휴머노이드 로봇의 매우-튼튼한 백본: 티타늄 합금

Tesla Optimus Gen3, Huawei Kuafu 및 UBtech Walker X와 같은 제품이 출시되면서 업계는 새로운 단계로 들어섰습니다. 휴머노이드 로봇은 움직임, 지구력, 안정성에 대한 요구 사항이 매우 높으며 기존 금속은 이러한 요구 사항을 거의 충족할 수 없습니다.티타늄 합금항공우주 산업에서 휴머노이드 로봇으로 응용 분야를 확장하여 로봇의 동작 정확도, 하중 용량 및 서비스 수명을 결정하는 핵심 "골격" 재료가 되었습니다.

 

 

휴머노이드 로봇 설계의 핵심은 인간과 같은 성능과 고성능 사이의 균형을 맞추는 것입니다. 즉, 유연한 움직임, 견고함, 신뢰성은 물론 모터 부하를 줄이고 지구력을 향상시키는 경량 설계도 포함됩니다.

 

높은 비강도

강도는 강철에 가깝고 밀도는 강철의 60%에 불과합니다. 예를 들어 UBtech Walker X는 전체 무게가 55kg에 불과한 티타늄 합금 프레임을 채택했습니다. 대신 강철을 사용하면 무게가 80kg을 초과하여 유연성이 크게 저하됩니다.

 

피로 및 부식 저항

티타늄 합금은 수만 번의 접합 고주파수 회전을 견딜 수 있으며 피로 수명은 스테인레스강의 3배에 달해 안정적인 장기 작동을 보장합니다.- 또한 내식성이 뛰어나 복잡한 환경에 적합합니다.

 

좋은 생체 적합성

이 물질은 인체 조직에 대한 비-저항성이 있어 의료용 재활 로봇 및 외골격과 같은 인간-기계 상호작용 시나리오에 적합하고 인간{2}}기계 공생을 실현하기 위한 핵심 재료 역할을 합니다.

 

강력한 프로세스 호환성

티타늄 합금은 3D 프린팅, 금속 사출 성형 및 기타 공정을 통해 복잡한 구조 부품으로 만들 수 있습니다. 또한 비자성체이므로-센서 및 제어 시스템의 정확성을 방해하지 않습니다.

 

휴아모이드 로봇의 티타늄 합금 부품

 

 

하중-베어링 프레임 및 코어 조인트

내하중-프레임과 코어 조인트는 티타늄 합금의 가장 핵심적인 적용 시나리오로, 휴머노이드 로봇의 내하중과 이동 유연성을 직접적으로 결정합니다. 로봇의 척추, 엉덩이, 무릎과 같은 부품은 고강도, 고인성 및 경량이라는 요구 사항을 동시에 충족해야 하므로 티타늄 합금이 최적의 재료 선택입니다.

 

Tesla Optimus Gen3는 3D 프린팅으로 일체형으로 형성된 티타늄 합금 척추를 채택하여 기존 구조에 비해 강도가 20% 증가했습니다. 고관절과 무릎 관절은 Ti-6Al-4V 합금 기어와 중공 구조를 사용하여 단일 관절에 대해 40%의 중량 감소와 기존 스테인리스강의 3배에 달하는 피로 수명을 달성했습니다.

 

정밀 변속기 및 작동 부품

로봇의 정밀 전송 및 작동 부품에서 티타늄 합금은 모션 정확도와 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

엔드 이펙터 측면에서 Festo의 독일 생체공학 손은 촉각 센서를 패키징하기 위해 0.1mm 티타늄 포일을 사용합니다. 이는 뛰어난 전자기 차폐 효과를 제공하고 알루미늄 합금 포일보다 30% 더 얇습니다. 중국과학원 심양자동화연구소에서 개발한 티타늄- 기반의 유연한 압력 센서 어레이는 5μm의 해상도를 가지며 샤오미 사이버원(Xiaomi CyberOne)의 손가락 끝 촉각 모듈에 적용돼 정밀한 파지가 가능하다.

 

MIM 공정을 기반으로 티타늄 합금을 사용하면 직경 20mm 미만의 마이크로 기어를 생산할 수 있으며, 손재주가 있는 손의 복잡한 구조에 적응하고, 좁은 공간에서 다{1}}도-자유로운 움직임을 실현하고, 경량 설계와 높은 유연성의 균형을 이룰 수 있습니다.

 

특수 시나리오 적응

의료용 재활 로봇의 작동 팔과 이식형 관절 스텐트 등 인체와 장기간 접촉하는 부품에는 Ti6Al7Nb와 같은 특수 티타늄 합금이 사용됩니다.

 

Gr7 티타늄-팔라듐 합금은 산성 매체를 감소시켜 부식에 강하므로 화학 특수 로봇에 적합합니다.

Ti5Al2.5Sn은 뛰어난 저온 성능을 갖고 있어 -253도에서도 인성을 유지합니다. 노르웨이 타이타노보틱스(Titanobotics)의 극지 4족 보행 로봇 TX3는 티타늄 합금 프레임을 채택해 그린란드 영하 58도에서 72시간 동안 연속 빙하 모니터링을 수행할 수 있다.

 

 

범용-Ti6Al4V(Gr5): 성숙한 3D 프린팅, 가공 및 단조 공정을 통해 강도와 비용 간의 최적의 균형을 달성하며 대부분의 핵심 하중-지지 부품에 사용됩니다.

 

Ti6Al4V ELI(초저 삽입형 Gr5): 불순물 함량을 낮춰 -40도에서 충격 인성이 30% 향상되어 심해-저온-, 고-피로 및 의료용 로봇의 하모닉 플렉스플라인 및 그리퍼와 같은 고충격 시나리오에 적합합니다.

 

고강도-Ti10V2Fe3Al: 고-부하 및 고{1}}토크 시나리오를 위해 설계되었으며, 로봇의 정밀 전달 기어와 대형 로봇 다리의 하중을 지탱하는-조인트에 사용됩니다.-

 

높은-탄성과 낮은-탄성률의 티타늄 합금(예: TiNbTa, Ti24Nb4Zr8Sn): 탄성률이 사람의 뼈에 가깝고 유연성과 생체적합성이 뛰어납니다. 주로 생체공학 관절, 유연한 액추에이터, 웨어러블 로봇의 구조 부품에 사용되어 충격을 줄이고 모션 컴플라이언스를 향상시킬 수 있습니다.

 

 

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