一种液态金属外骨骼关节的制作方法

本发明属于外骨骼技术领域，特别涉及一种液态金属外骨骼关节。

背景技术：

外骨骼技术近年来在军事，医疗康复等领域得到了广泛的应用。随着轻量化合金材料的应用以及电机的微型化，外骨骼的体积和重量也不断降低。外骨骼分为主动式与被动式两种，其中主动式外骨骼是通过电机或液压助力，使得使用者能够具有超常的力量，或者是帮助肢体瘫痪者能够一定程度上恢复自主运动。被动式外骨骼主要是用于患者的肢体固定或强化，其没有驱动器件如电机或液压装置，主要特点是可以在可动状态和不可动状态之间进行切换，处于可动状态时，不会限制使用者的运动，当处于不可动状态时，则可以对肢体进行固定，或者是通过将压力传递到其他位置，帮助使用者进行休息或者是能够搬运较重的物体。

对于被动式外骨骼而言，能够切换可动状态的关节是最为重要的部件，传统的可切换关节多使用机械锁定结构，利用机械结构的设计，配合电机等实现状态的切换。机械锁定结构的设计往往较为复杂，且其强度也会根据设计的不同而有着较大的差异。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液态金属外骨骼关节，利用室温液态金属的相变特性及其固化后剪切应力增加的特点，结合被动式外骨骼的需求，实现了能够在可动与不可动状态之间切换的外骨骼关节，其有着切换速度快，结构简单，重量轻，强度高等优点；能够用于被动式外骨骼中手臂或腿部关节，也可以配合主动式外骨骼进行使用，帮助实现轻量化的外骨骼设计。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种液态金属外骨骼关节，包括：

旋转关节结构；

设置于旋转关节结构旋转节点处的液态金属相变材料；

设置于液态金属相变材料外用于对其进行密封的柔性包裹层；

以及，

控制液态金属相变材料温度的温控设备；

通过控制液态金属相变材料的温度，实现液态金属相变材料在液态和固态间的转换，从而实现外骨骼关节在可动和不可动状态之间的切换。

所述旋转关节结构包括导热片，导热片为多层交叠设计，其中间有孔洞，插入轴后形成旋转关节结构，所述温控设备作用于导热片，通过导热片的传热作用控制液态金属相变材料的温度。

所述温控设备包括热量交换空腔，热量交换空腔与导热片连接，通过改变热量交换空腔内的温度，实现对导热片温度的控制。

所述热量交换空腔连接有流体管道，流体管道内有传热流体，流体管道上设置与控制电路连接的流体泵和流体控温装置，通过流体泵控制传热流体在流体管道和热量交换空腔内循环流动，流体控温装置控制传热流体的温度。

所述导热片和热量交换空腔所用材料为具有一定强度和良好导热性能的金属、合金或塑料；所述传热流体为具有一定比热容的流体物质，传热流体被流体泵驱动，可以通过流体管道在流体控温装置以及热量交换空腔之间循环流动，并通过传热改变导热片的温度。

所述导热片和热量交换空腔所用材料为铜、铁、金、银、锌、铅，或者是参杂了金属颗粒或纤维的塑料；所述传热流体为水、油类物质或水溶液；所述柔性包裹层的材料为弹性有机高分子材料；所述液态金属相变材料为熔点在室温范围内的镓金属或镓基合金，能够与导热片浸润，可根据不用应用场合下对金属机械强度以及熔点的要求进行选取。

所述流体控温装置带有加热和制冷功能，控制传热流体的温度范围在-50℃到100℃之间；所述控制电路根据需要控制流体泵的开关以及流体控温装置的制冷或加热，实现对液态金属相变材料的温度调节，进而改变外骨骼关节的可活动/不可活动的状态。

所述热量交换空腔有两个，连接在两个热量交换空腔之间的多层导热片相互交叠，导热片一端插入一个热量交换空腔内，能够与传热流体相接触，另一端浸润液态金属相变材料且与另一个热量交换空腔上的导热片铰接。

所述柔性包裹层对液态金属相变材料进行密封，避免其在液态时漏出；柔性包裹层连接在两个热量交换空腔之间，将导热片以及液态金属相变材料包裹在内部。

所述热量交换空腔与导热片相连接并组成关节主体，并在外骨骼应用于用于连接并固定手臂或腿部，热量交换空腔具有内部空腔结构，能够流入传热流体，并改变导热片的温度。

与现有技术相比，本发明实现了一种可用于被动式外骨骼的关节设计，能够在可动状态与不可动状态之间快速切换，同时具有结构简单，强度高以及重量轻的特点，有望在军事、医疗、机器人设计等领域获得应用。

附图说明

图1是本发明液态金属外骨骼关节结构示意图(立体图)。

图2是本发明液态金属外骨骼关节结构处的侧面剖视图。

图3是本发明外骨骼关节在可动状态下的示意图，此时液态金属相变材料为液态，流体控温装置为加热状态，传热流体温度高于液态金属熔点。

图4是本发明外骨骼关节在不可动状态下的示意图，此时液态金属相变材料为固态，流体控温装置为制冷状态，传热流体温度低于液态金属熔点。

图5是本发明液态金属外骨骼关节用在人体肘关节上的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

液态金属是熔点在室温范围内的一大类金属及合金的统称，通常以镓金属(熔点29.5摄氏度)为主，包括镓基合金等。在室温范围内，通过调节金属的温度，可以让液态金属在固相与液相之间进行切换，这种特点可以被用来实现新的外骨骼关节的设计。

基于此，本发明提供了一种利用液态金属实现的可动外骨骼关节，图1是其示意图，同时也是一个实施例。外骨骼关节包括导热片1，柔性包裹层2，液态金属相变材料3，热量交换空腔4，流体管道5，传热流体6，流体泵7，控制电路8以及流体控温装置9等。

如图2所示，导热片1包括5个阵列排布的铜金属片，且分别连接在两个热量交换空腔4上。热量交换空腔4与流体管道5相连，流体管道5内部流动着传热流体6，在流体泵7的作用下分别流入和流出热量交换空腔4。流体管道5同时还与流体控温装置9相连。流体泵7和流体控温装置9与控制电路8相连且根据控制电路8的指令进行温度控制以及流体流动控制。

当需要外骨骼关节处于可活动状态时，流体控温装置9处于加热状态，将传热流体6的温度加热到液态金属相变材料3的熔点以上，流体泵7将加热后的传热流体6泵送至热量交换空腔4内，同时对铜导热片1进行加热，利用传热作用使得液态金属相变材料3变为液态，则导热片1之间可以自由转动，关节处于活动状态，如图3所示，两个热量交换空腔4之间可以自由转动。

当需要外骨骼关节处于锁定状态时，流体控温装置9处于制冷状态，使得传热流体6的温度位于液态金属相变材料3的熔点以下，流体泵7将过冷的传热流体6泵送至热量交换空腔4内，使得铜导热片1降温，进而使得液态金属相变材料3变为固态，导热片1相互之间被固定无法转动，关节处于锁定状态，如图4所示，此时关节可以承受一定的外界压力而不发生转动。

图2是本发明涉及的液态金属外骨骼关节内部的结构示意图，具体到本实施例当中，热量交换空腔4是塑料壳体组成，导热片1为铜金属片，且一端深入热量交换空腔内，另一端组成铰接结构。柔性包裹层2为弹性硅胶材料，将导热片1以及液态金属相变材料3包裹在两个热量交换空腔4之间，液态金属相变材料3与导热片1相互浸润。当传热流体6沿箭头所示方向流入热量交换空腔4内时，可以对导热片1的一端进行加热或制冷，利用传热作用使得另一端也升温或者降温，进而改变液态金属相变材料3的固液态，实现关节可动与不可动之间的切换。

图5是本发明提出的液态金属外骨骼关节用在人体肘关节上的示意图，两个热量交换空腔4分别固定在上臂和下臂上，流体管道5附着在上臂上，当需要自由活动时，外骨骼关节处于打开状态，当需要增强外力时，外骨骼关节处于锁定状态。

最后所应说明的是，以上一种基于液态金属实现的外骨骼关节的实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。