液态金属型机器人灵巧手的制作方法

本发明涉及机器人灵巧手，更具体地说，涉及一种液态金属型机器人灵巧手。

背景技术

当前机器人技术获得了快速发展，其应用领域越来越广泛。作为机器人与环境相互作用的最后执行部件,末端执行器对机器人智能化水平和作业水平的提高具有十分重要的作用。机器人末端执行器的工作能力的研究受到了极大的重视。近些年来,由于传统工业机器人末端执行器一般针对具体特定任务设计,如两指单自由度夹持器可用于夹持几何形状规则物体,执行上下料和简单装配任务,因其结构简单,应用较广泛。但当被抓持的物体或任务改变时,末端执行器的结构形式也要改变,因此其适应对象范围有限,另一方面传统的执行器对物体的夹持为刚性抓持,若想改变抓持姿态或改变抓持点,需要先放开物体再抓持,因此其操作灵活性不足。在现代工业生产中,产品种类不断增多,产品更新速度不断加快,生产任务对末端执行器提出的要求越来越高,缺乏通用性和灵活性的传统末端执行器越来越无法适应市场的需要,而机器人灵巧手因在结构上具有多个自由的特点,所以对夹持对象具有适应性,且能操作被夹持的物体调整其位姿,同时灵巧手还具有感知能力,这些优点使灵巧手作为通用的末端操作器得到不断地发展和应用。作为新一代智能型通用机械手爪的灵巧手在太空、水下及核辐射等极限和有害环境下有能力替代人类执行危险而复杂的操作任务,应用潜力巨大。例如太空环境下的空间站舱外维修和试验,深海环境下的探测、取样和打捞,辐射危险环境下的核装置维护,核弹头拆装和战场排雷等。另外,在服务、医疗、娱乐领域,安装于人形机器人手臂末端的仿人灵巧手也受到越来越多的关注,这些应用前景为灵巧手的研究提供了巨大动力。

当前如何进一步提高机器人灵巧手抓取物件的自适应性,如何将驱动与传感和控制技术相结合来进一步提高机器人手的灵巧性，如何开发利用机器人灵巧手的自发电功能等技术,这些都有待人们进一步去解决。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种液态金属型机器人灵巧手，包括：制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸、液态金属自发电器、近指节、远指节、手掌、智能控制器；所述制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸、液态金属自发电器均装配在近指节内部；所述近指节一端与远指节相连接，构成液态金属型机器人灵巧手的单个手指；所述近指节另一端与手掌相连接；所述多个液态金属型机器人灵巧手的手指与手掌相连接，并与智能控制器共同构成液态金属型机器人灵巧手；所述制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸，包括：液态金属驱动关节工作缸体、液态金属近指节主动活塞、上电极层、液态金属近指节被动活塞、下电极层、微型制冷器、微型制热器、第一压力传感器、温度传感器、柔性可伸缩的被动活塞杆、连接拨块、远关节拨块、液态金属、导热层、绝热层；所述微型制冷器、微型制热器通过导热层分别装配在液态金属驱动关节工作缸体的前部外侧不同地方；所述液态金属自发电器包括：磁极、整流器、蓄电池；所述磁极装配在制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸的中部外侧，所述液态金属切割磁极产生磁感线产生切割电流，通过所述上电极层、下电极层将电流通过整流器传输至蓄电池。

上述方案中，所述的液态金属型机器人灵巧手，所述制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸中的液态金属近指节主动活塞呈t字型，装配在液态金属驱动关节工作缸体内部的前部，可沿液态金属驱动关节工作缸体内壁滑动；所述压力传感器装配在液态金属近指节主动活塞承受外力的前部表面；所述上电极层装配在液态金属近指节主动活塞后部表面，并与封装在液态金属驱动关节工作缸体内部的液态金属一端紧密接触；所述液态金属近指节被动活塞装配在液态金属驱动关节工作缸体内部的中部，可沿液态金属驱动关节工作缸体内壁滑动；所述液态金属近指节被动活塞的一端面装配有下电极层；所述下电极层与封装在液态金属驱动关节工作缸体内部的液态金属另一端紧密接触；所述液态金属被封装在液态金属近指节主动活塞的上电极层和液态金属近指节被动活塞的下电极层之间，并构成在外压力作用下液态金属压力封闭体系及可移动结构；所述被动活塞杆装配在液态金属驱动关节工作缸体内部的后部，并与液态金属近指节被动活塞的另一端相连接；所述液态金属驱动关节工作缸体的外层为绝热层。

上述方案中，所述的近指节包括：近指节主动滑块、近关节轴、近关节导杆、近指节档板；所述远指节包括：远关节压簧、远关节压簧导杆、远关节扭簧、远关节轴、第二压力传感器；所述近指节主动滑块与液态金属近指节主动活塞前端紧密相连接；所述近关节导杆与近关节轴相连接；所述近关节轴与手掌相连接；所述被动活塞杆与连接拨块相连接；所述连接拨块与远关节拨块相连接；所述远关节拨块与远关节压簧一端相连接；所述远关节压簧另一端与远关节压簧导杆相连接；所述远关节拨块另一端与远关节轴相连接；所述远关节轴另一端与远关节压簧导杆另一端相连接；所述远关节轴和远关节扭簧与近指节档板相连接；所述第二压力传感器装配在远指节受力的外侧。

上述方案中，所述的智能控制器与微型制冷器、微型制热器、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、液态金属自发电器相连接；所述微型制冷器包括：快速j-t制冷器、微型半导体制冷器、微型节流制冷器、快速启动锥形节流制冷器或制冷机冷头微型制冷器；所述快速j-t制冷器按外形划分包括：柱型、塔型或平板式，按气流控制区划分包括：自调式或开放式，按气路划分包括：单气路或双气路，按与探测器连接方式划分包括：整体式、模块式或喷射式；所述微型制冷器装配在液态金属驱动关节工作缸体的外侧面；所述微型制冷器还包括双螺旋可伸缩中空制冷管、u型中空制冷管；所述双螺旋可伸缩中空制冷管的顶端相连接并相通；所述双螺旋可伸缩中空制冷管和u型中空制冷管中流通冷却介质，它们装配在液态金属驱动关节工作缸体的内部，并与液态金属紧密相接触。

上述方案中，所述的液态金属型机器人灵巧手，所述微型制热器采用电加热涂层制热器或电阻加热层制热器；所述磁极采用永久磁铁磁极或通电线圈磁极。

上述方案中，所述的液态金属型机器人灵巧手，所述液态金属包括：液态镓、液态合金镓、液态纳、液态纳钾、液态锂或液态铅中的一种；所述导热层包括：石墨烯层；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。

上述方案中，所述的液态金属型机器人灵巧手包括：液态金属型机器人灵巧手的单节手指、液态金属型机器人灵巧手的双节手指、液态金属型机器人灵巧手的多节手指、液态金属型机器人灵巧手的单手指、液态金属型机器人灵巧手的双手指或液态金属型机器人灵巧手的多手指中的一种或几种。

本发明的液态金属型机器人灵巧手工作过程如下：

当智能控制器收到液态金属型机器人灵巧手抓取物件指令工作指令，智能控制器指令液态金属型机器人灵巧手进行抓取物件工作。液态金属型机器人灵巧手的手掌带动手指向被抓取物件靠近，液态金属型机器人灵巧手的手指近指节主动滑块靠近被抓取物件。当手指进一步移向被抓取物件时，安装在液态金属近指节主动活塞前部的第一压力传感器发出信号并输送给智能控制器；在抓取物件产生的外力作用下，液态金属近指节主动活塞向液态金属驱动关节工作缸体内移动，装配在液态金属近指节主动活塞后部的上电极层与液态金属近指节主动活塞共同推动液态金属驱动关节工作缸体内液态金属向上移动；向上移动的液态金属推动液态金属近指节被动活塞向上移动；液态金属近指节被动活塞带动柔性可伸缩被动活塞杆与连接拨块向上移动；连接拨块带动远关节拨块围绕远关节轴转动；远关节轴和远关节拨块带动远关节压簧导杆和远指节围绕远关节轴向被抓取物件转动弯曲；此时近指节和远指节已经处于被抓住物件位置，装配在近指节上的第一压力传感器和远指节上的第二压力传感器同时向智能控制器发送压力信息；智能控制器向微型制冷器发出工作指令，微型制冷器开始快速制冷工作，装配在液态金属驱动关节工作缸体内液态金属快速冷却，液态金属快速固化，此时近指节和远指节已经处于牢固抓住物件状态。

当被抓取物件被液态金属型机器人灵巧手移动到指定位置，智能控制器向微型制冷器下达停止抓取工作指令，同时向微型制热器下达制热工作指令；微型制热器开始快速制热工作，装配在液态金属驱动关节工作缸体内液态金属温度快速上升，液态金属由固态变为液态；此时，液态金属型机器人灵巧手开始放松被抓取物件；在远关节压簧、远关节压簧导杆、远关节扭簧和远关节轴共同作用下，远指节离开被抓取物件，回到初始状态，液态金属型机器人灵巧手完成抓取与放松的循环动作。

当在抓取物件时产生外力作用下，在液态金属驱动关节工作缸体内的液态金属近指节主动活塞推动下，液态金属向液态金属驱动关节工作缸体内上部移动，不断地切割装配在液态金属向液态金属驱动关节工作缸体外侧的磁极，产生切割电流，并由装配在液态金属近指节主动活塞的上电极层和液态金属近指节被动活塞的下电极层将电流传输给整流器电路，并由整流器传输给蓄电池备用。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明采用的液态金属型机器人灵巧手，采用了制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸，采用将微型制冷器、微型制热器、液态金属和智能控制器相结合，利用液态金属的低熔点及固体与液体之间相变特征，利用液态金属处于液态时的可流动性能和固态时的物理性能，使液态金属处于液体相态时的机器人灵巧手具有自适应吻合被抓取物件外形的性能，使液态金属处于固体相态时的机器人灵巧手具有牢固抓取物件的稳定性能，因此本发明液态金属型机器人灵巧手的抓取不同形状物件的灵巧性与稳定性得到显著提高。

(2)本发明采用的液态金属型机器人灵巧手，采用了液态金属自发电器。当在抓取物件时产生外力推动作用下，在液态金属驱动关节工作缸体内的液态金属近指节主动活塞推动下，液态金属型机器人灵巧手形成抓取状态时，液态金属向液态金属驱动关节工作缸体内上部移动；液态金属型机器人灵巧手形成放松状态时，液态金属向液态金属驱动关节工作缸体内下部移动；因此在液态金属驱动关节工作缸体内的液态金属不断地上下移动，不断地切割装配在液态金属向液态金属驱动关节工作缸体外侧的磁极产生磁力线，产生切割电流，并由装配在液态金属近指节主动活塞的上电极层和液态金属近指节被动活塞的下电极层将电流传输给整流器电路，并经过由整流器电路整流后再传输给蓄电池备用。

附图说明

图1是液态金属型机器人灵巧手准备抓取物件时的单指结构截面示意图；

图2是液态金属型机器人灵巧手抓取物件时的单指结构截面示意图；

图3是制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸的结构截面示意图。

其中：制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1、液态金属自发电器2、近指节3、远指节4、液态金属驱动关节工作缸体5、液态金属近指节主动活塞6、上电极层7、液态金属近指节被动活塞8、下电极层9、微型制冷器10、微型制热器11、第一压力传感器a、第二压力传感器b、温度传感器c、被动活塞杆12、连接拨块13、远关节拨块14、液态金属15、导热层16、绝热层17、磁极18、整流器19、蓄电池20、液态金属驱动关节工作缸体内壁21、近指节主动滑块22、近关节轴23、近关节导杆24、近指节档板25、远关节压簧26、远关节压簧导杆27、远关节扭簧28、远关节轴29、物件30。

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

本实施例是本发明的液态金属型机器人灵巧手，图1是液态金属型机器人灵巧手准备抓取物件时的单指结构截面示意图；图2是液态金属型机器人灵巧手抓取物件时的单指结构截面示意图；图3是制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸的结构截面示意图。

本发明实施例提供了一种液态金属型机器人灵巧手，包括：制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1(见图3)、液态金属自发电器2、近指节3(见图1、图2)、远指节4、手掌、智能控制器；制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1包括：液态金属驱动关节工作缸体5、液态金属近指节主动活塞6、上电极层7、液态金属近指节被动活塞8、下电极层9、微型制冷器10、微型制热器11、第一压力传感器a、温度传感器c、柔性可伸缩的被动活塞杆12、连接拨块13、远关节拨块14、液态金属15、导热层16、绝热层17；液态金属自发电器2包括：磁极18、整流器19、蓄电池20；磁极18装配在制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1的中部外侧，并与流动的液态金属15、上电极层7、下电极层9、整流器19、蓄电池20构成液态金属自发电器2；微型制冷器10、微型制热器11通过导热层16分别装配在液态金属驱动关节工作缸体5的前部外侧不同地方，并共同构成制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1；制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1、液态金属自发电器2均装配在近指节3内部；近指节3一端与远指节4相连接，构成液态金属型机器人灵巧手的单个手指；近指节3另一端与手掌相连接；多个液态金属型机器人灵巧手的手指与手掌相连接，并与智能控制器共同构成液态金属型机器人灵巧手。

在液态金属型机器人灵巧手中的制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1中的液态金属近指节主动活塞6呈t字型，装配在液态金属驱动关节工作缸体5内部的前部，可沿液态金属驱动关节工作缸体内壁21滑动；第一压力传感器a装配在液态金属近指节主动活塞6承受外力的前部表面；上电极层7装配在液态金属近指节主动活塞6后部表面，并与封装在液态金属驱动关节工作缸体5内部的液态金属15一端紧密接触；液态金属近指节被动活塞8装配在液态金属驱动关节工作缸体5内部的中部，可沿液态金属驱动关节工作缸体内壁21滑动；液态金属近指节被动活塞8的一端面装配有下电极层9；下电极层9与封装在液态金属驱动关节工作缸体5内部的液态金属15另一端紧密接触；液态金属15被封装在液态金属近指节主动活塞6的上电极层7和液态金属近指节被动活塞8的下电极层9之间，并构成在外压力作用下液态金属压力封闭体系及可移动结构；柔性可伸缩被动活塞杆12装配在液态金属驱动关节工作缸体5内部的后部，并与液态金属近指节被动活塞8的另一端相连接；液态金属驱动关节工作缸体5的外层为绝热层17。

近指节3包括：近指节主动滑块22、近关节轴23、近关节导杆24、近指节档板25；远指节4包括：远关节压簧26、远关节压簧导杆27、远关节扭簧28、远关节轴29；近指节主动滑块22与制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1的液态金属近指节主动活塞6前端紧密相连接；近关节导杆24与近关节轴23相连接；近关节轴23与手掌相连接；制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1的柔性可伸缩被动活塞杆12与连接拨块13相连接；连接拨块13与远关节拨块14相连接；远关节拨块14与远关节压簧26一端相连接；远关节压簧26另一端与远关节压簧导杆27相连接；远关节拨块14另一端与远关节轴29相连接；远关节轴29另一端与远关节压簧导杆27另一端相连接；远关节轴29和远关节扭簧28与近指节档板25相连接；第二压力传感器b装配在远指节4的受力外侧。

智能控制器与微型制冷器10、微型制热器11、第一压力传感器a、第二压力传感器b、温度传感器c、液态金属自发电器2相连接；微型制冷器10采用微型节流快速制冷器；微型制热器11采用电加热涂层制热器；磁极18采用永久磁铁磁极。液态金属15采用液态合金镓；导热层16采用石墨烯涂层。

本发明实施例的液态金属型机器人灵巧手工作过程如下：

当智能控制器收到液态金属型机器人灵巧手抓取物件指令工作指令，智能控制器指令液态金属型机器人灵巧手进行抓取物件30工作。液态金属型机器人灵巧手的手掌带动手指向被抓取物件30靠近，液态金属型机器人灵巧手手指的近指节主动滑块6靠近被抓取物件30(见图1)。当手指进一步移向被抓取物件30时，安装在液态金属近指节主动活塞6前部的第一压力传感器a发出信号并输送给智能控制器；在抓取物件30产生的外力作用下，液态金属近指节主动活塞6向液态金属驱动关节工作缸体5内移动，装配在液态金属近指节主动活塞6后部的上电极层7与液态金属近指节主动活塞6共同推动液态金属驱动关节工作缸体5内液态金属15向上移动；向上移动的液态金属15推动液态金属近指节被动活塞8向上移动；液态金属近指节被动活塞8带动柔性可伸缩被动活塞杆12与连接拨块13向上移动；连接拨块13带动远关节拨块14围绕远关节轴29转动；远关节轴29和远关节拨块14带动远关节压簧导杆27和远指节4围绕远关节轴向29被抓取物件30转动弯曲；此时近指节3和远指节4已经处于被抓住物件30位置，装配在近指节3上的第一压力传感器a和远指节4上的第二压力传感器b同时向智能控制器发送压力信息；智能控制器向微型制冷器10发出工作指令，微型制冷器10开始快速制冷工作，装配在液态金属驱动关节工作缸体5内液态金属15快速冷却，液态金属15快速固化，此时近指节3和远指节4已经处于牢固抓住物件30状态(见图2)。

当被抓取物件30被液态金属型机器人灵巧手移动到指定位置，智能控制器向微型制冷器10下达停止抓取工作指令，同时向微型制热器11下达制热工作指令；微型制热器11开始快速制热工作，装配在液态金属驱动关节工作缸体5内液态金属15温度快速上升，液态金属15由固态变为液态；此时，液态金属型机器人灵巧手开始放松被抓取物件30；在远关节压簧26、远关节压簧导杆27、远关节扭簧28和远关节轴29共同作用下，远指节4离开被抓取物件30，返回到液态金属型机器人灵巧手初始状态(见图1)，在此液态金属型机器人灵巧手完成抓取与放松的循环动作。

当在抓取物件30时产生外力作用下，在液态金属驱动关节工作缸体5内的液态金属近指节主动活塞6推动下，液态金属15向液态金属驱动关节工作缸体5内上部移动，不断地切割装配在液态金属向液态金属驱动关节工作缸体5外侧的磁极18产生的磁力线，产生切割电流，并由装配在液态金属近指节主动活塞6的上电极层7和液态金属近指节被动活塞8的下电极层9将产生电流传输给整流器19电路，并经过由整流器19的整流后传输给蓄电池20备用。

本发明实施例的液态金属型机器人灵巧手，采用了制冷与制热式液态金属驱动关节工作缸1，采用将微型制冷器10、微型制热器11、液态金属15和智能控制器相结合，利用液态金属15的低熔点及固体与液体相变特征，利用液态金属处于液态时的可流动性能和固体时的物理性能，使液态金属15处于液体状态时的机器人灵巧手具有自适应吻合被抓取物件外形的性能，使液态金属15处于固体状态时的机器人灵巧手具有牢固抓取物件的稳定性能，因此本发明实施例液态金属型机器人灵巧手的抓取不同形状物件30的灵巧性与稳定性得到显著提高。

本发明实施例采用的液态金属型机器人灵巧手，采用了液态金属自发电器2。当在抓取物件30时产生外力推动作用下，在液态金属驱动关节工作缸体5内的液态金属近指节主动活塞6推动下，液态金属型机器人灵巧手形成抓取状态时，液态金属15向液态金属驱动关节工作缸体5内上部移动；液态金属型机器人灵巧手形成放松状态时，液态金属15向液态金属驱动关节工作缸体5内下部移动；因此在液态金属驱动关节工作缸体5内的液态金属15不断地上下移动，不断地切割装配在液态金属向液态金属驱动关节工作缸体5外侧的磁极18产生磁力线，产生切割电流，并由装配在液态金属近指节主动活塞6的上电极层7和液态金属近指节被动活塞8的下电极层9将电流传输给整流器19电路，并经过由整流器19电路整流后再传输给蓄电池20备用。

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。