液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置的制作方法

本发明涉及机器人领域，涉及液态金属压力驱动机器人与自发电应用技术，更具体地说，涉及一种液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，人们需要寻求一种人力替代品来完成一些恶劣环境下的、具有危险性的工作任务。近年来，机器人技术快速发展给人们带来了期望。机器人能够较为理想地适应人类的生存环境及使用的工具，并且能够进行人机对话、交流等；机器人广泛的应用价值体现在它不仅可以代替人们在有辐射、粉尘、有毒的恶劣环境中作业，还能形成动力型假肢，协助瘫痪病人行走等。因此，机器人在医疗、海洋开发、教育、救灾、工程、军事、生物技术、机器维修、农林水产、交通运输等多个领域具有发展前景及广泛应用价值。在机器人发展过程中，关节驱动技术是重要核心技术。目前许多机器人采用电机作为机器人关节驱动力，即电气驱动。但是电气驱动方式有其弱点，比如无法承受大载荷、经常需要外部连接较大且笨重的传动装置；电机还存在由于负载过高，易造成工作温度偏高而损毁等。电气驱动方式随着负载的增大其电机输出功率也需要增大，则会引起电机体积和重量的增大，因此对机器人系统整体影响很大，同样如果不增加电机功率就需要增加传动装置，这样不仅降低了速度还增加了机器人系统的重量。为了克服这类问题，人们采用了液压驱动关节式机器人。

液压驱动关节式机器人与电气驱动关节式机器人相比，其最突出的优点是装置体积较小和惯性较小。对于一个需要具有灵活响应的行走机器人而言，装置体积和惯性决定了对控制系统及装备的要求。因此选择液压能作为机器人驱动关节能，具有一定的实际使用价值。当前，如何进一步提高液压驱动关节式机器人的动态特性、负载能力和环境适应能力，如何开发液压驱动关节式机器人具有高动态性、良好的平衡控制能力、极强越障能力，如何使腿足式关节驱动型机器人在行走过程中能够自发电来补充自身需要的电能，这些都是面临需要解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置。

本发明采用了一种技术方案：一种液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置，其特征在于，包括：热温差发电式液态金属压力工作缸、液态金属磁流体发电器、伺服阀、磁力泵、机器人关节、传感器、智能控制器、单向阀、过滤器、溢流阀、液态金属储存箱、超级电容器；所述液态金属磁流体发电器装配在热温差发电式液态金属压力工作缸的液态金属进入通道上，并构成液态金属压力驱动机器人关节与自发电结构；所述液态金属储存箱与过滤器相连接；所述过滤器通过磁力泵与单向阀和溢流阀相连接；所述单向阀与伺服阀的液态金属进口p端相连接；所述伺服阀液态金属流出a端与液态金属磁流体发电器的液态金属进入端相连接；所述液态金属磁流体发电器的液态金属流出端与热温差发电式液态金属压力工作缸的液态金属流入端相连接；热温差发电式液态金属压力工作缸的液态金属流出端与伺服阀液态金属流入b端相连接；所述伺服阀液态金属流出t端与另一液态金属储存箱相连接；所述智能控制器与伺服阀、磁力泵、传感器、单向阀、溢流阀、液态金属储存箱、超级电容器、控制信号器相连接；所述智能控制器根据控制信号器、传感器反馈信息进行逻辑运算，来指令调控伺服阀，达到调控进入液态金属磁流体发电器和热温差发电式液态金属压力工作缸的液态金属流动速度、流动时间、流动量大小，实现液态金属在液态金属磁流体发电器和热温差发电式液态金属压力工作缸的工作循环；所述热温差发电式液态金属压力工作缸中的热温差发电器、液态金属磁流体发电器与超级电容器相连接；超级电容器的电能输出端与机器人中需要用电装置相连接；所述热温差发电式液态金属压力工作缸中的活塞杆输出端通过传感器与机器人关节相连接，并带动机器人关节按照相关指令进行可控动作。

上述方案中，所述液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置为液态金属压力驱动型机器人腿关节及自发电装置；所述机器人关节为机器人腿关节，包括：大腿关节、大腿关节连接轴、膝关节、小腿关节、小腿关节连接轴、踝关节、机器人足；所述大腿关节通过膝关节与小腿关节相连接；所述小腿关节通过踝关节与机器人足相连接；所述热温差发电式液态金属压力工作缸上端，通过大腿关节连接轴与大腿关节中部相连接；所述热温差发电式液态金属压力工作缸下端，通过小腿关节连接轴与小腿关节中部相连接；所述液态金属磁流体发电器、伺服阀、超级电容器、传感器均装配在热温差发电式液态金属压力工作缸旁侧；所述大腿关节、小腿关节和热温差发电式液态金属压力工作缸，共同构成液态金属压力驱动可产生形变的三脚架结构，为机器人的腿部行走运动提供可控的驱动力。

上述方案中，所述热温差发电式液态金属压力工作缸，包括：液态金属压力工作缸体、液态金属、活塞、活塞杆、热温差发电器、石墨烯层、散热器；所述活塞、活塞杆、液态金属装配在液态金属压力工作缸体内；所述活塞杆与活塞相连接；所述活塞将液态金属封装于液态金属压力工作缸体内一侧；所述活塞杆为液态金属压力工作缸的液态金属压力驱动力输出端，与机器人关节相连接；所述液态金属压力工作缸体外侧通过石墨烯层与热温差发电器热端相连接；所述热温差发电器冷端与散热器相连接；所述热温差发电器与超级电容器相连接，并将温差发电电能存储在超级电容器中，供机器人需用电装置使用。

上述方案中，所述液态金属磁流体发电器，包括：磁体、发电通道、电极条、电极引出端；所述磁体装配在发电通道上端和下端；所述电极条装配在发电通道两侧面；所述电极引出端连接电极条，并与超级电容器相连接；所述磁体包括：永久磁体或超导磁体；所述液态金属在伺服阀控制下进入发电通道流动，不断地切割在发电通道上端、下端装配的磁体产生的磁力线，从而产生电能，并将发电电能存储在超级电容器中，供机器人所需用电装置使用。

上述方案中，所述液态金属包括：液态镓、液态镓合金或液态镓纳米流体；所述液态镓纳米流体，包括：添加并分散碳纳米管、石墨烯纳米片或纳米导热颗粒的液态镓或液态镓合金，所述液态金属还可采用导热性良好的液体或气体替代；所述石墨烯层包括：石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述热温差发电器件，包括若干块串联的或/和并联的温差发电片单体，所述温差发电片单体与温差发电片单体之间通过绝热材料隔开；所述散热器件包括：风冷翅片散热器件或工质循环散热器件；所述工质包括：水、纳米流体或导热流体。

上述方案中，所述液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置，还包括：液态金属压力驱动型机器人肩关节及自发电装置、液态金属压力驱动型机器人臂关节及自发电装置、液态金属压力驱动型机器人手关节及自发电装置、液态金属压力驱动型机器人颈关节及自发电装置、液态金属压力驱动型机器人踝关节及自发电装置中的一种或几种；所述液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置可应用于：飞行器液态金属压力驱动装置、机械工程液态金属压力驱动装置、军工装备液态金属压力驱动装置、舰船液态金属压力驱动装置、交通轨道液态金属压力驱动装置、车辆液态金属压力驱动装置、港口车站液态金属压力驱动装置中的一种或几种。

上述方案中，所述传感器包括：压力传感器、位移传感器、温度传感器、角度传感器。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明采用并公开的热温差发电式液态金属压力工作缸，将液态金属压力工作缸与热温差发电器相结合，构成一体化结构；将液态金属作为液压缸的工作液体与传统液压油相比较，液态金属具有性能稳定、耐高温、导热性好等系列优势，提高了动态特性、负载能力、环境适应能力、平衡控制能力、越障能力；由于液态金属导热性能优良，能够将高负载情况下产生的热量快速传输给热温差发电器的热端进行发电利用，因此液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置具有较高的自发电效率。

(2)本发明采用将热温差发电式液态金属压力工作缸与液态金属磁流体发电器相结合，其液态金属通过磁体，并切割磁力线，产生发电效应；因此本发明机器人关节装置，具有热温差发电与磁流体发电的自发电与双重发电功能，为机器人行走运动提供了电能保障。

附图说明

图1是本发明的液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置的工作原理图；

图2是本发明的液态金属压力驱动型机器人腿关节及自发电装置的结构示意图；

图3是本发明的液态金属磁流体发电器中液态金属流动切割磁力线发电的结构示意图。

其中，热温差发电式液态金属压力工作缸1、液态金属磁流体发电器2、伺服阀3、磁力泵4、机器人关节5、传感器6、智能控制器7、单向阀8、过滤器9、溢流阀10、液态金属储存箱11、超级电容器12、控制信号器13、热温差发电器14、活塞杆15、大腿关节16、大腿关节连接轴17、膝关节18、小腿关节19、小腿关节连接轴20、踝关节21、机器人足22、液态金属压力工作缸体23、活塞24、石墨烯层25、散热器26、磁体27、发电通道28、液态金属29、电极条30、电极引出端31、电能输出端32。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例

本发明的实施例液态金属压力驱动型机器人关节及自发电装置采用液态金属压力驱动型机器人腿关节及自发电装置，其工作原理见图1，其结构见图2，包括：热温差发电式液态金属压力工作缸1、液态金属磁流体发电器2、伺服阀3、磁力泵4、机器人关节5、传感器6、智能控制器7、单向阀8、过滤器9、溢流阀10、液态金属储存箱11、超级电容器12；液态金属磁流体发电器2装配在热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29进入通道上，并构成液态金属压力驱动机器人关节与自发电功能结构；液态金属储存箱11中存储液态金属29，与过滤器9相连接；过滤器9通过磁力泵4与单向阀8和溢流阀10相连接；单向阀8与伺服阀3的液态金属进口p端相连接；伺服阀3的流出端a端与液态金属磁流体发电器2的液态金属29进入端相连接；液态金属磁流体发电器2的液态金属29流出端与热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29流入端相连接；热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属流出端与伺服阀3的液态金属流进端b端相连接；伺服阀3的液态金属流出端t端与另一液态金属储存箱11相连接；智能控制器与7与伺服阀3、磁力泵4、传感器6、单向阀9、溢流阀10、液态金属储存箱11、超级电容器12、控制信号器13相连接；智能控制器7根据控制信号器13、传感器6反馈信息进行逻辑运算，来指令调控伺服阀3，达到调控进入液态金属磁流体发电器2和热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29流动速度、流动时间、流动量大小，实现液态金属29在液态金属磁流体发电器2和热温差发电式液态金属压力工作缸1的工作循环；热温差发电式液态金属压力工作缸1中的热温差发电器14、液态金属磁流体发电器2与超级电容器12相连接；超级电容器12的电能输出端32与机器人中需要用电装置相连接；热温差发电式液态金属压力工作缸1中的活塞杆15输出端通过传感器6与机器人关节5相连接，并带动机器人关节5按照相关指令进行可控动作。

本实施例的机器人关节5为机器人腿关节，包括：大腿关节16、大腿关节连接轴17、膝关节18、小腿关节19、小腿关节连接轴20、踝关节21、机器人足22；大腿关节16通过膝关节18与小腿关节19相连接；小腿关节19通过踝关节21与机器人足22相连接；热温差发电式液态金属压力工作缸1上端，通过大腿关节连接轴17与大腿关节16中部相连接；热温差发电式液态金属压力工作缸1下端，通过小腿关节连接轴20与小腿关节19中部相连接；液态金属磁流体发电器2、伺服阀3、超级电容器12、传感器6均装配在热温差发电式液态金属压力工作缸1旁侧；大腿关节16、小腿关节19和热温差发电式液态金属压力工作缸1，共同构成液态金属压力驱动可产生形变的三脚架结构，为机器人行走运动提供可控的驱动力。

热温差发电式液态金属压力工作缸1，包括：液态金属压力工作缸体23、液态金属29、活塞24、活塞杆15、热温差发电器14、石墨烯层25、散热器26；液态金属29、活塞24、活塞杆15装配在液态金属压力工作缸体23内；活塞杆15与活塞24相连接；活塞24将液态金属29封装于液态金属压力工作缸体23内一侧；活塞杆15为液态金属压力工作缸体23的液态金属压力驱动力输出端，与机器人腿关节相连接；液态金属压力工作缸体23外侧通过石墨烯层25与热温差发电器14热端相连接；热温差发电器14冷端与散热器26相连接；热温差发电器14与超级电容器12相连接，并将温差发电电能存储在超级电容器12中，供机器人所需用电装置使用。

液态金属磁流体发电器2(见图3)，包括：磁体27、发电通道28、电极条30、电极引出端31；磁体27装配在发电通道28上端和下端；电极条30装配在发电通道28两侧面；电极引出端31连接电极条30，并与超级电容器12相连接；磁体27采用永久磁体；液态金属29在伺服阀3控制下进入发电通道28流动，不断地切割在发电通道28上端、下端装配磁体27产生的磁力线，从而产生电能，并将发电电能存储在超级电容器12中，供机器人所需用电装置使用。

本实施例液态金属采用液态镓合金；石墨烯层采用石墨烯涂层；热温差发电器件14，包括若干块串联的或/和并联的温差发电片单体，温差发电片单体与温差发电片单体之间通过使用绝热材料隔开；散热器件26采用风冷翅片散热器件；传感器6采用：压力传感器、位移传感器、角度传感器。

本实施例的工作过程如下：

智能控制器7收到控制信号器13关于驱动腿关节指令信息(见图1)，智能控制器7指令液态金属储存箱11、过滤器9和磁力泵4工作；磁力泵4从液态金属储存箱11抽出液态金属29通过过滤器9进入伺服阀3的p端，并从伺服阀3的a端流出后进入液态金属磁流体发电器2的液态金属29进入端，并从液态金属磁流体发电器2的流出端进入热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属进入端；当液态金属29在伺服阀3控制下进入液态金属磁流体发电器2的发电通道28流动时(见图3)，则不断地切割在发电通道28上端、下端装配磁体27产生的磁力线，通过从而产生电能电流；通过电极条30和电极引出端31，将发电电能存储在超级电容器12中，通过电能输出端32供机器人所需用电装置使用。

当液态金属29从液态金属磁流体发电器2的流出端进入热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29进入端时，液态金属29产生一定的压力推动活塞24及活塞杆15运动；智能控制器7根据控制信号器13、传感器6反馈信息进行逻辑运算，来指令调控伺服阀3，达到调控进入液态金属磁流体发电器2和热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29流动速度、流动时间、流动量大小，实现液态金属29在液态金属磁流体发电器2和热温差发电式液态金属压力工作缸1的工作循环；活塞杆15则带动机器人腿关节实施可控运动。

当液态金属29从液态金属磁流体发电器2的流出端进入热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29进入端时，液态金属29产生一定的压力推动活塞24及活塞杆15运动时，则会产生一定的热量；液态金属压力工作缸体23通过石墨烯层25，快速将热量传输给热温差发电器14的热端，由于热温差发电器14的冷端与风冷翅片散热器件26相连接，在热温差发电器14的热端与冷端温差作用下，产生热温差发电效应，并将发电电能存储在超级电容器12中，供机器人所需用电装置使用。

当当液态金属29进入热温差发电式液态金属压力工作缸1的液态金属29进入端时(见图2)，液态金属29产生一定的压力推动活塞24及活塞杆15运动，通过大腿关节连接轴17带动大腿关节16，通过小腿关节连接轴20带动小腿关节19；由于大腿关节16、小腿关节19和热温差发电式液态金属压力工作缸1，共同构成液态金属压力驱动可产生形变的三脚架结构。由于小腿关节19通过踝关节21与机器人足22相连接，为机器人腿关节行走运动提供可控的驱动力。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。