- 相關推薦
智能材料與智能機器人的智能化的論文
隨著科技的發展與進步，一些人類不愿意甚至不能夠做的事情(如工作環境差、勞動強度大、危險程度高等的工種或工序)已經開始利用機器人去實現，例如汽車制造工業中應用的焊接機器人，完成減速器殼體、汽車座椅、汽車燃油箱、汽車車身等的焊接工作[1]。生產力的發展使機器人得到快速的發展，智能科技化程度也越來越高，不僅部分解放了人類的雙手，而且提高了生產效率，降低生產成本。智能機器人除在工業生產中的廣泛應用外，在一些服務行業也越來越受到人類的青睞。 2016年5月媒體報道，河北保定一家餐廳引進智能送餐機器人當“跑堂”，機器人“服務員”每次充電后可持續工作約8h，具備自動送餐、空盤回收、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，完成人類根本做不到的事情。據新華社報道，我國自主研發的水下機器人“潛龍二號”成功地對西南印度洋脊上的熱液活動區開展了試驗性應用探測。在這種被稱為“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、發現多處熱液異常點，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單動作發展到能夠感知環境的變化，并根據外部環境做出反應，完成相應動作，即人們所說的智能機器人。而智能材料可以通過自身表層或內部結構獲取關于環境條件及其變化的信息，隨后進行分析、判斷、處理，通過組織結構的改變實現功能的更新，實現與外部環境相適應的目標，所以其具有類似于生物智慧的系統或結構。故這類材料可以為機器人智能化的實現提供更多的可能。
一、智能機器人的結構組成
自從1959年世界上第1臺工業機器人由美國人英格伯格和德沃爾制造成功以后，機器人經歷了由完成簡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具有了類似人的思維、判斷能力，擁有強大的感知系統，并可以根據外部環境的變化實現自主學習和自我調整，并根據經驗的積累進行自我安排，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桑缶哂幸欢ǖ膹姸取偠燃胺�定性，研制強度高、質量輕的材料可以既保證其強度、剛度要求，又降低其質量，節約能源消耗，同時新型材料的使用使得智能機器人在較惡劣環境下工作成為可能，拓寬其應用領域，減輕人類負擔。
信息的采集主要依賴于傳感技術，傳感器的使用使得智能機器人可以像人類一樣擁有“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”，對看到的、聽到的、感受到的、接觸到的環境信息如溫度、壓力、聲音、障礙物等信息進行采集，通過對比行動的目標信息，對采集到的數據進行分析、篩選，獲得完成指令所需的信息。而傳感器材料的優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現機器人接收從傳感器反饋回來的信息并形成作業指令以及驅動機器人執行相應任務�？刂萍夹g是智能機器人將信息采集與分析、形成行動規范的核心，是智能機器人完成各項任務的重要組成部分。而智能控制系統的智能程度與控制器的材料密不可分，也是智能機器人實現靈活行動、復雜動作等的重要支撐。
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性能，同時又需要具備一些特殊功能，即能感知所處的內外部環境變化，并能通過改變自身的物理性能或形狀，從而實現自診斷、自適應、自修復等功能。智能材料的快速發展與應用促使智能機器人在實現動作、對外界刺激的快速反應等方面取得了明顯的進步，對智能機器人智能化的實現發揮著巨大作用。
二、智能材料的發展
智能材料是一種可以利用組織變化或形態變化反映對外部環境刺激的感應并匯總成可靠的信息，然后進行自我調整以適應外部環境的刺激的材料。智能材料是高科技材料，代表了材料科學發展的前沿技術，是智能機器人實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發展的重大革命，隨著智能材料功能的逐步深入研究，智能材料的應用領域也在逐步擴大。
1.智能材料的特征
智能材料的開發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的一些特征：
①傳感功能：即對外界環境及其它信息的接受能力，如感知到外界及自身所處的環境條件，如溫度、載荷、聲音、水壓、障礙物等。
�、诜答伖δ埽喝缤梭w的神經系統，能夠對采集到的信息與設定指令進行對比與分析，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行判斷與分析后形成初步的行為規范并指導動作過程。
⑤自診斷能力：將系統目前狀況與常規狀態進行對比分析，發現故障并進行校正。
⑥自修復能力：對一些系統損傷或破壞能夠進行自我修復。
2.機器人中智能材料的應用
一般來說智能材料在機器人的結構中主要用于基體材料、敏感材料、驅動材料等。
(1)基體材料
為主要的結構材料，用來承受一定的載荷，一般以輕質材料為主。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，采集外界環境的信息如溫度、壓力、PH值、電磁場等。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)驅動材料
驅動材料是機器人能否根據相應指令完成規定任務的重要保障，源于其在一定條件下，可產生一定的應變和應力，常用的有效驅動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
伴隨材料科學的發展，傳感器技術日益成熟，種類多種多樣，早期常選取半導體材料及陶瓷材料，近年來由于光導纖維、超導材料的研究開發，各種傳感器也隨之更新換代。例如，較先進的紅外傳感器、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，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。陶瓷材料和有機材料的快速發展帶動了敏感材料的發展，不斷地優化配方，精密調配原料，經高精度成型燒結，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，且表面材質對其基本沒有影響，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隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料[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功能提高機器人抓取動作的靈活性。
2.形狀記憶合金
形狀記憶合金(SMA)通過檢測外界環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動作。用形狀記憶合金制作的熱機械動作元件具有體積小巧、結構簡單、控制方便、成本低廉等優點。近年來，隨著形狀記憶合金的產業化，該材料的優點逐漸凸顯出來，越來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、觸覺傳感器、機器人元件控制器及筋骨動作控制等。早在 1986年，日本生產的機器人中就采用了形狀記憶合金，可見日本很早就開始了這方面的研究。目前日本關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，所研發的一款深海機器人，可以自動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特點就是動作柔和，被用在某些需要進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、傳動機構和驅動裝置組成，是機器人結構中的一個重要組成部分。用來直接抓取和握持工件，以達到約束被夾持工件的自由度，而對其進行位置控制的目的。作為電驅動器，可替代電磁螺線管、伺服馬達、液壓或氣動裝置，SMA驅動器設計簡單、結構緊湊、無噪音、成本低。SMA驅動器往往設計成偏動式和差動式驅動器，這類元件尤其適用于可轉動的機器人關節。
形狀記記合金還可作為驅動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，SMA材料發生形狀回復，溫度降低時形狀保持不變，借助于輔助元件，將電機形狀變化轉變成位移的變化，可見通過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)。同時若再輔以一定的偏動或差動裝置，可實現雙向運動。SMAA結構較簡單、易于控制;尺寸較小，易于實現智能機器人的微型化;動作連續可控，易于模仿人類的手臂;同時受溫度及惡劣環境的影響較小;環保無污染。形狀記記合金的主要研究方向著眼于從機械手、機器人關節、手爪的驅動等。
3.壓電材料
當前，智能機器人可以通過“壓電效應”把壓力轉換成電信號，從而讓機器人可以產生觸覺。目前已經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，則可以實現組件與線路的一體化，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。獨特的優點是質輕柔軟、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的作用下，一方面會發生長度的變化，進而產生位移，從而將電能轉變成機械能;若產生反復伸長或縮短也即振動，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度，則材料內部磁通密度也因此發生相應變化，從而在線圈中產生感應電流，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器人進行海洋探測。
四、結語
智能機器人的時代已經開啟，我們夢寐以求的智能時代正一步步向我們走來。我們渴望智能機器人可以擁有比人類更聰明的大腦，更嚴謹的分析、判斷復雜外界環境的能力，擁有更堅實的“身體”，更靈活的步伐。而智能機器人智能的提升離不開機械學、力學、電子學、生物學、控制論、人工智能、系統工程、材料學等多學科的發展，其中智能材料的作用功不可沒。如人造皮膚智能材料，不僅可以清晰地分辨出外部環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行區分。智能材料的設計、制造、加工等均涉及到了材料學的最前沿技術，有待科學工作者的不斷深入研究與探索。盡管如此，隨著科技發展相信會有越來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越高，在各行各業中都可以看到智能機器人的身影，智能機器人得到產業化、批量化的生產。
【智能材料與智能機器人的智能化的論文】相關文章：
建筑電氣與智能化論文05-29
LED農業智能化與光通訊智能化10-09
樓宇智能化在現代建筑的發展的論文06-29
關于綠色建筑智能化研究論文05-22
淺析弱電智能化建筑工程的論文09-19
關于智能建筑智能化網絡設計的幾點思考07-04
嘗試高中地理智能化教學論文09-08
電氣工程自動化與智能化論文07-07
建筑論文-智能化建筑弱電工程的實施09-14
IGBT智能化驅動板SCALE08-23