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智能材料與智能機器人的智能化的論文

時(shí)間:2024-10-27 19:37:05 材料畢業(yè)論文 我要投稿
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智能材料與智能機器人的智能化的論文

  隨著(zhù)科技的發(fā)展與進(jìn)步,一些人類(lèi)不愿意甚至不能夠做的事情(如工作環(huán)境差、勞動(dòng)強度大、危險程度高等的工種或工序)已經(jīng)開(kāi)始利用機器人去實(shí)現,例如汽車(chē)制造工業(yè)中應用的焊接機器人,完成減速器殼體、汽車(chē)座椅、汽車(chē)燃油箱、汽車(chē)車(chē)身等的焊接工作[1]。生產(chǎn)力的發(fā)展使機器人得到快速的發(fā)展,智能科技化程度也越來(lái)越高,不僅部分解放了人類(lèi)的雙手,而且提高了生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。智能機器人除在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用外,在一些服務(wù)行業(yè)也越來(lái)越受到人類(lèi)的青睞。 2016年5月媒體報道,河北保定一家餐廳引進(jìn)智能送餐機器人當“跑堂”,機器人“服務(wù)員”每次充電后可持續工作約8h,具備自動(dòng)送餐、空盤(pán)回收、菜品介紹等功能[2]。機器人甚至可以深入到深海地區探測海底情況,完成人類(lèi)根本做不到的事情。據新華社報道,我國自主研發(fā)的水下機器人“潛龍二號”成功地對西南印度洋脊上的熱液活動(dòng)區開(kāi)展了試驗性應用探測。在這種被稱(chēng)為“海底黑煙囪”的復雜地帶,“潛龍二號”獲得了熱液區的地形地貌數據、發(fā)現多處熱液異常點(diǎn),拍攝到硫化物、玄武巖和海洋生物等大量照片,取得了大洋熱液探測的突破[3]。由此,機器人從最初的僅僅可以完成一些簡(jiǎn)單動(dòng)作發(fā)展到能夠感知環(huán)境的變化,并根據外部環(huán)境做出反應,完成相應動(dòng)作,即人們所說(shuō)的智能機器人。而智能材料可以通過(guò)自身表層或內部結構獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息,隨后進(jìn)行分析、判斷、處理,通過(guò)組織結構的改變實(shí)現功能的更新,實(shí)現與外部環(huán)境相適應的目標,所以其具有類(lèi)似于生物智慧的系統或結構。故這類(lèi)材料可以為機器人智能化的實(shí)現提供更多的可能。

智能材料與智能機器人的智能化的論文

  一、智能機器人的結構組成

  自從1959年世界上第1臺工業(yè)機器人由美國人英格伯格和德沃爾制造成功以后,機器人經(jīng)歷了由完成簡(jiǎn)單操作功能的機械手到智能機器人的變革。目前的智能機器人已經(jīng)具有了類(lèi)似人的思維、判斷能力,擁有強大的感知系統,并可以根據外部環(huán)境的變化實(shí)現自主學(xué)習和自我調整,并根據經(jīng)驗的積累進(jìn)行自我安排,完全獨立的工作[4]。

  智能機器人主要由機械裝置、信息采集與智能控制等部分組成[5]。機械結構系統是機器人的主體,由基座、手臂、末端執行器3大件組成;话阌山饘俨牧霞庸ぶ圃於,要求具有一定的強度、剛度及穩定性,研制強度高、質(zhì)量輕的材料可以既保證其強度、剛度要求,又降低其質(zhì)量,節約能源消耗,同時(shí)新型材料的使用使得智能機器人在較惡劣環(huán)境下工作成為可能,拓寬其應用領(lǐng)域,減輕人類(lèi)負擔。

  信息的采集主要依賴(lài)于傳感技術(shù),傳感器的使用使得智能機器人可以像人類(lèi)一樣擁有“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”,對看到的、聽(tīng)到的、感受到的、接觸到的環(huán)境信息如溫度、壓力、聲音、障礙物等信息進(jìn)行采集,通過(guò)對比行動(dòng)的目標信息,對采集到的數據進(jìn)行分析、篩選,獲得完成指令所需的信息。而傳感器材料的優(yōu)劣直接影響了傳感器性能的好壞,傳感器材料是智能機器人智能化的重要支撐。

  控制部分的功能是實(shí)現機器人接收從傳感器反饋回來(lái)的信息并形成作業(yè)指令以及驅動(dòng)機器人執行相應任務(wù)?刂萍夹g(shù)是智能機器人將信息采集與分析、形成行動(dòng)規范的核心,是智能機器人完成各項任務(wù)的重要組成部分。而智能控制系統的智能程度與控制器的材料密不可分,也是智能機器人實(shí)現靈活行動(dòng)、復雜動(dòng)作等的重要支撐。

  綜上,智能機器人的智能化與智能材料的功能化密不可分,智能材料不僅要具備良好的力學(xué)性能,同時(shí)又需要具備一些特殊功能,即能感知所處的內外部環(huán)境變化,并能通過(guò)改變自身的物理性能或形狀,從而實(shí)現自診斷、自適應、自修復等功能。智能材料的快速發(fā)展與應用促使智能機器人在實(shí)現動(dòng)作、對外界刺激的快速反應等方面取得了明顯的進(jìn)步,對智能機器人智能化的實(shí)現發(fā)揮著(zhù)巨大作用。

  二、智能材料的發(fā)展

  智能材料是一種可以利用組織變化或形態(tài)變化反映對外部環(huán)境刺激的感應并匯總成可靠的信息,然后進(jìn)行自我調整以適應外部環(huán)境的刺激的材料。智能材料是高科技材料,代表了材料科學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù),是智能機器人實(shí)現智能化的重要手段,是功能材料和結構材料的有機結合[6]。智能材料的研制和大規模應用將導致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命,隨著(zhù)智能材料功能的逐步深入研究,智能材料的應用領(lǐng)域也在逐步擴大。

  1.智能材料的特征

  智能材料的開(kāi)發(fā)與研究源于仿生材料,因此智能材料系統具有或部分具有生命運動(dòng)的一些特征:

 、賯鞲泄δ埽杭磳ν饨绛h(huán)境及其它信息的接受能力,如感知到外界及自身所處的環(huán)境條件,如溫度、載荷、聲音、水壓、障礙物等。

 、诜答伖δ埽喝缤梭w的神經(jīng)系統,能夠對采集到的信息與設定指令進(jìn)行對比與分析,形成合理的判斷并反饋給控制系統。

 、坌畔⒆R別與積累功能:主要是對采集信息的分辨能力以及匯總和儲存的功能。

 、茼憫δ埽簩邮盏男畔⑦M(jìn)行判斷與分析后形成初步的行為規范并指導動(dòng)作過(guò)程。

 、葑栽\斷能力:將系統目前狀況與常規狀態(tài)進(jìn)行對比分析,發(fā)現故障并進(jìn)行校正。

 、拮孕迯湍芰Γ簩σ恍┫到y損傷或破壞能夠進(jìn)行自我修復。

  2.機器人中智能材料的應用

  一般來(lái)說(shuō)智能材料在機器人的結構中主要用于基體材料、敏感材料、驅動(dòng)材料等。

  (1)基體材料

  為主要的結構材料,用來(lái)承受一定的載荷,一般以輕質(zhì)材料為主。通常選用高分子材料,不僅密度小、耐腐蝕且具有粘彈性。當然一些輕質(zhì)的金屬材料也可用作基體材料。

  (2)敏感材料

  敏感材料主要起傳感的作用,采集外界環(huán)境的信息如溫度、壓力、PH值、電磁場(chǎng)等。用得較多的敏感材料有壓電材料、形狀記憶合金、光纖材料、磁致伸縮材料等[7]。

  (3)驅動(dòng)材料

  驅動(dòng)材料是機器人能否根據相應指令完成規定任務(wù)的重要保障,源于其在一定條件下,可產(chǎn)生一定的應變和應力,常用的有效驅動(dòng)材料有形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等[8]。

  綜上,有些材料可以起到多重作用,例如形狀記憶材料、壓電材料既可以作為驅動(dòng)材料又可以作為敏感材料使用,這為智能材料的設提供了思路。

  三、智能材料在智能機器人中的應用

  1.傳感器材料

  伴隨材料科學(xué)的發(fā)展,傳感器技術(shù)日益成熟,種類(lèi)多種多樣,早期常選取半導體材料及陶瓷材料,近年來(lái)由于光導纖維、超導材料的研究開(kāi)發(fā),各種傳感器也隨之更新?lián)Q代。例如,較先進(jìn)的紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器,選用以硅為基體的半導體材料,利用其易于微型化、多功能化、智能化的特點(diǎn),借助于半導體光熱探測儀器的靈敏度高、精度高、非接觸性好的性能特點(diǎn)。陶瓷材料和有機材料的快速發(fā)展帶動(dòng)了敏感材料的發(fā)展,不斷地優(yōu)化配方,精密調配原料,經(jīng)高精度成型燒結,研制成新的敏感材料,用于制成新的傳感器。此外,有機高分子敏感材料也是頗具應用潛力的新型敏感材料,可制成濕敏、光敏、氣敏、熱敏、力敏、生物敏和離子敏等傳感器。

  另外,可從2方面著(zhù)手研究提高傳感器的性能,一是采用敏感度更高的感性元件,二是研究新型的檢測方法以及更加精確的信號處理方法。例如,日本基恩士公司采用CMOS感光材料制成數字激光傳感器,測量精度可達0.5mm,且表面材質(zhì)對其基本沒(méi)有影響,智能機器人對目標物體的定位更加精準[9];導電橡膠的電阻也會(huì )隨壓力的變化而變化,因此也常用來(lái)作為觸覺(jué)傳感器的敏感材料[5];擬人化皮膚傳感器利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成 [5]。利用高分子凝膠、合金材料等制成的力傳感器可以很好地模擬生物體的運動(dòng)功能提高機器人抓取動(dòng)作的靈活性。

  2.形狀記憶合金

  形狀記憶合金(SMA)通過(guò)檢測外界環(huán)境如溫度或位移的變化,從而將熱能轉換為機械能,如果能夠很好地控制加熱或冷卻,即可獲得重復性很好的驅動(dòng)動(dòng)作。用形狀記憶合金制作的熱機械動(dòng)作元件具有體積小巧、結構簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),隨著(zhù)形狀記憶合金的產(chǎn)業(yè)化,該材料的優(yōu)點(diǎn)逐漸凸顯出來(lái),越來(lái)越多地被應用到智能機器人的某些零部件中。如用形狀記憶合金可制作成機器人手足、觸覺(jué)傳感器、機器人元件控制器及筋骨動(dòng)作控制等。早在 1986年,日本生產(chǎn)的機器人中就采用了形狀記憶合金,可見(jiàn)日本很早就開(kāi)始了這方面的研究。目前日本關(guān)于形狀記憶合金應用于智能機器人的研究較成功,走在世界的前沿。有報道稱(chēng)日本成功將形狀記憶合金應用到海底機器人和微型機器中,所研發(fā)的一款深海機器人,可以自動(dòng)勘探包括鈷在內的海底稀有金屬資源 [10]。

  形狀記憶材料的一個(gè)特點(diǎn)就是動(dòng)作柔和,被用在某些需要進(jìn)行力量控制的智能機器人上。例如智能機器人夾持器,它是機器人末端執行器之一,一般由手指、傳動(dòng)機構和驅動(dòng)裝置組成,是機器人結構中的一個(gè)重要組成部分。用來(lái)直接抓取和握持工件,以達到約束被夾持工件的自由度,而對其進(jìn)行位置控制的目的。作為電驅動(dòng)器,可替代電磁螺線(xiàn)管、伺服馬達、液壓或氣動(dòng)裝置,SMA驅動(dòng)器設計簡(jiǎn)單、結構緊湊、無(wú)噪音、成本低。SMA驅動(dòng)器往往設計成偏動(dòng)式和差動(dòng)式驅動(dòng)器,這類(lèi)元件尤其適用于可轉動(dòng)的機器人關(guān)節。

  形狀記記合金還可作為驅動(dòng)元件應用到智能機器人中,如形狀記憶合金電機(SMAA)。溫度升高時(shí),SMA材料發(fā)生形狀回復,溫度降低時(shí)形狀保持不變,借助于輔助元件,將電機形狀變化轉變成位移的變化,可見(jiàn)通過(guò)合理控制溫度的升高或降低,SMAA可將熱能(溫度的變化)轉變成機械能(位移的變化)。同時(shí)若再輔以一定的偏動(dòng)或差動(dòng)裝置,可實(shí)現雙向運動(dòng)。SMAA結構較簡(jiǎn)單、易于控制;尺寸較小,易于實(shí)現智能機器人的微型化;動(dòng)作連續可控,易于模仿人類(lèi)的手臂;同時(shí)受溫度及惡劣環(huán)境的影響較小;環(huán)保無(wú)污染。形狀記記合金的主要研究方向著(zhù)眼于從機械手、機器人關(guān)節、手爪的驅動(dòng)等。

  3.壓電材料

  當前,智能機器人可以通過(guò)“壓電效應”把壓力轉換成電信號,從而讓機器人可以產(chǎn)生觸覺(jué)。目前已經(jīng)投入應用的新型壓電材料主要有壓電半導體和有機高分子材料。

  (1)壓電半導體

  有些晶體既具有半導體特性又具有壓電特性,如硫化鋅、氧化鋅、硫化鎬、砷化鈣等。利用其壓電特性可加工成傳感器,半導體特性可加工成電子器件,如果將2者結合,則可以實(shí)現組件與線(xiàn)路的一體化,制成新型集成壓電傳感器。

  (2)有機高分子壓電材料

  一些有機高分子聚合物,經(jīng)延展拉伸和電極化后所形成的高分子薄膜具有壓電性,如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等。獨特的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟、抗扯強度高、耐沖擊。另外,在高分子化合物中摻雜壓電陶瓷鋯鈦酸鉛或鈦酸鋇制成的高分子壓電薄膜。

  4.磁致伸縮材料

  所謂磁致伸縮材料是指材料在交變磁場(chǎng)的作用下,一方面會(huì )發(fā)生長(cháng)度的變化,進(jìn)而產(chǎn)生位移,從而將電能轉變成機械能;若產(chǎn)生反復伸長(cháng)或縮短也即振動(dòng),也可將電能轉變成機械能。另一方面,該材料若受到拉深、壓縮力的作用改變了其長(cháng)度,則材料內部磁通密度也因此發(fā)生相應變化,從而在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電流,將機械能轉換為電能。故此為能量與信息轉換的功能材料?蓪⒋颂匦杂糜谥悄軝C器人進(jìn)行海洋探測。

  四、結語(yǔ)

  智能機器人的時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟,我們夢(mèng)寐以求的智能時(shí)代正一步步向我們走來(lái)。我們渴望智能機器人可以擁有比人類(lèi)更聰明的大腦,更嚴謹的分析、判斷復雜外界環(huán)境的能力,擁有更堅實(shí)的“身體”,更靈活的步伐。而智能機器人智能的提升離不開(kāi)機械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、人工智能、系統工程、材料學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展,其中智能材料的作用功不可沒(méi)。如人造皮膚智能材料,不僅可以清晰地分辨出外部環(huán)境的細微變化如溫度、熱流及各種應力大小的變化等,對于表面的一些狀況如粗糙度、摩擦力等也能夠很好地進(jìn)行區分。智能材料的設計、制造、加工等均涉及到了材料學(xué)的最前沿技術(shù),有待科學(xué)工作者的不斷深入研究與探索。盡管如此,隨著(zhù)科技發(fā)展相信會(huì )有越來(lái)越多的智能材料應用到智能機器人中,智能機器人的智能化程度越來(lái)越高,在各行各業(yè)中都可以看到智能機器人的身影,智能機器人得到產(chǎn)業(yè)化、批量化的生產(chǎn)。

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