金属玻璃为“协作机器人”、涂层等做好准备

我们承诺的机器人助手在哪里?

尽管过去百年来机器人在大众想象中占据的所有空间——尽管现实世界中的自动机数量几十年来一直在增长——但大多数人与它们的互动仍然仅限于免提真空吸尘器或儿童智能玩具.

NASA 衍生公司 Amorphology Inc. 的首席技术官 Glenn Garrett 表示,造成这种情况的主要原因有两个:成本和安全性(www.91fn.cn)。大多数自动化机械仍然只有能够进行重大投资并期望长期节省的大型制造商才能负担得起。尽管机器人占据了越来越多的工厂车间,但出于安全考虑,它们通常与人类同事隔离开来——在很大程度上对周围环境一无所知,它们既强壮又笨拙。

在 1990 年代中期,西北大学的两位教授在一个新术语下为另一种概念申请了专利:协作机器人。旨在与人类合作的协作机器人将更小、更智能、反应更快、意识更强,具有更严格的自我控制和更好的举止。此后的几年里,人工智能和传感器的飞跃使这些“更友好”的机器人成为现实,但成本仍然阻碍了它们的广泛采用。

“这就是机器人行业的发展方向,”加勒特说,并指出一些协作机器人已经在制作拿铁和三明治等产品。“但如果它的成本为 40,000 美元,对于非工业应用来说是遥不可及的。”

应变波齿轮将发动机的快速、低扭矩旋转转换为缓慢、精确、有力的运动。当位于中心的长方形波发生器旋转时,它会使周围的柔轮变形,如红色所示,它与固定外花键的齿啮合。这种相互作用导致柔轮沿与波发生器相反的方向旋转,电机每转一圈只移动两个齿。

然而,最大的成本驱动因素并不总是先进的软件和传感器。相反,他说,它通常归结为一些最基本的机器部件:齿轮。“高精度齿轮的成本至少是机械臂的一半。”

现在,总部位于加利福尼亚州帕萨迪纳的 Amorphology 希望通过最初为从未用于人类交互的机器人(NASA 的行星漫游者)而取得的进步降低协作机器人的价格。

流浪者适应火星气候

NASA 漫游车上的齿轮与地球上的大多数齿轮一样,都是由钢制成,既坚固又耐磨。但是钢齿轮需要液体润滑,而油在月球或火星表面等寒冷环境中效果不佳。因此,例如,美国宇航局的好奇号火星车每次准备开始滚动时都要花费大约三个小时来预热润滑剂,消耗了大约四分之一的可支配能量,否则这些能量本来可以用于科学,材料首席科学家道格霍夫曼说美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室的开发和制造技术小组。“所以这真的很令人沮丧。如果这些齿轮可以打开并驱动,那就太好了。”

着眼于解决这个问题和其他与材料相关的问题,2010 年,喷气推进实验室聘请了霍夫曼,当时他是加州理工学院的一名研究科学家,拥有材料科学和工程背景。美国宇航局在喷气推进实验室资助了一个新的冶金设施,以探索齿轮的替代品并开发新的金属合金。

大多数金属玻璃合金形成坚硬、光滑的表面。这使金属玻璃齿轮具有较长的使用寿命,无需使用液体润滑剂,这使它们对在寒冷环境中运行的 NASA 机器人具有吸引力,在这种环境中,需要在运行前加热润滑剂。

从他在加州理工学院管理喷气推进实验室开始,霍夫曼就熟悉一类新兴的特殊工程材料,称为块状金属玻璃,也称为非晶金属。这些是金属合金,可以在它们的原子形成所有其他金属共有的晶格结构之前从液态快速冷却到固态。相反,原子像玻璃一样随机排列,赋予玻璃和金属的材料特性。

NASA 的好奇号火星车每次穿越火星时,都要花费大约三个小时为其齿轮加热润滑油。为了帮助未来的漫游车节省时间和能源,美国宇航局投资了大块金属玻璃,用于不需要润滑的齿轮。

根据它们的组成元素——通常包括锆、钛和铜——它们可以非常坚固,并且因为它们不是结晶的,所以它们是有弹性的。霍夫曼解释说,大多数组合物还会形成坚硬、光滑的陶瓷氧化物表面,并指出这些特性共同使由一些非晶态金属制成的齿轮具有较长的使用寿命而无需润滑。“当然,这对 NASA 来说非常重要,因为您可以在不润滑变速箱的情况下运行变速箱。”

目前,JPL 与 Motiv Space Systems 公司合作开发的冷操作月球可展开臂 (COLDArm) 预计将使用大块金属玻璃齿轮在低至负 290 华氏度的温度下运行,而无需使用加热源。

经济实惠的机器人零件铸造

但非晶金属还有另一个特性,使它们对地球上的齿轮具有吸引力:“这些合金被设计为具有低熔化温度,因为要制造金属玻璃,你必须比合金结晶更快地冷却合金,”霍夫曼说。这种低熔点,加上它们的天然强度和固化时体积几乎不变化的事实,使块状金属玻璃易于用于注塑成型,从而可以显着降低制造齿轮等零件的成本。

大多数高强度金属具有高熔点。它们不能用模具铸造,因为在熔融状态下,它们只会熔化模具。钢需要轧制或锻造以加强它,这也排除了成型。因此,齿轮通常从钢坯开始,经过“加工”——切割、研磨、铣削和钻孔——成为最终形状。小齿轮,例如用于小型协作机器人的齿轮,尤其具有挑战性,而且成本高昂。

柔性花键是薄的、灵活的、杯形齿轮,是机器人技术中常见的应变波形齿轮的组成部分。它们通常是在一个漫长而昂贵的过程中从钢坯上切割、研磨和钻孔而成的。右侧的柔性花键是由金属玻璃以更便宜、更简单的工艺注塑成型的。

用钢块加工最困难、最昂贵的齿轮部件是机械臂中最常见的齿轮部件之一:柔性花键,一种极薄壁、带有齿缘的柔性杯。这是所谓的应变波齿轮组件的核心部件,与其他齿轮组相比,它提供更好的精度、更高的扭矩和更低的齿隙。这消除了在具有多个关节的机器人肢体中会复合的定位误差。

Hofmann 说:“如果你从未见过它,它是一个非常奇怪的装备,但它是精密机器人的核心和灵魂。”

Hofmann 说,这就是使用非晶态金属成型可以带来最大节省的地方:它的成本大约是用钢加工应变波齿轮的一半。

成型小型、高性能行星齿轮和应变波齿轮成为 Hofmann 于 2014 年共同创立的 Amorphology 的核心业务计划。通过加州理工学院,该公司获得了他为 NASA 开发的多项技术专利。

与此同时,他和同事们继续在冶金实验室和喷气推进实验室的增材制造中心寻找用于航天器的新材料。多项专利和技术促使 Hofmann 成立了第二家分拆公司,专注于在涂层、3D 打印和其他非齿轮相关应用中使用非晶金属。两者都得到了同一个风险投资集团的支持,并在 2020 年以 Amorphology 的名义合并,合并了来自 JPL 的约 30 项技术专利和专利申请。

火星之外的市场

那一年,合并后的公司搬进了一个占地 13,000 平方英尺的新制造工厂,现在约有 15 人在该工厂工作,主要为几个客户制造和测试小型齿轮组件的原型件。Amorphology 的第一个也是最大的客户是世界上最重要的应变波齿轮制造商之一。

Amorphology 首席增长官斯蒂芬·塞普伦斯基 (Stephen Ceplenski) 表示,至少有另一位客户已聘请该公司为消费电子产品部件涂上金属玻璃,使其更加耐用,这表明另一个具有直接潜力的市场。

Hofmann 指出,无需润滑即可运行的齿轮也受到食品制造等企业的关注,在这些企业中,润滑剂可能会成为污染物。

与此同时,该公司的许多其他喷气推进技术专利(均从加州理工学院获得许可)可能距离商业化还有数年的时间,尽管它们所涉及的领域引起了人们的浓厚兴趣。其中包括新合金和先进的金属 3D 打印技术,从热喷涂增材制造到超声波焊接。

Amorphology并不是第一家将喷气推进实验室和加州理工学院大块金属玻璃创新商业化的公司,但加勒特指出,以新材料为基础的创业公司是出了名的困难。他说,如果免润滑齿轮或低成本柔性花键找到了长期市场,“这将是朝着大块金属玻璃持续商业成功迈出的一大步。” “火星探测器的研究将直接负责。”

主营产品:制砂机