马扎克：支撑人形机器人精密运动的先进加工技术

“机器人”这个说法诞生于1920年。在戏剧中出现的机器人是模仿人制作而成，代替人进行劳作。机器人在20世纪60年代开始实用化，其后为了实现作业自动化和提高工作效率，制造出了各种形状的机器人。如今，形态类似人的机器人与我们并肩工作的时代即将到来。

人形机器人的智能：传感器和控制系统

人形机器人由于是模拟人的运动，因此具有大量的活动部位。此外，为了获取外部信息和自身的运动信息，机器人还配备有众多传感器。对来自多个传感器的信息进行整合并使活动部位同时动作所需的复杂计算和处理，需要用到大量的程序，而单靠人工很难一个一个地编写出这些程序。基于人工智能的机器学习技术的发展为解决这一难题做出了贡献。由此，可以采用与以往不同的方法来对机器人进行运动控制。传统的人形机器人根据预先编程的运动模式运动，因此有时无法在未知的环境中做出适当的反应。而机器学习技术可以让机器人通过自身的经验和学习来推导出适当的动作模式。

机器学习的方法正被不断地应用，助力效率提升。如今，通过在高度还原现实世界的物理模拟器中并行运行上千个虚拟机器人，只需几个小时就能收集到相当于真实世界多年的学习数据量。除了通过模拟学习外，还有一种方法是让机器人通过观察人类的实际行为来学习。这样，通过重复进行学习和优化，未来的人形机器人有望能够应对更加多样化的任务。

为什么现在要发展人形机器人？

机器人于1960年左右开始被引入制造业。后来，机器人实现了焊接、喷漆、装配、运输、零件加工和包装等多种工作的自动化。现在已经有很多机器人工作在生产现场，例如形状类似人手臂的多关节机器人、在自动搬运车上配备了自主行走功能的搬运机器人(AMR)等。与此同时，近年来，在全球劳动力短缺的背景下，需要自动化和高效化的工作范围不断扩大，要求机器人具备的功能也越来越多样化。为了满足这些需求，人形机器人成了大家关注的对象。

目前备受关注的人形机器人是指模仿人的外形和动作而设计的机器人。这类机器人的制造困难重重，除了执行器和电池等零件需要小型化外，要实现自主动作，还需要先进的传感和处理技术。因此，人形机器人长期以来未能实现实用化。但近年来随着人工智能的迅速发展，人形机器人迎来了重大转折点。目前，以实际作业为目的的人形机器人已经上市，从2023年左右起，以汽车行业为首，人形机器人的测试性引进正在逐步推进。预计今后为实现人形机器人的实用化而开展的活动将会取得长足进展。除了制造业，机器人还将在服务行业和一般家庭中得到广泛应用，预计未来10年的市场规模将超过300亿美元。

人形机器人的未来

人形机器人的优势就在于是“人形”。首先，人形机器人可以直接使用人类的环境。例如，无需对基础设施进行改进(拓宽通道或消除阶差等)即可引进人形机器人，可以和人类作业人员一起工作。此外，人形机器人的设计目的是让他们从事各种工作，因此他们的优势是可以根据目的灵活地执行任务。

出于人形机器人的特性，大小需要和人一样，并且为了确保安全和性能，需要尽可能轻量化。因此，人形机器人所用的零件需要轻巧、紧凑而且高刚性，并满足严格的尺寸标准。此外，降低单位制造成本对于促进其推广也很重要。

目前的人形机器人尚处于过渡期。传感器的识别能力和处理能力尚有改善余地，可搬运重量以及电池驱动时间也存在一些难题。因此，人形机器人目前仅停留在搬运和分选等基础工作的应用，但今后随着技术开发，除了简单的重复性工作，还有望能在严酷的工作环境、灾难现场等对人类危险的环境下工作。截至2025年，人形机器人相关技术取得了突飞猛进的发展，新的举措层出不穷。不断发展并适应各种环境的人形机器人，将超越行业限制而大展身手。

人形机器人的身体：驱动系统和框架

人形机器人的性能很大程度上取决于其核心部件的精度与坚固程度。为实现复杂而多样的动作，机器人的身体需要采用兼具轻量化、紧凑性、高刚性及高精度的零部件。

执行器作为将能量转化为物理运动的关键部件，根据机器人不同部位的运动需求而有所不同类型：

旋转轴：用于驱动颈部、肩部、髋关节等需旋转运动的部位。其执行器通常由小型电机、可高精度控制旋转的编码器与制动器，以及能将小型电机输出转化为强大扭矩的减速器组成。

直线（线性）轴：用于手腕、脚踝等需在直线方向进行三维角度控制的部位。这类线性执行器需能够支撑机器人自重及搬运载荷，实现平稳的直线运动。

此外，支撑和连接各执行器的框架，不仅需要精密、紧凑的设计，也必须具备足够的结构刚性，以保障整体运动的稳定与准确。

01 实现了高减速比的波动齿轮装置

为了实现与人相同甚至超过人的可动范围，同时进行强大且高精度的旋转轴控制，人形机器人的旋转轴部分使用了波动齿轮装置。波动齿轮装置是一种利用零件的弹性和挠度实现极高减速比的齿轮零件。波动齿轮在实现高减速比的同时，还具有结构简单、扭矩容量高、易于小型化等优点。这种机械结构的设计思维与通常需要消除零件畸变和挠曲的机械零件完全相反，由于是利用零件的弹性，因此需要具备经过精心计算的高精度形状精度，并且除了车削加工外，还需要进行钻孔和面铣等铣削加工、齿轮部分的齿轮加工等多种加工。

马扎克的INTEGREX i-H系列复合加工机采用车削主轴和可倾斜铣削主轴，可高精度地进行各种加工。此外，通过使铣削主轴和车削主轴的旋转同步，可以进行使用了滚齿工具的高精度齿轮加工，通过5轴联动加工实现齿轮部分的高品质精加工。

02 发挥高制动性能的行星滚珠丝杠机构

为了用小型电机产生强大的动力，线性轴也要求使用具有高减速比的零件。代表性零件有使用了行星滚珠丝杠结构的线性执行器。行星滚珠丝杠机构以接受电机等动力的主轴(太阳轴)为中心，行星丝杠组件在其周围旋转，可将主轴的旋转运动平稳地转换为直线运动。此外，行星滚珠丝杠结构不仅通过行星丝杠组件与主轴的轴径比实现了高减速比，而且丝杠零件相互之间的接触点增加，因此具有高刚性和大扭矩容量。为了发挥这些性能，构成组件的丝杠零件不仅需要具备较高的形状精度，而且需要进行光滑的丝杠形状加工。

马扎克高性能CNC车削中心QRX系列是加工这些丝杠零件的理想机型。除了凭借高刚性的机床结构发挥高加工能力外，还能通过车削和使用了丫轴的铣削加工、使用了双刀塔的高效加工，仅用一台机床即可完成主轴的丝杠部分加工，以及键槽和电机连接接口部分的加工。

03 兼顾了轻量化和高刚性的复杂形状一体化零件

用于支撑旋转轴和直线轴执行器的框架零件以及机器人本身的结构件，也与传统工业机器人有着不同的要求。除了尺寸限制外，为了实现人形机器人的轻量化，满足为了最大限度发挥其功能所需的刚性，同时减少零件数量，各处都需要形状复杂的一体化零件。

小型、形状复杂且带有支撑部分的框架零件除了使用高精度铸件外，也多采用机加工零件，对于同一个工件，需要从多个角度进行加工。适合长时间高精度加工的VARIAXIS i-300 AWC配备有多层工件交换装置，是加工小型复杂形状零件的理想机床。将材料存放在工件交换装置中，不仅可以高效、长时间地连续加工，还可以通过使用高精度旋转工作台，从各个方向进行多面加工，并通过5轴联动加工进行光滑的曲面加工。