一種基于液態金屬的半柔性機器人及應用
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于機器人技術領域，涉及人形或半人形機器人，特別涉及一種基于液態金屬的半柔性機器人及應用。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著計算技術、新材料和電子技術的迅猛發展，作為集多種科學技術為一體的機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機器人，抑或是在庭院中清掃落葉的家用機器人，機器人的運用為人類的生產生活提供了極大的便利。人形機器人是具有人類外形特征的一類機器人，在軍事偵察、醫療衛生以及家庭服務等領域有著廣泛的應用前景。
[0003]傳統機器人經過多年發展，在硬件以及材料與機械結構的選擇上已經形成了較為成熟與通用的方案。傳統人形機器人，包括工業機械臂在內，通常使用多連桿結構，在關節位置使用電機作為驅動裝置。也有部分對輸出力矩要求較高的機器人使用液壓油傳動的液壓桿。在材料上，傳統機器人多使用金屬或塑料等剛性材料，機器人的自由度數有限，相比于生物體，其可以應用的環境也相應受到了限制。
[0004]傳統的剛性機器人一般采用液壓或電機驅動方式，可以提供較大的機械力量，然而剛性機器人的靈活性遠遠不如生物體，因而無法完全代替人類完成一些精細操作。由柔性材料制造而成的柔性機器人則由于其材料的高順應性而具有靈活的變形能力以及對各種復雜環境的適應性。近些年來許多研究人員將可變形柔性材料應用于柔性機器人的制造，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用，有些柔性變形材料可以提供遠大于生物肌肉的變形能力。
[0005]液態金屬是熔點不超過鋁熔融溫度(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、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也為液態。液態金屬本身具有很好的導電性，并且在常溫下處于液體狀態，通常以鎵金屬或者鎵基合金，以及含有銦的伍德合金為主。

【發明內容】

[0006]本發明解決的問題在于提供一種基于液態金屬的半柔性機器人及應用，使用了可彎曲的柔性電路，以及利用液態金屬驅動的末端執行機構，能夠適應更多樣化的使用場景，且可靠性與可修復性更高。
[0007]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0008]—種基于液態金屬的半柔性機器人，包括機器人軀干以及與其連接的執行機構，機器人軀干內置有儲能裝置，儲能裝置通過柔性電路與執行機構相連接；
[0009]所述的柔性電路包括微控制芯片和封裝有液態金屬的柔性導線，液態金屬作為動力電流和/或電子信號傳遞的傳導通道，柔性導線允許一定范圍內彎曲或變形。
[0010]所述的柔性導線是外部為絕緣的柔性材料，內部封裝有液態金屬材料；
[0011 ]所述的液態金屬材料為常溫下處于液體狀態的金屬或合金的混合物。
[0012]所述的柔性導線采用以下封裝方式之一或其結合進行封裝；
[0013]封裝方式a:在柔性基底上噴涂或涂抹打印液態金屬材料，對液態金屬材料不封裝或用柔性材料涂覆封裝
[0014]封裝方式b:在柔性微管道內封裝入液態金屬。
[0015]所述的執行機構包括與機器人軀干相連接的手臂執行機構，在手臂執行機構的末端連接有手形執行機構；
[0016]所述的手臂執行機構為能夠多自由度運動的機器人手臂；
[0017]所述的手形執行機構包括能夠變形的手形機構和基于液體金屬的觸發變形機構，液態金屬作為機器人可變形執行機構的變形誘發介質或傳導介質。
[0018]所述的觸發變形機構是引起液體金屬的質量分布變化、形狀分布變化、電致變形和/或液壓變化的機構;觸發變形機構觸發液體金屬改變狀態帶動手形機構變形。
[0019]所述的手臂執行機構的關節節點采用電機或液壓驅動的結構，或者采用電致變形材料，配合對應的機械結構產生多自由度運動。
[0020]所述的手形執行機構采用以下變形方式之一或其結合進行變形:
[0021]變形方式a:通過管道與栗，改變液態金屬在手形執行機構中的位置與質量分布，通過重力作用產生變形；
[0022]變形方式b:將液態金屬附著或封裝于執行元件，外加電場使得液態金屬收縮，改變執行元件的形狀產生變形；
[0023]變形方式c:將液態金屬作為薄膜電極，驅動人工肌肉材料產生彎曲變形；
[0024]變形方式d:將液態金屬作為循環工質，通過液壓機構產生運動或變形。
[0025]所述的手形執行機構包括由柔性材料構成的手形機構，液態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；當外加電場施加于液態金屬后，其表面張力發生變化，帶動柔性基底發生彎曲，形成對待操作物體的夾持。
[0026]所述的手形執行機構包括柔性材料構成的手形機構，液態金屬封裝在柔性材料內中空的管道內；當手形執行機構尚未夾持時，液態金屬材料位于遠離端部的位置，管道未變形；當手形執行機構需要夾持時，液態金屬通過栗的作用運輸到手形機構端部位置，增加端部的質量，在重力作用下手形機構發生彎曲，對待操作物體形成夾持。
[0027]所述的手形執行機構包括以轉軸相連接的液壓臂作為手形機構，其中上節液壓臂與液壓裝置的液壓箱相連接，下節液壓臂與液壓裝置的液壓桿相連接，液壓箱內充有液態金屬作為流動工質；當液態金屬材料開始向液壓箱填充，推動液壓桿伸長，帶動下節液壓臂相對轉軸向下轉動，使得手形執行機構發生彎曲，對待操作物體形成夾持。
[0028]所述的儲能裝置為液態金屬燃料電池，液態金屬燃料電池包括相隔絕的氧化艙和氫氣反應艙，氫氣反應艙內設有浸沒在酸性、堿性或中性的電解質溶液中的液態金屬材料與鋁，兩者反應生成的氫氣通過連接孔與反應艙的還原端相連通;氧化艙內存儲有氧化劑，氧化劑通過連接孔與反應艙的氧化端相連通;氫氣與氧化劑在反應艙內通過氧化還原反應產生電能。
[0029]所述的機器人軀干、執行機構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合結構;機器人為人形或半人形機器人。
[0030]所述的液態金屬材料根據機器人的使用部件、機器人的應用場景、使用環境以及性能要求來選取液態金屬材料。
[0031]液態金屬在機器人或制備機器人中的應用，包括以下方式的應用或其結合的應用:
[0032]應用a:液態金屬封裝于機器人的連接電路中，作為動力電流和/或電子信號傳遞的傳導通道；
[0033]應用b:液態金屬作為機器人可變形執行機構的變形誘發介質或傳導介質；
[0034]應用c:液態金屬作為機器人的儲能裝置的燃料。
[0035]所述的應用b采用以下變形方式之一或其結合進行變形:
[0036]變形方式a:通過管道與栗，改變液態金屬在執行機構中的位置與質量分布，通過重力作用產生變形；
[0037]變形方式b:將液態金屬附著或封裝于執行元件，外加電場使得液態金屬收縮，改變執行元件的形狀產生變形；
[0038]變形方式c:將液態金屬作為薄膜電極，驅動人工肌肉材料產生彎曲變形；
[0039]變形方式d:將液態金屬作為循環工質，通過液壓機構產生運動或變形。
[0040]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0041]本發明提供的基于液態金屬的半柔性機器人，是一種基于液態金屬的新概念仿人機器人的設計，通過對液態金屬材料的應用，利用其多種變形方式實現了人形機器人結構多樣，剛柔結合的特點。采用液態金屬材料在柔性基底上構建柔性人形機器人，實現人形機器人的基本功能，并且能夠最大程度上模擬生物體的運動特性。相比于傳統機器人的剛性連桿設計，基于液態金屬的仿人機器人適應的應用場景更多樣，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金屬機器人的研發提供了基礎。
[0042]本發明提供的基于液態金屬的半柔性機器人，采用液態金屬的基于柔性電路用于構建機器人的電路系統，從而最大程度上滿足機器人的柔性及變形能力。
[0043]本發明提供的基于液態金屬的半柔性機器人，基于液態金屬的物理化學變化，可以采用多種方式實現執行機構的變形。液態金屬材料具有較好的流動性，因而可以方便的控制其形狀、位置分布、重心變化，甚至可以作為流動液壓工質從而可以實現多種變形方式。液態金屬材料有著良好的導電與導熱性能，而且其可在外界電場的作用下產生不同形式的變形。
[0044]清華大學微納醫學實驗室的工作表明(《先進材料》(Advanced Materials)，“仿生型自驅動液態金屬軟體動物” (J.Zhang,Y.Y.Yao,L-Sheng,J.Liu,Self-FueledB1mimetic Liquid Metal Mollusk，vol.27，pp.2648-2655，2015)，液態金屬在電場控制下可以實現自主變形以及定向運動。僅依靠電場控制就可以實現液態金屬在人形機器人中的定向流動，從而引起機器人各部位的重心變化，實現機器人的變形