧道勘探机器人配置的一款可伸缩式碳纤维机械臂，其臂厚仅为5MM，直径为18cm，却能够承载高达一百多千克的仪器设备，这种高承载性能赋予了机器人向多元化功能方向发展的可能性。

理由三：蠕变小=精度高、适应能力强

碳纤维复合材料热膨胀系数微乎其微，蠕变小，能够适应温差较大的工作环境。一款专为电力巡检机器人配备的矩形可伸缩式机械臂管，不仅通过降低自重，减少能耗，成倍地延长了工作周期，而且其在严寒、高温等恶劣气候环境下工作性能稳定，能够精确、快速地完成指令，在替代人工巡检工作中发挥出巨大作用，这也是许多特定工作环境下机器人设计优选碳纤维复合材料的重要原因。

理由四：耐疲劳=寿命长、使用成本低

碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性，采用这种先进复合材料制作的零部件使用寿命长，用于维护或者更新的频率低。要想充分发挥出碳纤维复合材料的耐疲劳性能，应从最基本的设计制作出发，因为碳纤维复合材料机械臂的实际耐疲劳性往往受制于复合材料铺层方向与载荷方向的角度设计。因此，在采用碳纤维复合材料制作机械臂时，需要针对机械臂所承受的载荷与实际工况设计一套专门的制作方案。