机器人的结构构件、机器人及其相关制造方法
技术领域
本公开的实施例主要涉及一种机器人的改进，并且更具体地，涉及一种机器人的结构构件、包括该结构构件的机器人及其相关制造方法。
背景技术
结构构件(或结构部件)是用于机器人(尤其是工业机器人)的关键部件。从一个方面来说，此类结构构件通常被设计为承载一定的机械载荷，例如一定的机械扭矩和重量。从另一方面来说，随着机器人在一些特定领域(例如食物、饮料和保健)中的新兴应用，与先前的工业机器人相比，总是需要更严格的卫生标准。
例如，在一些应用中，可能要求机器人的材料能够防止细菌在工业机器人的暴露表面上侵入、存活、生长和繁殖。对于机器人在腐蚀性环境中操作的一些应用，可能还要求用于所有暴露表面的材料表现出良好的耐腐蚀性。
在一些机器人设计中已经提出并应用了一些卫生和耐腐蚀处理。作为一个示例，EP0988939A1公开了一种工业机器人，其中在不改变机械部分的原材料的情况下，通过树脂涂覆在机械部分的外表面上施加抗微生物处理。在这些解决方案中，将涉及功能性涂层的寿命和耐久性，尤其是抗裂性和抗剥离性。同时，由于未改变常规原材料(例如铁)，机器人可能仍然很重。
作为另一示例，WO2006/032603A1公开了一种抓持设备，其包括为抓持设备的表面提供抗微生物效果的抗微生物剂。在这种设计中，抗微生物剂或均匀地分布在抓持设备中，或作为涂层布置在抓持设备上，或作为改性表面布置在抓持设备上。然而，这种抗微生物处理仅针对夹持设备提供，而非能够承载机械载荷的机器人结构构件。
发明内容
本公开实施例提供了一种机器人的基于塑料的大块抗微生物结构构件。这种大块抗微生物塑料解决方案可以同时满足机器人的结构构件的卫生要求和机械性能要求。同时也可以减轻机器人的整体重量。
在第一方面，提供了一种机器人的结构构件。该结构构件适于暴露于环境并承载机械载荷，并且包括：塑料基质；以及与塑料基质混合的抗微生物添加剂。
在一些实施例中，结构构件包括：机器人的臂、腕、平移轴或旋转轴。
在一些实施例中，结构构件由塑料基质和抗微生物添加剂通过注射成型、机加工或3D打印形成。
在一些实施例中，塑料基质由纤维增强塑料制成。
在一些实施例中，纤维增强塑料选自以下中的至少一种：短纤维增强塑料；长纤维增强塑料；以及纤维含量大于30wt％的纤维增强塑料。
在一些实施例中，纤维含量大于30％的纤维增强塑料是纤维含量大于40％的纤维增强塑料。
在一些实施例中，抗微生物添加剂是第一类型抗微生物添加剂，并且其中第一类型抗微生物添加剂是金属离子型的，并且包括金属离子，该金属离子包括银离子和铜离子。
在一些实施例中，第一类型抗微生物添加剂还包括第一载体，第一载体包括沸石和玻璃，用于与金属离子偶联。
在一些实施例中，结构构件中第一类型抗微生物添加剂的含量在0.5wt％至5wt％的范围内。
在一些实施例中，抗微生物添加剂是第二类型抗微生物添加剂，并且其中第二类型抗微生物添加剂是无机氧化物型的，并且包括光催化剂，光催化剂包括氧化锌和二氧化钛。
在一些实施例中，第二类型抗微生物添加剂还包括作为光催化剂掺杂的金属离子。
在一些实施例中，第二类型抗微生物添加剂还包括偶联剂，以将光催化剂偶联至塑料基质。
在一些实施例中，结构构件中第二类型抗微生物添加剂的含量在0.5wt％至5wt％的范围内。
在一些实施例中，抗微生物添加剂是第三类型抗微生物添加剂，并且其中第三类型抗微生物添加剂是有机型的，并且包括以下中的至少一种：季铵盐、肽、低分子量试剂和抗微生物聚合物。
在一些实施例中，结构构件中第三类型抗微生物添加剂的含量在0.5wt％至5wt％的范围内。
在第二方面，提供了一种用于制造机器人结构构件的方法。该方法包括：制备塑料基质；以及将抗微生物添加剂与塑料基质混合，以通过注射成型、机加工或3D打印形成适于暴露于环境并承载机械载荷的结构构件。
在一些实施例中，制备塑料基质包括：由纤维增强塑料制备塑料基质。
在一些实施例中，纤维增强塑料选自以下中的至少一种：短纤维增强塑料；长纤维增强塑料；以及纤维含量大于30％的纤维增强塑料。
在一些实施例中，纤维含量大于30％的纤维增强塑料是纤维含量大于40％的纤维增强塑料。
在一些实施例中，该方法还包括：通过挤出机配混形成母料形式的抗微生物添加剂。
在一些实施例中，抗微生物添加剂是第一类型抗微生物添加剂，并且第一类型抗微生物添加剂是金属离子型的，并且包括金属离子，金属离子包括银离子和铜离子。
在一些实施例中，第一类型抗微生物添加剂还包括第一载体，第一载体包括沸石和玻璃，用于与金属离子偶联。
在一些实施例中，结构构件中第一类型抗微生物添加剂的含量在0.5wt％至5wt％的范围内。
在一些实施例中，抗微生物添加剂是第二类型抗微生物添加剂，并且第二类型抗微生物添加剂是无机氧化物型的，并且包括光催化剂，光催化剂包括氧化锌和二氧化钛。
在一些实施例中，第二类型抗微生物添加剂还包括作为光催化剂掺杂的金属离子。
在一些实施例中，第二类型抗微生物添加剂还包括偶联剂，以将光催化剂偶联至塑料基质。
在一些实施例中，结构构件中第二类型抗微生物添加剂的含量在0.5wt％至5wt％的范围内。
在一些实施例中，抗微生物添加剂是第三类型抗微生物添加剂，并且其中第三类型抗微生物添加剂是有机型的，并且包括以下中的至少一种：季铵盐、肽、低分子量试剂和抗微生物聚合物。
在一些实施例中，结构构件中第三类型抗微生物添加剂的含量在0.5wt％至5wt％的范围内。
在一些实施例中，结构构件包括：机器人的臂、腕、平移轴或旋转轴。
在第三方面，提供了一种机器人。机器人包括至少一个根据本公开第一方面的结构构件。
附图说明
提供本文描述的附图以进一步解释本公开，并且附图构成本公开的一部分。本公开的示例性实施例及其说明用于解释本公开，而非不当地限制本公开。
图1示出机器人的涂覆有涂层的常规结构构件的侧视图；
图2示出根据本公开一个实施例的机器人的结构构件侧视图；
图3示出用于制造如图2所示的机器人的结构构件的方法流程图；
图4示出用于形成母料形式的金属型抗微生物添加剂的方法流程图；以及
图5示出形成母料形式的无机型抗微生物添加剂的方法流程图。
在整个附图中，相同或相似的附图标记用于表示相同或相似元件。
具体实施方式
现在将参考附图中示出的几个示例性实施例来描述本公开的原理。虽然附图中示出了本公开的示例性实施例，应当理解的是，描述这些实施例的目的仅在于使本领域技术人员能够更好地理解并进而实现本公开，并非旨在以任何方式限制本公开的范围。
如本文所使用的，术语“包括”及其变体应理解为开放术语，意指“包括但不限于”。术语“基于”应理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应理解为“至少一个其它实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同或相同的对象。其它定义(显式和隐式)可以包含在下文中。除非上下文中另外明确指出，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。
对于大多数常规工业机器人，它们的臂的大部分由金属材料制成。其中不锈钢因其优异的机械性能和防腐蚀性能而成为有前途的材料。同时，借助于光滑的表面并通过及时的清洁保养(如使用擦拭或冲洗等方法)，这种基于不锈钢的解决方案可以满足一些卫生要求。然而，由于其7.7-8.0g/cm3的相对高密度，这并不是一种轻量化解决方案。
表面处理是实现抗微生物机器人的另一常规解决方案。图1示意性地示出机器人的涂覆有涂层的常规结构臂的侧视图。在这种情况下，机器人臂101的暴露表面可以用含抗微生物剂的特殊涂层102涂覆。这种基于涂层的解决方案能够满足一般工业机器人的耐腐蚀和抗微生物要求。然而，应当考虑功能性涂层的寿命和耐久性，尤其是涂层上可能发生的潜在裂纹或剥离。
与上述基于不锈钢或基于涂层的解决方案不同，本公开实施例提供了一种用于在机器人的结构构件使用的基于塑料的大块的以及抗微生物解决方案。图2示出根据本公开各种实施例的结构构件的侧视图。虽然在整个本公开中将参照机器人臂来描述结构构件，但应当理解的是，相同的技术方案也可以应用于其它类型的结构构件，诸如能够承载预定机械载荷的机器人的腕、平移轴或旋转轴。
如图2所示，根据本公开各种实施例的结构构件200总体上包括塑料基质以及与塑料基质混合的抗微生物添加剂。换句话说，在本公开中，用于机器人臂的传统金属由混有抗微生物添加剂的塑料基材料代替。这样，抗微生物添加剂可以均质且均匀地混合在整个塑料基质中，而不是仅位于表面。这样，可以同时满足机器人臂的卫生要求和机械性能要求。
与上述基于不锈钢的常规解决方案相比，本公开中的这种基于塑料的解决方案可以提供具有固有耐腐蚀能力的轻量化解决方案。此外，与机器人的机械部分仍然由与常规材料(例如铁或铝)类似的原材料制成的基于涂层的解决方案相比，本公开中的大块抗微生物解决方案可以有效避免主要由功能涂层的有限寿命引起的裂纹和剥离。
此外，这种基于塑料的结构构件使得能够容易地制造。例如，在一些实施例中，结构构件可以由塑料基质和抗微生物添加剂通过注射成型、机械加工或3D打印形成。
为了使金属与塑料复合材料之间的机械性能方面的差异最小化，通常需要高机械性能的塑料材料。因此，在一些实施例中，塑料基质可以由纤维增强塑料制成。在一个示例中，纤维增强塑料可以具有至少130MPa的破坏强度和具有在S-N曲线(以Al合金作为基准)中106次循环后至少35MPa的疲劳强度，以提供优异的机械性能。
在一些实施例中，纤维增强塑料可以是长纤维增强塑料。由长纤维增强物制成的结构构件显示出非常低的蠕变趋势和增强的疲劳强度，适用于静态和动态负载条件下的机器人臂。通常，长玻璃纤维增强塑料在拉伸试验中显示出更线性的行为和优异的弹性变形能力。
在一些其它实施例中，纤维增强塑料可以是纤维含量大于30％、或大于40％、或甚至大于50％的高纤维含量增强塑料。高纤维含量纤维增强塑料可以提供用于机器人臂应用的可接受强度和模块。
当然，应当理解的是，根据结构构件的机械性能要求或应用，其它类型的增强塑料，例如短纤维增强塑料也是可行的。
替代地或附加地，在一些实施例中，可能要求塑料基质具有低吸湿性特性，否则机械性能会因湿度而降低。在一些实施例中，尤其是对于食物和饮料应用，也可能需要经食物接触认证的塑料。
用于塑料材料的抗微生物添加剂显示出特定活性，其可以保持塑料表面对微生物的持久保护、杀死微生物或抑制其生长。添加剂可以被配制成浓缩粉末、液体悬浮液或母料丸粒以用于不同制造过程和应用。例如，抗微生物添加剂可以采取母料形式并通过挤出机配混制造。抗微生物添加剂的三种主要类型包括：(i)金属离子型；(ii)无机氧化物型，和(iii)有机型。
在一些实施例中，抗微生物添加剂可以是金属离子型的(也称为第一类型)，其包含金属离子，金属离子包括但不限于银离子和铜离子。这种金属离子可以与膜蛋白相互作用，以阻断呼吸和电子转移，或者与DNA、蛋白相互作用，并诱导细胞内活性氧簇(ROS)的产生。以银离子为例，其特征包括良好的热稳定性、广谱抗微生物能力和使用安全性。
替代地或附加地，金属离子型抗微生物添加剂还可以包括用于与金属离子偶联的载体。载体可以包括但不限于沸石或玻璃。沸石或玻璃通常用作载体材料以获得更有效的抗微生物性能。这种银系(即，金属离子载体)添加剂的抗微生物率可以达到大于99％的水平。在这种情况下，大多数细菌无法在具有银系抗微生物添加剂的塑料表面上存活。
在一些实施例中，抗微生物添加剂可以是无机氧化物型的(也称为第二类型)，其包括可以是氧化锌(ZnO)或二氧化钛(TiO2)的光催化剂。光催化剂被定义为通过吸收光子而激活、并且能够加速化学反应而不被消耗的物质。当暴露于紫外(UV)光时，光催化剂与环境中存在的氧和湿气相互作用，来产生ROS，ROS可以分解对人体和环境有害的大多数微生物。
例如，TiO2是具有抗微生物功能的典型光催化剂。其特点包括广谱活性和靶向非选择性、性能优越、效果持久、能分解菌体和内毒素、安全且无额外污染。特别是在UV环境中，抗微生物率甚至可以高于99％。也就是说，几乎没有细菌能在具有TiO2系抗微生物添加剂的塑料表面上存活。这特别适合用UV消毒的高卫生水平。
替代地或附加地，无机氧化物型抗微生物添加剂还可以包括作为光催化剂的掺杂的金属离子。典型的偶联剂包括但不限于银。替代地或附加地，无机氧化物型抗微生物添加剂还可以包括偶联剂，以将光催化剂偶联至塑料基质。随着偶联剂的引入，光催化剂与聚合物基质之间的接合可以得到改善。典型的偶联剂包括但不限于KH550。
在一些实施例中，抗微生物添加剂可以是有机型的(也称为第三类型)，其包含以下中的至少一种：季铵盐、肽、低分子量试剂和抗微生物聚合物。
应当理解的是，可以同时使用多于两种类型的抗微生物添加剂以获得更复杂的抗微生物添加剂体系，从而达到一些额外的有利效果。
仅作为示例，第一类型和第二类型可以一起使用以形成抗微生物添加剂体系。如上所述，例如，含有银作为掺杂的光催化剂也可以被视为第一类型抗微生物添加剂(即，银掺杂)与第二类型抗微生物添加剂(即，光催化剂)的组合。这样，可以进一步提高光催化剂的抗微生物率。
下面的表1示出金属离子型抗微生物样品(表的上半部分)和无机型抗微生物样品(表的下半部分)在抗微生物率方面的实验结果。在所示的实验结果中，所有试验均使用大肠杆菌(E.coli)，并且在不同试验中使用不同的抗微生物添加剂体系。
表1
从表1可以看出，当结构构件中抗微生物添加剂(金属离子型和无机氧化物型两种)的含量在0.5wt％至5wt％的范围内时，可以实现大于99％的相对高抗微生物率。如表1进一步所示，通过适当选择抗微生物添加剂体系及其相关含量，抗微生物率甚至可以大于99％。
图3示出如图2所示的用于制造适于暴露于环境并承载机械载荷的结构构件的方法300的流程图。
在310，制备塑料基质。例如，根据机械要求或应用领域，需要相应地制备短纤维增强塑料、长纤维增强塑料或纤维含量大于30％、或大于40％、或甚至大于50％的高纤维含量纤维增强塑料。
在320，可以将抗微生物添加剂与在310制备的塑料基质混合，以通过例如注射成型、机加工或3D打印形成结构构件。
在一些实施例中，在320，抗微生物添加剂可以采取母料的形式，母料可通过例如挤出机配混而预成型。图4示出用于形成母料形式的金属型抗微生物添加剂的方法的流程图400。在该示例中，在410，选择银离子并将其制备为金属型抗微生物添加剂。在420，选择玻璃或沸石并将其制备为载体，用于与银离子偶联以实现更有效的抗微生物性能。在430，可以通过挤出机配混形成母料形式的抗微生物体系(银离子+玻璃/沸石)。
图5示出了用于形成母料形式的无机型抗微生物添加剂的方法的流程图500。在该示例中，在510，选择TiO2并将其制备为无机型抗微生物添加剂。在520，选择银或KH550并将其制备为TiO2的掺杂或偶联剂，以提高光催化剂的抗微生物率。在530，可以通过挤出机配混形成母料形式的抗微生物体系(TiO2+银/KH550)。
总之，本公开的各种实施例提供了一种机器人的基于塑料的大块抗微生物结构构件。与常规解决方案相比，这种用于机器人臂的大块抗微生物塑料解决方案可以实现以下几项优势，诸如：与涂料解决方案相比，抗微生物功能的长期稳定性和耐久性；易于维护(对于卫生应用而言，可以简化清洁过程、降低清洁频率)；易于加工制造(例如无需喷漆处理的彩色设计)；以及轻量化并且低成本，可以代替金属。
应当理解的是，本公开的以上详细实施例仅用于例示或解释本公开的原理，并非旨在限制本公开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，任何修改、等同替换和改进等均应包含在本公开的保护范围之内。同时，本公开所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和边界或范围和边界的等同形式内的所有变型和修改。
