中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

智能材料与智能机器人的智能化

2018-11-16

随着科技的发展与进步,一些人类不愿意甚至不能够做的事情(如工作环境差、劳动强度大、危险程度高等的工种或工序)已经开始利用机器人去实现,例如汽车制造工业中应用的焊接机器人,完成减速器壳体、汽车座椅、汽车燃油箱、汽车车身等的焊接工作。生产力的发展使机器人得到快速的发展,智能化程度也越来越高,不仅部分解放了人类的双手,而且提高了生产效率,降低生产成本。机器人除在工业生产中的广泛应用外,在一些服务行业也越来越受到人类的青睐。2016年5月媒体报道,河北保定一家餐厅引进智能送餐机器人当“跑堂”,机器人“服务员”每次充电后可持续工作约8h,具备自动送餐、空盘回收、菜品介绍等功能。机器人甚至可以深入到深海地区探测海底情况,完成人类根本做不到的事情。据新华社报道,我国自主研发的水下机器人“潜龙二号”成功地对西南印度洋脊上的热液活动区开展了试验性应用探测。在这种被称为“海底黑烟囱”的复杂地带,“潜龙二号”获得了热液区的地形地貌数据、发现多处热液异常点,拍摄到硫化物、玄武岩和海洋生物等大量照片,取得了大洋热液探测的突破。由此,机器人从最初的仅仅可以完成一些简单动作发展到能够感知环境的变化,并根据外部环境做出反应,完成相应动作,即人们所说的智能机器人。而智能材料可以通过自身表层或内部结构获取关于环境条件及其变化的信息,随后进行分析、判断、处理,通过组织结构的改变实现功能的更新,实现与外部环境相适应的目标,所以其具有类似于生物智慧的系统或结构。故这类材料可以为机器人智能化的实现提供更多的可能。



一、智能机器人的结构组成

自从1959年世界上第一台工业机器人由美国人英格伯格和德沃尔制造成功以后,机器人经历了由完成简单操作功能的机械手到智能机器人的变革。目前的智能机器人已经具有了类似人的思维、判断能力,拥有强大的感知系统,并可以根据外部环境的变化实现自主学习和自我调整,并根据经验的积累进行自我安排,完全独立的工作。



智能机器人主要由机械装置、信息采集与智能控制等部分组成[5]。机械结构系统是机器人的主体,由基座、手臂、末端执行器3大件组成。基座一般由金属材料加工制造而成,要求具有一定的强度、刚度及稳定性,研制强度高、质量轻的材料可以既保证其强度、刚度要求,又减轻其质量,节约能源消耗,同时新型材料的使用使得智能机器人在较恶劣环境下工作成为可能,拓宽其应用领域,减轻人类负担。



信息的采集主要依赖于传感技术,传感器的使用使得智能机器人可以像人类一样拥有“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”,对看到的、听到的、感受到的、接触到的环境信息如温度、压力、声音、障碍物等信息进行采集,通过对比行动的目标信息,对采集到的数据进行分析、筛选,获得完成指令所需的信息。而传感器材料的优劣直接影响了传感器性能的好坏,传感器材料是智能机器人智能化的重要支撑。



控制部分的功能是实现机器人接收从传感器反馈回来的信息并形成作业指令以及驱动机器人执行相应任务。控制技术是智能机器人将信息采集与分析、形成行动规范的核心,是智能机器人完成各项任务的重要组成部分。而智能控制系统的智能程度与控制器的材料密不可分,也是智能机器人实现灵活行动、复杂动作等的重要支撑。



综上智能机器人的智能化与智能材料的功能化密不可分,智能材料不仅要具备良好的力学性能,同时又需要具备一些特殊功能,即能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变自身的物理性能或形状,从而实现自诊断、自适应、自修复等功能。智能材料的快速发展与应用促使智能机器人在实现动作、对外界刺激的快速反应等方面取得了明显的进步,对智能机器人智能化的实现发挥着巨大作用。



二、智能材料的发展

智能材料是一种可以利用组织变化或形态变化反映对外部环境刺激的感应并汇总成可靠的信息,然后进行自我调整以适应外部环境的刺激的材料。智能材料是高科技材料,代表了材料科学发展的前沿技术,是智能机器人实现智能化的重要手段,是功能材料和结构材料的有机结合[6]。智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命,随着智能材料功能的逐步深入研究,智能材料的应用领域也在逐步扩大。



1.智能材料的特征

智能材料的开发与研究源于仿生材料,因此智能材料系统具有或部分具有生命运动的一些特征:

①传感功能:即对外界环境及其它信息的接受能力,如感知到外界及自身所处的环境条件,如温度、载荷、声音、水压、障碍物等。



②反馈功能:如同人体的神经系统,能够对采集到的信息与设定指令进行对比与分析,形成合理的判断并反馈给控制系统。



③信息识别与积累功能:主要是对采集信息的分辨能力以及汇总和储存的功能。



④响应功能:对接收的信息进行判断与分析后形成初步的行为规范并指导动作过程。



⑤自诊断能力:将系统目前状况与常规状态进行对比分析,发现故障并进行校正。



⑥自修复能力:对一些系统损伤或破坏能够进行自我修复。



2.机器人中智能材料的应用

一般来说智能材料在机器人的结构中主要用于基体材料、敏感材料、驱动材料等。



(1)基体材料

为主要的结构材料,用来承受一定的载荷,一般以轻质材料为主。通常选用高分子材料,不仅密度小、耐腐蚀且具有粘弹性。当然一些轻质的金属材料也可用作基体材料。



(2)敏感材料

敏感材料主要起传感的作用,采集外界环境的信息如温度、压力、pH值、电磁场等。用得较多的敏感材料有压电材料、形状记忆合金、光纤材料、磁致伸缩材料等。



(3)驱动材料

驱动材料是机器人能否根据相应指令完成规定任务的重要保障,源于其在一定条件下,可产生一定的应变和应力,常用的有效驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。



综上,有些材料可以起到多重作用,例如形状记忆材料、压电材料既可以作为驱动材料又可以作为敏感材料使用,这为智能材料的设提供了思路。



三、智能材料在智能机器人中的应用

1.传感器材料

伴随材料科学的发展,传感器技术日益成熟,种类多种多样,早期常选取半导体材料及陶瓷材料,近年来由于光导纤维、超导材料的研究开发,各种传感器也随之更新换代。例如,较先进的红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器,选用以硅为基体的半导体材料,利用其易于微型化、多功能化、智能化的特点,借助于半导体光热探测仪器的灵敏度高、精度高、非接触性好的性能特点。陶瓷材料和有机材料的快速发展带动了敏感材料的发展,不断地优化配方,精密调配原料,经高精度成型烧结,研制成新的敏感材料,用于制成新的传感器。此外,有机高分子敏感材料也是颇具应用潜力的新型敏感材料,可制成湿敏、光敏、气敏、热敏、力敏、生物敏和离子敏等传感器。



另外,可从2方面着手研究提高传感器的性能,一是采用敏感度更高的感性元件,二是研究新型的检测方法以及更加精确的信号处理方法。例如,日本基恩士公司采用CMOS感光材料制成数字激光传感器,测量精度可达0.5mm,且表面材质对其基本没有影响,智能机器人对目标物体的定位更加精准;导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化,因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料;拟人化皮肤传感器利用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成。利用高分子凝胶、合金材料等制成的力传感器可以很好地模拟生物体的运动功能提高机器人抓取动作的灵活性。



2.形状记忆合金

形状记忆合金(SMA)通过检测外界环境如温度或位移的变化,从而将热能转换为机械能,如果能够很好地控制加热或冷却,即可获得重复性很好的驱动动作。用形状记忆合金制作的热机械动作元件具有体积小巧、结构简单、控制方便、成本低廉等优点。近年来,随着形状记忆合金的产业化,该材料的优点逐渐凸显出来,越来越多地被应用到智能机器人的某些零部件中。如用形状记忆合金可制作成机器人手足、触觉传感器、机器人元件控制器及筋骨动作控制等。早在1986年,日本生产的机器人中就采用了形状记忆合金,可见日本很早就开始了这方面的研究。目前日本关于形状记忆合金应用于智能机器人的研究较成功,走在世界的前沿。有报道称日本成功将形状记忆合金应用到海底机器人和微型机器中,所研发的一款深海机器人,可以自动勘探包括钴在内的海底稀有金属资源。



形状记忆材料的一个特点就是动作柔和,被用在某些需要进行力量控制的智能机器人上。例如智能机器人夹持器,它是机器人末端执行器之一,一般由手指、传动机构和驱动装置组成,是机器人结构中的一个重要组成部分。用来直接抓取和握持工件,以达到约束被夹持工件的自由度,而对其进行位置控制的目的。作为电驱动器,可替代电磁螺线管、伺服马达、液压或气动装置,SMA驱动器设计简单、结构紧凑、无噪音、成本低。SMA驱动器往往设计成偏动式和差动式驱动器, 这类元件尤其适用于可转动的机器人关节。



形状记记合金还可作为驱动元件应用到智能机器人中,如形状记忆合金电机(SMAA)。温度升高时,SMA材料发生形状回复,温度降低时形状保持不变,借助于辅助元件,将电机形状变化转变成位移的变化,可见通过合理控制温度的升高或降低,SMAA可将热能(温度的变化)转变成机械能(位移的变化)。同时若再辅以一定的偏动或差动装置,可实现双向运动。SMAA结构较简单、易于控制;尺寸较小,易于实现智能机器人的微型化;动作连续可控,易于模仿人类的手臂;同时受温度及恶劣环境的影响较小;环保无污染。形状记记合金的主要研究方向着眼于从机械手、机器人关节、手爪的驱动等。



3.压电材料

当前,智能机器人可以通过“压电效应”把压力转换成电信号,从而让机器人可以产生触觉。目前已经投入应用的新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子材料。



(1)压电半导体

有些晶体既具有半导体特性又具有压电特性,如硫化锌、氧化锌、硫化镐、砷化钙等。利用其压电特性可加工成传感器,半导体特性可加工成电子器件,如果将2者结合,则可以实现组件与线路的一体化,制成新型集成压电传感器。



(2)有机高分子压电材料

一些有机高分子聚合物,经延展拉伸和电极化后所形成的高分子薄膜具有压电性,如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等。独特的优点是质轻柔软、抗扯强度高、耐冲击。另外,在高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅或钛酸钡制成的高分子压电薄膜。



4.磁致伸缩材料

所谓磁致伸缩材料是指材料在交变磁场的作用下,一方面会发生长度的变化,进而产生位移,从而将电能转变成机械能;若产生反复伸长或缩短也即振动,也可将电能转变成机械能。另一方面,该材料若受到拉深、压缩力的作用改变了其长度,则材料内部磁通密度也因此发生相应变化,从而在线圈中产生感应电流,将机械能转换为电能。故此为能量与信息转换的功能材料。可将此特性用于智能机器人进行海洋探测。



四、结语

智能机器人的时代已经开启,我们梦寐以求的智能时代正一步步向我们走来。我们渴望智能机器人可以拥有比人类更聪明的大脑,更严谨的分析、判断复杂外界环境的能力,拥有更坚实的“身体”,更灵活的步伐。而智能机器人智能的提升离不开机械学、力学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程、材料学等多学科的发展,其中智能材料的作用功不可没。如人造皮肤智能材料,不仅可以清晰地分辨出外部环境的细微变化如温度、热流及各种应力大小的变化等,对于表面的一些状况如粗糙度、摩擦力等也能够很好地进行区分。智能材料的设计、制造、加工等均涉及到了材料学的最前沿技术,有待科学工作者的不断深入研究与探索。尽管如此,随着科技发展相信会有越来越多的智能材料应用到智能机器人中,智能机器人的智能化程度越来越高,在各行各业中都可以看到智能机器人的身影,智能机器人得到产业化、批量化的生产。