一种基于液态金属的半柔性机器人及应用
【技术领域】
[0001 ]本发明属于机器人技术领域，涉及人形或半人形机器人，特别涉及一种基于液态金属的半柔性机器人及应用。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着计算技术、新材料和电子技术的迅猛发展，作为集多种科学技术为一体的机器人逐渐从科幻小说和影视作品中走向人们的日常生活。无论是在工厂中组装零件的工业机器人，抑或是在庭院中清扫落叶的家用机器人，机器人的运用为人类的生产生活提供了极大的便利。人形机器人是具有人类外形特征的一类机器人，在军事侦察、医疗卫生以及家庭服务等领域有着广泛的应用前景。
[0003]传统机器人经过多年发展，在硬件以及材料与机械结构的选择上已经形成了较为成熟与通用的方案。传统人形机器人，包括工业机械臂在内，通常使用多连杆结构，在关节位置使用电机作为驱动装置。也有部分对输出力矩要求较高的机器人使用液压油传动的液压杆。在材料上，传统机器人多使用金属或塑料等刚性材料，机器人的自由度数有限，相比于生物体，其可以应用的环境也相应受到了限制。
[0004]传统的刚性机器人一般采用液压或电机驱动方式，可以提供较大的机械力量，然而刚性机器人的灵活性远远不如生物体，因而无法完全代替人类完成一些精细操作。由柔性材料制造而成的柔性机器人则由于其材料的高顺应性而具有灵活的变形能力以及对各种复杂环境的适应性。近些年来许多研究人员将可变形柔性材料应用于柔性机器人的制造，例如充气橡胶、介电弹性体、电致伸缩弹性体、碳纳米管和聚合物纤维等。目前这类材料在人工肌肉研究中得到广泛的应用，有些柔性变形材料可以提供远大于生物肌肉的变形能力。
[0005]液态金属是熔点不超过铝熔融温度(660.37°C)的十七种金属的总称。这十七种金属分别是萊、铯、镓、铷、钾、钠、铟、锂、锡、祕、铭、镉、铅、锌、铺、镁、招。另外，还有许多合金以及上述金属的合金在室温甚至在更低的温度时也为液态。液态金属本身具有很好的导电性，并且在常温下处于液体状态，通常以镓金属或者镓基合金，以及含有铟的伍德合金为主。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题在于提供一种基于液态金属的半柔性机器人及应用，使用了可弯曲的柔性电路，以及利用液态金属驱动的末端执行机构，能够适应更多样化的使用场景，且可靠性与可修复性更高。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0008]—种基于液态金属的半柔性机器人，包括机器人躯干以及与其连接的执行机构，机器人躯干内置有储能装置，储能装置通过柔性电路与执行机构相连接；
[0009]所述的柔性电路包括微控制芯片和封装有液态金属的柔性导线，液态金属作为动力电流和/或电子信号传递的传导通道，柔性导线允许一定范围内弯曲或变形。
[0010]所述的柔性导线是外部为绝缘的柔性材料，内部封装有液态金属材料；
[0011 ]所述的液态金属材料为常温下处于液体状态的金属或合金的混合物。
[0012]所述的柔性导线采用以下封装方式之一或其结合进行封装；
[0013]封装方式a:在柔性基底上喷涂或涂抹打印液态金属材料，对液态金属材料不封装或用柔性材料涂覆封装
[0014]封装方式b:在柔性微管道内封装入液态金属。
[0015]所述的执行机构包括与机器人躯干相连接的手臂执行机构，在手臂执行机构的末端连接有手形执行机构；
[0016]所述的手臂执行机构为能够多自由度运动的机器人手臂；
[0017]所述的手形执行机构包括能够变形的手形机构和基于液体金属的触发变形机构，液态金属作为机器人可变形执行机构的变形诱发介质或传导介质。
[0018]所述的触发变形机构是引起液体金属的质量分布变化、形状分布变化、电致变形和/或液压变化的机构;触发变形机构触发液体金属改变状态带动手形机构变形。
[0019]所述的手臂执行机构的关节节点采用电机或液压驱动的结构，或者采用电致变形材料，配合对应的机械结构产生多自由度运动。
[0020]所述的手形执行机构采用以下变形方式之一或其结合进行变形:
[0021]变形方式a:通过管道与栗，改变液态金属在手形执行机构中的位置与质量分布，通过重力作用产生变形；
[0022]变形方式b:将液态金属附着或封装于执行元件，外加电场使得液态金属收缩，改变执行元件的形状产生变形；
[0023]变形方式c:将液态金属作为薄膜电极，驱动人工肌肉材料产生弯曲变形；
[0024]变形方式d:将液态金属作为循环工质，通过液压机构产生运动或变形。
[0025]所述的手形执行机构包括由柔性材料构成的手形机构，液态金属通过喷涂或涂抹打印的方式涂覆在柔性材料的基底表面；当外加电场施加于液态金属后，其表面张力发生变化，带动柔性基底发生弯曲，形成对待操作物体的夹持。
[0026]所述的手形执行机构包括柔性材料构成的手形机构，液态金属封装在柔性材料内中空的管道内；当手形执行机构尚未夹持时，液态金属材料位于远离端部的位置，管道未变形；当手形执行机构需要夹持时，液态金属通过栗的作用运输到手形机构端部位置，增加端部的质量，在重力作用下手形机构发生弯曲，对待操作物体形成夹持。
[0027]所述的手形执行机构包括以转轴相连接的液压臂作为手形机构，其中上节液压臂与液压装置的液压箱相连接，下节液压臂与液压装置的液压杆相连接，液压箱内充有液态金属作为流动工质；当液态金属材料开始向液压箱填充，推动液压杆伸长，带动下节液压臂相对转轴向下转动，使得手形执行机构发生弯曲，对待操作物体形成夹持。
[0028]所述的储能装置为液态金属燃料电池，液态金属燃料电池包括相隔绝的氧化舱和氢气反应舱，氢气反应舱内设有浸没在酸性、碱性或中性的电解质溶液中的液态金属材料与铝，两者反应生成的氢气通过连接孔与反应舱的还原端相连通;氧化舱内存储有氧化剂，氧化剂通过连接孔与反应舱的氧化端相连通;氢气与氧化剂在反应舱内通过氧化还原反应产生电能。
[0029]所述的机器人躯干、执行机构的支撑部分采用刚性材料或柔性材料，或者采用混合刚性材料与柔性材料形成复合结构;机器人为人形或半人形机器人。
[0030]所述的液态金属材料根据机器人的使用部件、机器人的应用场景、使用环境以及性能要求来选取液态金属材料。
[0031]液态金属在机器人或制备机器人中的应用，包括以下方式的应用或其结合的应用:
[0032]应用a:液态金属封装于机器人的连接电路中，作为动力电流和/或电子信号传递的传导通道；
[0033]应用b:液态金属作为机器人可变形执行机构的变形诱发介质或传导介质；
[0034]应用c:液态金属作为机器人的储能装置的燃料。
[0035]所述的应用b采用以下变形方式之一或其结合进行变形:
[0036]变形方式a:通过管道与栗，改变液态金属在执行机构中的位置与质量分布，通过重力作用产生变形；
[0037]变形方式b:将液态金属附着或封装于执行元件，外加电场使得液态金属收缩，改变执行元件的形状产生变形；
[0038]变形方式c:将液态金属作为薄膜电极，驱动人工肌肉材料产生弯曲变形；
[0039]变形方式d:将液态金属作为循环工质，通过液压机构产生运动或变形。
[0040]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0041]本发明提供的基于液态金属的半柔性机器人，是一种基于液态金属的新概念仿人机器人的设计，通过对液态金属材料的应用，利用其多种变形方式实现了人形机器人结构多样，刚柔结合的特点。采用液态金属材料在柔性基底上构建柔性人形机器人，实现人形机器人的基本功能，并且能够最大程度上模拟生物体的运动特性。相比于传统机器人的刚性连杆设计，基于液态金属的仿人机器人适应的应用场景更多样，可靠性与耐损伤性能也有所提高。这也为未来可以自由变形的液态金属机器人的研发提供了基础。
[0042]本发明提供的基于液态金属的半柔性机器人，采用液态金属的基于柔性电路用于构建机器人的电路系统，从而最大程度上满足机器人的柔性及变形能力。
[0043]本发明提供的基于液态金属的半柔性机器人，基于液态金属的物理化学变化，可以采用多种方式实现执行机构的变形。液态金属材料具有较好的流动性，因而可以方便的控制其形状、位置分布、重心变化，甚至可以作为流动液压工质从而可以实现多种变形方式。液态金属材料有着良好的导电与导热性能，而且其可在外界电场的作用下产生不同形式的变形。
[0044]清华大学微纳医学实验室的工作表明(《先进材料》(Advanced Materials)，“仿生型自驱动液态金属软体动物” (J.Zhang,Y.Y.Yao,L-Sheng,J.Liu,Self-FueledB1mimetic Liquid Metal Mollusk，vol.27，pp.2648-2655，2015)，液态金属在电场控制下可以实现自主变形以及定向运动。仅依靠电场控制就可以实现液态金属在人形机器人中的定向流动，从而引起机器人各部位的重心变化，实现机器人的变形