一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人；半柔性機(jī)器人包括：機(jī)器人軀干，軀干內(nèi)安裝的儲(chǔ)能裝置，連接在軀干上的多自由度運(yùn)動(dòng)的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，連接在手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端上的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分布于機(jī)器人內(nèi)部的液態(tài)金屬柔性電路；通過對(duì)液態(tài)金屬材料的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)多樣，剛?cè)峤Y(jié)合的特點(diǎn)；相比于傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性連桿設(shè)計(jì)，基于液態(tài)金屬的仿人機(jī)器人適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景更多樣，可靠性與耐損傷性能也有所提高，這也為未來可以自由變形的液態(tài)金屬機(jī)器人的研發(fā)提供了基礎(chǔ)。
【專利說明】
一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及人形或半人形機(jī)器人，特別涉及一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，隨著計(jì)算技術(shù)、新材料和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為集多種科學(xué)技術(shù)為一體的機(jī)器人逐漸從科幻小說和影視作品中走向人們的日常生活。無論是在工廠中組裝零件的工業(yè)機(jī)器人，抑或是在庭院中清掃落葉的家用機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)用為人類的生產(chǎn)生活提供了極大的便利。人形機(jī)器人是具有人類外形特征的一類機(jī)器人，在軍事偵察、醫(yī)療衛(wèi)生以及家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]傳統(tǒng)機(jī)器人經(jīng)過多年發(fā)展，在硬件以及材料與機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇上已經(jīng)形成了較為成熟與通用的方案。傳統(tǒng)人形機(jī)器人，包括工業(yè)機(jī)械臂在內(nèi)，通常使用多連桿結(jié)構(gòu)，在關(guān)節(jié)位置使用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。也有部分對(duì)輸出力矩要求較高的機(jī)器人使用液壓油傳動(dòng)的液壓桿。在材料上，傳統(tǒng)機(jī)器人多使用金屬或塑料等剛性材料，機(jī)器人的自由度數(shù)有限，相比于生物體，其可以應(yīng)用的環(huán)境也相應(yīng)受到了限制。
[0004]傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人一般采用液壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可以提供較大的機(jī)械力量，然而剛性機(jī)器人的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如生物體，因而無法完全代替人類完成一些精細(xì)操作。由柔性材料制造而成的柔性機(jī)器人則由于其材料的高順應(yīng)性而具有靈活的變形能力以及對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。近些年來許多研究人員將可變形柔性材料應(yīng)用于柔性機(jī)器人的制造，例如充氣橡膠、介電彈性體、電致伸縮彈性體、碳納米管和聚合物纖維等。目前這類材料在人工肌肉研究中得到廣泛的應(yīng)用，有些柔性變形材料可以提供遠(yuǎn)大于生物肌肉的變形能力。
[0005]液態(tài)金屬是熔點(diǎn)不超過鋁熔融溫度(660.37°C)的十七種金屬的總稱。這十七種金屬分別是萊、銫、鎵、銣、鉀、鈉、銦、鋰、錫、祕(mì)、銘、鎘、鉛、鋅、鋪、鎂、招。另外，還有許多合金以及上述金屬的合金在室溫甚至在更低的溫度時(shí)也為液態(tài)。液態(tài)金屬本身具有很好的導(dǎo)電性，并且在常溫下處于液體狀態(tài)，通常以鎵金屬或者鎵基合金，以及含有銦的伍德合金為主。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型解決的問題在于提供一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，使用了可彎曲的柔性電路，以及利用液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠適應(yīng)更多樣化的使用場(chǎng)景，且可靠性與可修復(fù)性更高。
[0007]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0008]—種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，包括機(jī)器人軀干以及與其連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人軀干內(nèi)置有儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能裝置通過柔性電路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接；
[0009]所述的柔性電路包括微控制芯片和封裝有液態(tài)金屬的柔性導(dǎo)線，液態(tài)金屬作為動(dòng)力電流和/或電子信號(hào)傳遞的傳導(dǎo)通道，柔性導(dǎo)線允許一定范圍內(nèi)彎曲或變形。
[0010]所述的柔性導(dǎo)線是外部為絕緣的柔性材料，內(nèi)部封裝有液態(tài)金屬材料；
[0011 ]所述的液態(tài)金屬材料為常溫下處于液體狀態(tài)的金屬或合金的混合物。
[0012]所述的柔性導(dǎo)線采用以下封裝結(jié)構(gòu)之一或其結(jié)合:
[0013]封裝方式a:柔性基底上噴涂或涂抹打印液態(tài)金屬材料，對(duì)液態(tài)金屬材料不封裝或用柔性材料涂覆封裝；
[0014]封裝方式b:柔性微管道內(nèi)封裝入液態(tài)金屬。
[0015]所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括與機(jī)器人軀干相連接的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端連接有手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
[0016]所述的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)為能夠多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人手臂；
[0017]所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括能夠變形的手形機(jī)構(gòu)和基于液體金屬的觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬作為機(jī)器人可變形執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變形誘發(fā)介質(zhì)或傳導(dǎo)介質(zhì);所述的觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)是引起液體金屬的質(zhì)量分布變化、形狀分布變化、電致變形和/或液壓變化的機(jī)構(gòu);觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)觸發(fā)液體金屬改變狀態(tài)帶動(dòng)手形機(jī)構(gòu)變形。
[0018]所述的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)采用電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，或者采用電致變形材料，配合對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多自由度運(yùn)動(dòng)。
[0019]所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用以下變形方式之一或其結(jié)合進(jìn)行變形:
[0020]變形方式a:通過管道與栗，改變液態(tài)金屬在手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的位置與質(zhì)量分布，通過重力作用產(chǎn)生變形；
[0021 ]變形方式b:液態(tài)金屬附著或封裝于執(zhí)行元件，外加電場(chǎng)使得液態(tài)金屬收縮，改變執(zhí)行元件的形狀產(chǎn)生變形；
[0022]變形方式c:液態(tài)金屬作為薄膜電極，驅(qū)動(dòng)人工肌肉材料產(chǎn)生彎曲變形；
[0023]變形方式d:液態(tài)金屬作為循環(huán)工質(zhì)，通過液壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變形。
[0024]所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括由柔性材料構(gòu)成的手形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬通過噴涂或涂抹打印的方式涂覆在柔性材料的基底表面；當(dāng)外加電場(chǎng)施加于液態(tài)金屬后，其表面張力發(fā)生變化，帶動(dòng)柔性基底發(fā)生彎曲，形成對(duì)待操作物體的夾持。
[0025]所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括柔性材料構(gòu)成的手形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬封裝在柔性材料內(nèi)中空的管道內(nèi)；當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)尚未夾持時(shí)，液態(tài)金屬材料位于遠(yuǎn)離端部的位置，管道未變形；當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要夾持時(shí)，液態(tài)金屬通過栗的作用運(yùn)輸?shù)绞中螜C(jī)構(gòu)端部位置，增加端部的質(zhì)量，在重力作用下手形機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。
[0026]所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括以轉(zhuǎn)軸相連接的液壓臂作為手形機(jī)構(gòu)，其中上節(jié)液壓臂與液壓裝置的液壓箱相連接，下節(jié)液壓臂與液壓裝置的液壓桿相連接，液壓箱內(nèi)充有液態(tài)金屬作為流動(dòng)工質(zhì)；當(dāng)液態(tài)金屬材料開始向液壓箱填充，推動(dòng)液壓桿伸長，帶動(dòng)下節(jié)液壓臂相對(duì)轉(zhuǎn)軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。
[0027]所述的儲(chǔ)能裝置為液態(tài)金屬燃料電池，液態(tài)金屬燃料電池包括相隔絕的氧化艙和氫氣反應(yīng)艙，氫氣反應(yīng)艙內(nèi)設(shè)有浸沒在酸性、堿性或中性的電解質(zhì)溶液中的液態(tài)金屬材料與鋁，兩者反應(yīng)生成的氫氣通過連接孔與反應(yīng)艙的還原端相連通;氧化艙內(nèi)存儲(chǔ)有氧化劑，氧化劑通過連接孔與反應(yīng)艙的氧化端相連通;氫氣與氧化劑在反應(yīng)艙內(nèi)通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果:
[0029]本實(shí)用新型提供的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，是一種基于液態(tài)金屬的新概念仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)，通過對(duì)液態(tài)金屬材料的應(yīng)用，利用其多種變形方式實(shí)現(xiàn)了人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)多樣，剛?cè)峤Y(jié)合的特點(diǎn)。采用液態(tài)金屬材料在柔性基底上構(gòu)建柔性人形機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的基本功能，并且能夠最大程度上模擬生物體的運(yùn)動(dòng)特性。相比于傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性連桿設(shè)計(jì)，基于液態(tài)金屬的仿人機(jī)器人適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景更多樣，可靠性與耐損傷性能也有所提高。這也為未來可以自由變形的液態(tài)金屬機(jī)器人的研發(fā)提供了基礎(chǔ)。
[0030]本實(shí)用新型提供的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，采用液態(tài)金屬的基于柔性電路用于構(gòu)建機(jī)器人的電路系統(tǒng)，從而最大程度上滿足機(jī)器人的柔性及變形能力。
[0031]本實(shí)用新型提供的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，基于液態(tài)金屬的物理化學(xué)變化，可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變形。液態(tài)金屬材料具有較好的流動(dòng)性，因而可以方便的控制其形狀、位置分布、重心變化，甚至可以作為流動(dòng)液壓工質(zhì)從而可以實(shí)現(xiàn)多種變形方式。液態(tài)金屬材料有著良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，而且其可在外界電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生不同形式的變形。
[0032]清華大學(xué)微納醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的工作表明，液態(tài)金屬在電場(chǎng)控制下可以實(shí)現(xiàn)自主變形以及定向運(yùn)動(dòng)。僅依靠電場(chǎng)控制就可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在人形機(jī)器人中的定向流動(dòng)，從而引起機(jī)器人各部位的重心變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的變形運(yùn)動(dòng)。除了依靠電場(chǎng)控制液態(tài)金屬的變形運(yùn)動(dòng)以外，該實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)將金屬鋁和鎵銦合金混合可以產(chǎn)生微弱的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬自主運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伴隨氫氣的產(chǎn)生。利用上述原理可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬機(jī)器人的完全自主驅(qū)動(dòng)，而不需要外加電場(chǎng)的控制。
[0033]本實(shí)用新型提供的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，采用基于液態(tài)金屬的燃料電池。同時(shí)液態(tài)金屬材料可以催化鋁和酸堿溶液的反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生氫氣，氫氣可以經(jīng)過燃料電池與氧化劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電能，故而液態(tài)金屬也可以用作提供能量的工質(zhì)。此外，在液態(tài)金屬與鋁反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣可以方便地進(jìn)行回收利用，進(jìn)一步作為燃料電池為機(jī)器人系統(tǒng)提供能源。
【附圖說明】
[0034]圖1是基于液態(tài)金屬的人形或半人形機(jī)器人示意圖。
[0035]圖2是機(jī)器人內(nèi)部的柔性電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]其中:2-1是將液態(tài)金屬打印在柔性基底上，再用柔性材料進(jìn)行封裝；
[0037]2-2是將液態(tài)金屬灌注在柔性管道內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)柔性導(dǎo)線。
[0038]圖3是本實(shí)用新型涉及的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三種不同實(shí)現(xiàn)方案的示意圖；
[0039]其中:3-1是使用薄膜液態(tài)金屬利用其收縮或人工肌肉的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持；
[0040]3-2是使用栗改變液態(tài)金屬在手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的分布，利用重力作用實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持；
[0041 ]3-3是利用以液態(tài)金屬作為工質(zhì)的液壓機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。
[0042]圖4是液態(tài)金屬催化鋁在酸性或堿性溶液中反應(yīng)生成氫氣并與氧化劑在燃料電池中反應(yīng)生成電能的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本實(shí)用新型的解釋而不是限定。
[0044]本實(shí)用新型提供的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，利用具有多種優(yōu)良特性的液態(tài)金屬材料，革新現(xiàn)有的機(jī)器人設(shè)計(jì)，并為未來的普適化人形機(jī)器人的發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也是機(jī)器人仿生學(xué)領(lǐng)域的一大進(jìn)步。
[0045]參見圖1、圖2，一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，包括機(jī)器人軀干以及與其連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人軀干I內(nèi)置有儲(chǔ)能裝置3，儲(chǔ)能裝置3通過柔性電路6與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接；
[0046]所述的柔性電路6包括微控制芯片6b和封裝有液態(tài)金屬的柔性導(dǎo)線6a，液態(tài)金屬作為動(dòng)力電流和/或電子信號(hào)傳遞的傳導(dǎo)通道，柔性導(dǎo)線允許一定范圍內(nèi)彎曲或變形(且不會(huì)發(fā)生金屬疲勞現(xiàn)象)。
[0047]進(jìn)一步的，所述的柔性導(dǎo)線是外部為絕緣的柔性材料，內(nèi)部封裝有液態(tài)金屬材料；
[0048]所述的液態(tài)金屬材料為常溫下處于液體狀態(tài)的金屬或合金的混合物。
[0049]具體的，參見圖2，所述的柔性導(dǎo)線采用以下封裝方式之一或其結(jié)合進(jìn)行封裝；
[0050]封裝方式a(2_l所示):在柔性基底上噴涂或涂抹打印液態(tài)金屬材料，對(duì)液態(tài)金屬材料不封裝或用柔性材料(如硅膠或PDMS)涂覆封裝；
[0051 ]封裝方式b(2_2所示):在柔性微管道內(nèi)封裝入液態(tài)金屬。
[0052]所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括與機(jī)器人軀干相連接的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4，在手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4的末端連接有手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5;
[0053]所述的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4為能夠多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人手臂；
[0054]所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5包括能夠變形的手形機(jī)構(gòu)和基于液體金屬的觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬作為機(jī)器人可變形執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變形誘發(fā)介質(zhì)或傳導(dǎo)介質(zhì)。
[0055]所述的觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)是引起液體金屬的質(zhì)量分布變化、形狀分布變化、電致變形和/或液壓變化的機(jī)構(gòu);觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)觸發(fā)液體金屬改變狀態(tài)帶動(dòng)手形機(jī)構(gòu)變形。
[0056]所述的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4的關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)采用電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，或者采用電致變形材料(如人工肌肉)，配合對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多自由度運(yùn)動(dòng)。
[0057]所述的連接在手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4末端的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5，能夠?qū)崿F(xiàn)抓握、運(yùn)輸或變形等動(dòng)作。所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5采用以下變形方式之一或其結(jié)合進(jìn)行變形:
[0058]變形方式a:通過管道與栗，改變液態(tài)金屬在手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的位置與質(zhì)量分布，通過重力作用產(chǎn)生變形；
[0059]變形方式b:將液態(tài)金屬附著或封裝于執(zhí)行元件，外加電場(chǎng)使得液態(tài)金屬收縮(利用液態(tài)金屬在電場(chǎng)作用下的收縮特性)，改變執(zhí)行元件的形狀產(chǎn)生變形，并帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
[0060]變形方式c:將液態(tài)金屬作為薄膜電極，驅(qū)動(dòng)人工肌肉材料產(chǎn)生彎曲變形，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
[0061]變形方式d:將液態(tài)金屬作為循環(huán)工質(zhì)，通過液壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變形，其結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的液壓連桿設(shè)計(jì)。
[0062]參見圖3，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5包括由柔性材料構(gòu)成的手形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬通過噴涂或涂抹打印的方式涂覆在柔性材料的基底表面；當(dāng)外加電場(chǎng)施加于液態(tài)金屬后，其表面張力發(fā)生變化，帶動(dòng)柔性基底發(fā)生彎曲，形成對(duì)待操作物體的夾持。
[0063]或者，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5包括柔性材料構(gòu)成的手形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬封裝在柔性材料內(nèi)中空的管道內(nèi)；當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)尚未夾持時(shí)，液態(tài)金屬材料位于遠(yuǎn)離端部的位置，管道未變形；當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要夾持時(shí)，液態(tài)金屬通過栗的作用運(yùn)輸?shù)绞中螜C(jī)構(gòu)端部位置，增加端部的質(zhì)量，在重力作用下手形機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。
[0064]或者，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5包括以轉(zhuǎn)軸相連接的液壓臂作為手形機(jī)構(gòu)，其中上節(jié)液壓臂與液壓裝置的液壓箱相連接，下節(jié)液壓臂與液壓裝置的液壓桿相連接，液壓箱內(nèi)充有液態(tài)金屬作為流動(dòng)工質(zhì)；當(dāng)液態(tài)金屬材料開始向液壓箱填充，推動(dòng)液壓桿伸長，帶動(dòng)下節(jié)液壓臂相對(duì)轉(zhuǎn)軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。
[0065]儲(chǔ)能裝置3可以是電池，如鋰電池、堿性電池以及鉛酸電池，也可以是通過液態(tài)金屬催化鋁，使得鋁和堿液或者酸液產(chǎn)生反應(yīng)，生成氫氣，氫氣進(jìn)入到燃料電池當(dāng)中，與氧化劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
[0066]參見圖4，所述的儲(chǔ)能裝置3為液態(tài)金屬燃料電池，液態(tài)金屬燃料電池包括相隔絕的氧化艙和氫氣反應(yīng)艙，氫氣反應(yīng)艙內(nèi)設(shè)有浸沒在酸性、堿性或中性溶液(如濃度在ι-?ο %的鹽酸、NaOH堿性溶液或NaCl溶液)3c，中的液態(tài)金屬材料3a與鋁3b，兩者反應(yīng)生成的氫氣3d通過連接孔與反應(yīng)艙3e的還原端相連通;氧化艙內(nèi)存儲(chǔ)有氧化劑3f，氧化劑3f通過連接孔與反應(yīng)艙的氧化端相連通;氫氣3d與氧化劑3f在反應(yīng)艙3e內(nèi)通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電會(huì)K。
[0067]所述的機(jī)器人軀干、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支撐部分采用剛性材料或柔性材料，或者采用混合剛性材料與柔性材料形成復(fù)合結(jié)構(gòu);機(jī)器人為人形或半人形機(jī)器人。所述的剛性材料:金屬、陶瓷或者有機(jī)高分子等，所述的柔性材料:硅膠、乳膠等高分子柔性材料。
[0068]所述的液態(tài)金屬材料根據(jù)機(jī)器人的使用部件、機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景、使用環(huán)境以及性能要求來選取液態(tài)金屬材料。比如金屬鎵、不同配比下的低熔點(diǎn)鎵基合金以及含有銦的伍德合金(鉍50%，鉛25%，錫12.5%，鎘12.5% )等。
[0069]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型。
[0070]實(shí)施例1
[0071]參見圖1，機(jī)器人I包括軀干2，以及連接在軀干2上的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4、連接在手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4末端上的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5，內(nèi)置在軀干2內(nèi)部的儲(chǔ)能裝置3，以及分布在軀干2、手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4以及手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5內(nèi)部的基于液態(tài)金屬的柔性電路6幾個(gè)部分構(gòu)成。
[0072]其中儲(chǔ)能裝置使用鋰電池作為能量來源，為手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4以及手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5提供電能。本實(shí)施例中手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用圖3中3-1方案，液態(tài)金屬薄膜5a通過噴涂或涂抹打印的方式涂覆在柔性基底5b表面，當(dāng)在液態(tài)金屬上外加電場(chǎng)后，表面張力發(fā)生變化，帶動(dòng)柔性基底發(fā)生彎曲，進(jìn)而形成對(duì)待操作物體的夾持，配合手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持的物體的搬運(yùn)等動(dòng)作。
[0073 ]圖4所示為分布于機(jī)器人I內(nèi)部的基于液態(tài)金屬的柔性電路6，柔性電路6通過液態(tài)金屬導(dǎo)線連接了儲(chǔ)能裝置3，手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)4以及手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5，其主要作用是機(jī)器人內(nèi)部的信號(hào)傳遞以及動(dòng)力電流傳導(dǎo)。圖2中6a為液態(tài)金屬導(dǎo)線，6b為連接液態(tài)金屬導(dǎo)線的微控制芯片(示意圖)。在本實(shí)施例中，液態(tài)金屬導(dǎo)線使用2-1方案，也即將液態(tài)金屬打印在柔性基底表面，然后再用一層柔性材料進(jìn)行封裝，避免液態(tài)金屬材料的泄漏。其中6c為液態(tài)金屬材料，6d為柔性材料。
[0074]實(shí)施例2
[0075]參見圖1，機(jī)器人的基本構(gòu)成與第一實(shí)施例相同，與第一實(shí)施例相區(qū)別的是手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5使用圖3中3-2方案，當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)尚未夾持時(shí)，手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)如3-2左側(cè)所示，液態(tài)金屬材料5d處于中空的管道5c內(nèi)部，在未夾持時(shí)液態(tài)金屬材料5d位于遠(yuǎn)離端部的位置，管道未變形。需要夾持時(shí)液態(tài)金屬通過栗的作用運(yùn)輸?shù)绞中螆?zhí)行機(jī)構(gòu)5端部位置，增加端部的質(zhì)量，在重力作用下手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。
[0076]實(shí)施例3
[0077]參見圖1，機(jī)器人的基本構(gòu)成與第一實(shí)施例相同，與第一實(shí)施例相區(qū)別的是手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5使用圖3中3-3方案，用以液態(tài)金屬作為流動(dòng)工質(zhì)的液壓桿來驅(qū)動(dòng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5，其中5e為液態(tài)金屬材料，5f為液壓桿，當(dāng)液態(tài)金屬材料開始向液壓桿內(nèi)部填充，會(huì)推動(dòng)液壓桿伸長，進(jìn)而使得手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5發(fā)生彎曲，進(jìn)而對(duì)待操作物體形成夾持。
[0078]實(shí)施例4
[0079]參見圖1，機(jī)器人的基本構(gòu)成與實(shí)施例1相同，與實(shí)施例1相區(qū)別的是儲(chǔ)能裝置3使用圖4所示的基于液態(tài)金屬的燃料電池，其中3a為液態(tài)金屬材料，3b為金屬鋁，3c為酸性、堿性或中性溶液，液態(tài)金屬能夠催化鋁和溶液3c的反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣3d，3f為氧化劑材料，氫氣3d與氧化劑3f進(jìn)入到燃料電池反應(yīng)艙3e內(nèi)部，通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能，供機(jī)器人及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
[0080]實(shí)施例5
[0081]參見圖1，機(jī)器人的基本構(gòu)成與第一實(shí)施例相同，與第一實(shí)施例相區(qū)別的是分布于機(jī)器人I內(nèi)部的基于液態(tài)金屬的柔性電路6，所使用的液態(tài)金屬導(dǎo)線為2-2方案，也即使用中空的柔性管道6d，內(nèi)部填充液態(tài)金屬材料6c，形成可以導(dǎo)電的金屬導(dǎo)線。
[0082]在以上實(shí)施例中分別說明了機(jī)器人的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5，儲(chǔ)能裝置3以及基于液態(tài)金屬的柔性電路6的幾種方案，需要說明的是實(shí)施例僅用于提供對(duì)特定情況的解釋與說明，而儲(chǔ)能裝置3使用電池或者基于液態(tài)金屬的燃料電池，手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)5應(yīng)用3-1，3-2，3-3中方案的一種，基于液態(tài)金屬的柔性電路6使用2-1方案或2-2方案，以上三個(gè)部分幾種具體實(shí)施方案的任意組合，都屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求之內(nèi)。
[0083]最后所應(yīng)說明的是，以上基于液態(tài)金屬的人形或半人形機(jī)器人的實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，包括機(jī)器人軀干以及與其連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于，機(jī)器人軀干(I)內(nèi)置有儲(chǔ)能裝置(3)，儲(chǔ)能裝置(3)通過柔性電路(6)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接； 所述的柔性電路(6)包括微控制芯片(6b)和封裝有液態(tài)金屬的柔性導(dǎo)線(6a)，液態(tài)金屬作為動(dòng)力電流和/或電子信號(hào)傳遞的傳導(dǎo)通道，柔性導(dǎo)線允許一定范圍內(nèi)彎曲或變形。2.如權(quán)利要求1所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的柔性導(dǎo)線是外部為絕緣的柔性材料，內(nèi)部封裝有液態(tài)金屬材料； 所述的液態(tài)金屬材料為常溫下處于液體狀態(tài)的金屬或合金的混合物。3.如權(quán)利要求2所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的柔性導(dǎo)線采用以下封裝結(jié)構(gòu)之一或其結(jié)合: 封裝方式a:柔性基底上噴涂或涂抹打印液態(tài)金屬材料，對(duì)液態(tài)金屬材料不封裝或用柔性材料涂覆封裝； 封裝方式b:柔性微管道內(nèi)封裝入液態(tài)金屬。4.如權(quán)利要求1或2所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括與機(jī)器人軀干相連接的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)，在手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)的末端連接有手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5); 所述的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)為能夠多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人手臂； 所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)包括能夠變形的手形機(jī)構(gòu)和基于液體金屬的觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬作為機(jī)器人可變形執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變形誘發(fā)介質(zhì)或傳導(dǎo)介質(zhì);所述的觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)是引起液體金屬的質(zhì)量分布變化、形狀分布變化、電致變形和/或液壓變化的機(jī)構(gòu);觸發(fā)變形機(jī)構(gòu)觸發(fā)液體金屬改變狀態(tài)帶動(dòng)手形機(jī)構(gòu)變形。5.如權(quán)利要求4所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)的關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)采用電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，或者采用電致變形材料，配合對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)廣生多自由度運(yùn)動(dòng)。6.如權(quán)利要求4所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)采用以下變形方式之一或其結(jié)合進(jìn)行變形: 變形方式a:通過管道與栗，改變液態(tài)金屬在手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的位置與質(zhì)量分布，通過重力作用產(chǎn)生變形； 變形方式b:液態(tài)金屬附著或封裝于執(zhí)行元件，外加電場(chǎng)使得液態(tài)金屬收縮，改變執(zhí)行元件的形狀產(chǎn)生變形； 變形方式c:液態(tài)金屬作為薄膜電極，驅(qū)動(dòng)人工肌肉材料產(chǎn)生彎曲變形； 變形方式d:液態(tài)金屬作為循環(huán)工質(zhì)，通過液壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變形。7.如權(quán)利要求6所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)包括由柔性材料構(gòu)成的手形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬通過噴涂或涂抹打印的方式涂覆在柔性材料的基底表面;當(dāng)外加電場(chǎng)施加于液態(tài)金屬后，其表面張力發(fā)生變化，帶動(dòng)柔性基底發(fā)生彎曲，形成對(duì)待操作物體的夾持。8.如權(quán)利要求6所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)包括柔性材料構(gòu)成的手形機(jī)構(gòu)，液態(tài)金屬封裝在柔性材料內(nèi)中空的管道內(nèi)；當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)尚未夾持時(shí)，液態(tài)金屬材料位于遠(yuǎn)離端部的位置，管道未變形；當(dāng)手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要夾持時(shí)，液態(tài)金屬通過栗的作用運(yùn)輸?shù)绞中螜C(jī)構(gòu)端部位置，增加端部的質(zhì)量，在重力作用下手形機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。9.如權(quán)利要求6所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)包括以轉(zhuǎn)軸相連接的液壓臂作為手形機(jī)構(gòu)，其中上節(jié)液壓臂與液壓裝置的液壓箱相連接，下節(jié)液壓臂與液壓裝置的液壓桿相連接，液壓箱內(nèi)充有液態(tài)金屬作為流動(dòng)工質(zhì)；當(dāng)液態(tài)金屬材料開始向液壓箱填充，推動(dòng)液壓桿伸長，帶動(dòng)下節(jié)液壓臂相對(duì)轉(zhuǎn)軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得手形執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生彎曲，對(duì)待操作物體形成夾持。10.如權(quán)利要求1所述的基于液態(tài)金屬的半柔性機(jī)器人，其特征在于，所述的儲(chǔ)能裝置(3)為液態(tài)金屬燃料電池，液態(tài)金屬燃料電池包括相隔絕的氧化艙和氫氣反應(yīng)艙，氫氣反應(yīng)艙內(nèi)設(shè)有浸沒在酸性、堿性或中性的電解質(zhì)溶液(3c)中的液態(tài)金屬材料(3a)與鋁(3b)，兩者反應(yīng)生成的氫氣(3d)通過連接孔與反應(yīng)艙(3e)的還原端相連通;氧化艙內(nèi)存儲(chǔ)有氧化劑(3f)，氧化劑(3f)通過連接孔與反應(yīng)艙的氧化端相連通;氫氣(3d)與氧化劑(3f)在反應(yīng)艙(3e)內(nèi)通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。
【文檔編號(hào)】B25J15/08GK205521397SQ201620076251
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年1月26日
【發(fā)明人】姚又友, 國瑞, 劉靜
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)