陈宏伟,刘岗,王晓伟,乐恢榕*
1.清华大学 未来实验室，北京100084;
2.中国科学院大学工程科学学院，北京100049
在21世纪，人们越来越多地感受到机器人在生产、生活和社会中扮演着重要的角色。随着社会老龄化问题的日益严重，劳动力供给将会出现大量短缺，人们对社会服务和保障的需求将更加迫切。服务机器人将更广泛地在各种生产生活操作中取代人力。具体而言，社会老龄化使得劳动力减少而服务需求增加，服务机器人得到了相关行业的广泛关注，因为作为人类劳动力的替代品，服务机器人能够提供日常的服务性劳动，将人类从或繁重、或乏味、或危险的生产生活操作中解放出来[1,2]，在产业界，服务机器人的市场正在如火如荼地酝酿中。
由于要密切融入人类社会，与人频繁紧密接触，安全性是服务机器人研发设计主要考虑的问题之一，即保证人类在与机器协作时不会受到来自机器的物理伤害。其中轻量化设计是人机协作安全性的一个可行方案，通过减轻机器人的机身质量，可以有效地降低其对人体的冲击，从而确保人机协作的安全性。相关研究工作已得到研究人员的广泛关注。本文将简要介绍轻量化复合材料和3D（三维）打印技术在服务机器人上的应用研究并展望该领域的发展前景。
1.1 服务机器人应用特点和应用场景
服务机器人的三个特点是自主性、自动性和运动性。在自主性和自动性方面，传统的工业机器人基本都是按照既定的指令执行动作，而服务型机器人需要增加更多的自主性决策和自动性行为。在运动性方面，工业机器人、特种机器人已经有了很大的突破，但服务机器人的运动性能还有待进一步提高。因此，与传统的工业机器人相比，服务机器人的自主性、自动性和运动性需求都有所不同，需要研究人员分别考虑，重点关注[3,4]。
根据服务场景和服务内容的不同，服务机器人可以分为三类：家庭服务机器人、医疗服务机器人和公共服务机器人[5,6]。
家庭服务机器人是能够代替人完成家庭服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。以机器人管家作为代表[7]162，机器人管家技术还在发展中，可以在生活温湿度控制、环境清洁等方面对家庭环境进行全面地规划和管理，属于智能生活系统，可以为个人的生活质量提高带来巨大的动力。
医疗场景中的服务机器人的应用日益广泛，是医疗行业中关注的热点方向。主要分为两个大类：手术机器人与护理机器人。它能有效地协助医生和护士开展手术和护理工作，给医疗行业带来极大的便利[8]182-187。
公共服务机器人目前已经在市场上得到推广应用，人们在商场、银行、餐厅、博物馆甚至政务大厅经常能见到这些“和蔼可亲”的服务机器人们，为人们提供引导和问询等服务，例如智能接待机器人、餐饮机器人、导游机器人等（图1）[9-13]。
图1 人机交互机器人（左）；
碧桂园“天降美食”服务机器人餐厅（右）[12,13]Figure 1 Human computer interaction robot(left);Biguiyuan“Tianjiang Food”service robot restaurant(right)[12,13]
1.2 服务机器人轻量化发展方向
当前在机器人设计时，很少考虑人与机器人在密闭空间内的密切合作，未能解决机器人的人机协作认知、交互行为和本质安全性等重要问题。所以很多看似简单的工作，机器人无法意识到，灵活性差，工作效率低。
而机器人的轻量化就是解决上述问题的主要途径之一，轻量化后可以大大增加机器人的灵活性和工作效率，并提高操作的速度和精度，减少运动惯性，增加机器人的安全性[14]44。轻量化材料的选择和结构优化设计是实现机器人的轻量化的关键环节。
2.1 3D打印技术概念
3D打印不同于传统制造业的减材制造，是一种快速成型的增材制造技术。常见的喷墨或激光打印是在X和Y平面上的二维（2D）打印，而3D打印增加了一个维度。它是一种基于数字模型文件将具有黏合性的材料（如粉末金属或塑料）逐层堆叠来构建出对象的技术（图2）[15]。3D打印材料主要分为金属材料、聚合物类材料、陶瓷材料和复合材料等。由于使用不同的材料，需要不同的设备和工艺来配合[16]246-247。
图2 3D打印离散堆积的工作原理[15]Figure 2 Discrete stacking working principle of 3D printing[15]
2.2 3D打印技术类别和特点
依据3D打印材料和打印成形方法的现状，打印技术可分为以下几种：熔融沉积式（FDM）、光固化成型（SLA）、三维印刷（3DP）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）、无模铸型制造技术（PCM）等（表1）[17-19]。
表1 各主要3D打印技术性能对比[17-19]Table 1 Performance comparison of major 3D printing technologies[17-19]
3D打印技术的特点有[15]247：
（1）快速成型。3D打印依托三维数模，在打印过程中可以通过使用可黏合性的材料来实现快速成型。
（2）构型精准多样。3D打印可以轻松制造复杂的形状，其中许多形状是无法通过任何其他制造方法来成型的。
（3）不需机械加工。3D打印技术不需要机械加工或任何模具，减少了材料浪费，大大缩短产品开发周期，降低了生产成本。
（4）可产品定制。3D打印不仅提供了更大的设计自由，而且还允许完全定制设计。由于目前的3D打印技术一次只能生产少量零件，非常适合小批量定制生产。
2.3 3D打印技术在服务机器人上的应用
2.3.1 从材料到结构利用3D打印技术实现轻量化事实上，轻量化的优点很容易理解。以服务机器人为例，更轻的质量可以降低生产成本，降低能源消耗，减少运动惯性，从而减轻部件的应力，减轻传动部件的负担，提高安全性、稳定性和工作效率。
要实现轻量化，首先，可以在宏观层面上使用轻量化材料，如钛合金、铝合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。其次，3D打印技术作为一种先进的制造工艺，提供了通过优化结构设计实现轻量化的可行性。主要的方法有空心夹层、薄壁加筋结构构建，空心晶格结构构建，一体化结构设计和异型拓扑优化设计（图3）[20]：
图3 3D打印技术优化结构设计的方法[20]Figure 3 The method of optimizing the structural design of 3D printing technology[20]
（1）空心夹层、薄壁加筋结构通常由较薄的面板和较厚的芯组成。在弯曲荷载下，表面材料主要承受拉应力和压应力，芯材主要承受剪应力和部分压应力。夹层结构具有质量轻、抗弯刚度与强度高、抗失稳能力强、抗疲劳、吸音隔热等优点。
（2）空心晶格结构可以实现工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学和制造成本的完美平衡。通过调整晶格的相对密度、形状、尺寸、材料和加载速率，可以调整结构的强度、韧性等力学性能。
（3）一体化结构设计是指通过3D打印将零部件进行一体化打印，实现了零部件的整体化构建，优化了结构成型方式，帮助设计者突破约束，实现功能优化设计。
（4）异型拓扑优化结构是缩短增材制造设计过程的重要手段。采用拓扑优化方法识别和去除不影响零件刚度的材料。拓扑优化可以实现更好的材料分布，包括边界条件、预紧力以及载荷等。
2.3.2 3D打印技术实现轻量化的应用案例清华大学未来实验室团队设计开发了“天合”移动餐饮服务机器人平台和“天作”协作机械臂（图4），它们是面向未来智能化、情感化、仿生化、轻型化情景的服务机器人，主要应用于餐饮服务行业。可以为服务人群提供早餐、冷餐、咖啡、豆浆、奶茶、碳酸饮料、果汁等餐饮服务。在疫情或是其他极端状况下，可实现24小时非接触式服务。
图4 “天合”移动餐饮服务机器人平台（左）和“天作”协作机械臂（右）Figure 4“Tianhe”mobile catering service robot platform(left)and“Tianzuo”cooperative manipulator(right)
样机的制作中移动平台曲面外壳采用了大型3D打印设备SLA2400-DLC和类ABS光敏树脂打印。六轴机械臂外壳采用工业级3 D打印设备Stratasys Fortus 380mc和尼龙12 CF材料进行模型拓扑优化后一体化打印，减少了需要组装的壳体数量，缩短了研发周期，降低了生产成本，方便服务机器人的小批量生产。最终机械臂整体质量减轻30%，机电系统能耗降低。
3.1 轻量化复合材料概念
复合材料是一种多相材料，一般由两种或两种以上性能不同、形态不同的组分复合而成。既保持了原组分材料的特性，又拓展出了原组分材料所没有的优越性能。碳纤维复合材料是目前应用最广泛、最重要的复合材料之一。碳纤维复合材料以含碳量在95%以上的碳纤维为增强材料，混合了树脂、金属以及陶瓷材料制作而成，具有整体密度低、比强度/刚度高等特点，同时还比常用金属材料更加耐腐蚀和抗疲劳（图5～图7）[21-23]。
图5 纤维与树脂的复合及成型工艺[21]Figure 5 Composite and forming of fiber and resin[21]
图7 传统金属合金与纤维增强复合材料性能区间分布[23]Figure 7 Properties interval distribution of traditional metal alloys and fiber reinforced composites[23]
在碳纤维复合材料领域树脂基复合材料（CFRP）的使用可以占到80%左右，环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯是目前应用于基体最多的树脂材料。CFRP的密度比铝轻，强度还很高，其弹性模量要大于铝合金和钢[24]202，并且具有耐疲劳强度高、冲击韧性好、抗水耐湿、化学性质稳定、可设计性强等优点，总之在现有的结构材料中的综合性能最优而被广泛应用在航空航天、轨道交通、风电、体育休闲、医疗等领域[25-27]。现阶段工艺成熟、成本较低且耐温度能力在不断提高[28]35。但是在其制造件表面处理，机加工等后处理方面的问题仍需要更多的研究和探讨[25]，以及需要注重成型技术及设备的国产化、树脂基体技术的发展、调整产业需求结构向高端化发展[22]16。
金属基复合材料中，目前以镁/铝合金作为金属基体的研究较多、应用较广[29，30]。与树脂基复合材料相比，不仅具有高比强度、比模量，低膨胀系数，不吸潮，气密性好，尺寸稳定性好等特点，还表现出良好的耐高温，抗老化，高热导率，高电导率等特性，被广泛应用于航空航天、电力传输、汽车工业等对材料性能要求较高、材料使用环境恶劣的领域[31，32]。但是其加工温度高，制备工艺复杂，成本高，性能波动较大，缺陷如疏松、气孔等十分难以控制，还有碳纤维与金属基体之间的润湿性与结合力等问题[33，34]。表2中总结了部分连续碳纤维增强金属基复合材料的合成工艺和应用[23]。
表2 几种连续碳纤维增强金属基复合材料合成工艺及应用[23]Table 2 Synthesis and application of carbon fiber continuous reinforced metal matrix composites[23]
图6 碳纤维复合材料分类示意图[22]Figure 6 Classification of carbon fiber composite[22]
陶瓷基复合材料一般是以耐高温陶瓷为基体的一类复合材料，既克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点，又提高了材料的抗热震冲击能力[35]9，同时保持了陶瓷基体轻质高强、耐高温、抗氧化、耐烧蚀等优异特性，是航空航天领域极具潜力的热结构材料，目前已应用于卫星姿控轨控发动机、宇宙飞船、宇航探测器推进系统、航天飞行器等多个方向[36]77。但是其制备工艺复杂，加工难度大，很难应用于连续生产，以及基体和碳纤维润湿问题，还有高温环境下的耐久性和安全可靠性问题，都是当下发展碳纤维增强陶瓷基复合材料亟需深入研究解决的[35，37]。
3.2 碳纤维复合材料零件成型工艺
3.2.1 传统成型工艺传统碳纤维复合材料零件的制造大多采用拉挤、模压和缠绕等成型工艺。拉挤成型是将浸渍树脂胶液的连续纤维束，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的型材。模压成型是先将纤维状的塑料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化（图8）[38]。缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品[39]3。
图8 纤维增强树脂基复合材料拉挤成型工艺示意图[38]Figure 8 Schematic diagram of pultrusion process of fiber reinforced resin matrix composite[38]
上述CFRP件成型容易，但模具制造工艺复杂，生产效率低，制造成本高。一些复杂的模型零件制造难度大，时间周期长[40]41。
3.2.2 新型成型工艺连续纤维增强热塑性复合材料自动铺放原位成型技术是一种基于自动纤维铺丝设备的复合材料增材制造技术，即铺贴的同时完成零件制造（图9）[41]。这种技术大大减少了复合材料的制造过程，对模具的技术要求降低，能成型几何形状复杂、尺寸大的零件，具有成型效率高、质量高的特点，热塑性预浸材料可用于常温贮存，使得复合材料制造成本可降低50%以上[41]。该技术针对多相材料，需要同时控制树脂基体相和纤维增强相两种材料的界面融合及外形制造，工艺控制难度大，还要综合考虑材料特性、设备本身的功能以及工艺参数与两者的耦合影响，不断进行性能测试及控制机制研究。自动铺放设备一体化技术和后处理技术仍然是未来研究的热点[39]46。
图9 热塑铺丝设备[41]Figure 9 Thermoplastic wire laying equipment[41]
碳纤维复合材料3D打印技术，同样能够有效解决传统成型工艺的问题，利用3D打印技术实现碳纤维复合材料复杂结构的快速成型和一体化成型。同时，可以灵活设置碳纤维材料的打印路径，充分利用碳纤维材料的各向异性，制造出达到需求的高强度零件。
与现有技术对比，3D打印成型具有工艺过程简单，制造成本低，材料利用率高等优点。同时，3D打印技术可以实现复杂结构的一体化成型，无需模具及连接件，为复杂复合材料结构的低成本制造提供了有效的技术途径。但是3D打印技术成型的复合材料力学性能明显低于现有技术制造的复合材料，这是由于3D打印过程中成型压力小、纤维浸渍不充分，使得成型后的复合材料孔隙率高、纤维体积含量偏低。
3.3 碳纤维复合材料的3D打印及应用
3.3.1 短碳纤维复合材料的3D打印及应用短碳纤维复合材料的3D打印相对成熟。对于短碳纤维复合材料，理论上纤维长度为0.2～0.4 mm，FDM（熔融沉积建模）和SLS（选择性激光烧结）打印的纤维长度在5～10 μm。加入短碳纤维，能明显提高材料的力学性能，尤其是拉伸、弯曲强度和模量。从原材料的角度来看，关键因素有：
（1）保证碳纤维在丝束或粉末中的均匀分散；
（2）碳纤维与树脂界面良好；
（3）优化碳纤维的长径比分布；
（4）最大化碳纤维的取向。
从技术和设备的角度，挑战在于进一步提高精度和避免孔洞。
短碳纤维复合材料，特别是聚酰胺（PA）和聚醚醚酮基（PEEK）材料，具备较高的力学性能，可应用于汽车、无人机、航空等工业零部件的强度和轻量化要求。此外，这些部件耐高温和耐化学腐蚀，电性能及摩擦性能更有选择性（表3）[42]。
表3 商业化的3D打印的短碳纤维复合材料的力学性能（以FDM方法为例）[42]Table 3 Mechanical properties of commercial 3D printed short carbon fiber composites(taking FDM method as an example)[42]
图10是使用PA12 CF（一种碳纤维增强尼龙复合材料）通过3D打印设备Stratasys Fortus 380mc打印的样品。
图10 六轴机械臂关节（左），带有齿条形状的机械臂抓手传动件（右）Figure 10 Six axis mechanical arm joint(left),mechanical arm gripper transmission with rack shape(right)
3.3.2 连续碳纤维复合材料的3D打印及应用3D打印连续碳纤维复合材料，主要是商用热塑性塑料，碳纤维（或者浸渍的碳纤维）和塑料丝束通过FDM（单喷头或双喷头）打印出来。从设备的角度来看，FDM设备必须具备共挤出和切割的功能。连续碳纤维增强热塑性塑料的3D打印具有高效、低成本的潜力，具有广阔的发展前景。学术界包括日本理工大学、南京林业大学、西安交通大学等，均拥有该领域的相关专利。成型的关键在于碳纤维与热塑性塑料的良好界面，碳纤维的取向（不限于X轴和Y轴），零件的结构设计和打印过程的控制（喷嘴和切刀的设计，原料前处理和零件的后处理）。
2014年，Markforged推出了第一台用于连续碳纤维增强高分子的3D打印机Mark Two。目前，其最新的工业级打印机FX20可打印525 mm×400 mm×400 mm，精度在100 μm。该机采用FDM技术，X/Y轴可随意取向，Z轴可以达到±45°。此外，该公司还可以打印热塑性塑料O n y x、尼龙、连续碳纤维、玻璃纤维以及凯夫拉纤维。表4是该公司提供相关材料的一些力学测试数据，其中纤维是单取向。
表4 Mark Two打印材料的力学数据Table 4 Mechanical data of Mark Two printed materials
将3D打印技术的结构优化设计、复杂结构的整体快速成型以及碳纤维复合材料的结合应用于服务机器人，可实现服务机器人的轻量化，降低机电系统的能耗，缩短开发周期，降低成本，方便小批量生产。
未来若要实现碳纤维复合材料3D打印技术在服务机器人上的广泛应用，则当下亟须提高包括碳纤维增强尼龙复合材料在内的现有材料在耐高温、高强度等方面的性能，降低材料成本，缩短打印时间，开发出适合连续碳纤维复合材料的国产化3D打印设备以及相适应的切片软件。而同样具备发展潜力的碳纤维增强金属基复合材料，也亟须研究出新的制造工艺，降低其制备成本。
致谢
感谢清华大学-佛山先进制造研究院和佛山隆深机器人公司的大力支持，同时也感谢清华大学未来实验室和中国科学院大学的老师同学们的帮助。
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