CN103331754B - 一种基于金属相变型柔性机械关节装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于金属相变型柔性机械关节装置，其由N个充注液体金属的柔性管道、（N+1）个刚性连接板、N个热电片以及电源组成，N为大于1或等于1但小于100的正整数，所述刚性连接板和柔性管道均形成套筒式结构，柔性管道的两端均连接有一个刚性连接板，所述热电片与柔性管道紧密贴合，所述电源连接热电片为其供电，所述液体金属为在室温下呈液体状态的低熔点金属，本发明存在柔性和刚性两种工作状态，柔性状态时热电片制热，低熔点金属熔化；刚性状态时热电片制冷，低熔点金属凝固，整个机械关节装置为固态，借助于两种状态的转变，本发明机械关节装置不仅柔性程度高，同时具备优异的力学特征，可应用于工业机器人、人体外骨骼、高端助残设备等机械工程领域。

Description

一种基于金属相变型柔性机械关节装置
技术领域
本发明涉及一种人工关节装置，特别涉及一种基于金属相变型柔性机械关节装置。
背景技术
机械关节装置广泛应用于现代工业领域，如机械自动化、工业机器人、人体外骨骼，以及高端助残设备等领域都存在大量的机械关节装置。从功能上讲，机械关节装置一方面需要提供丰富的弯曲和扭转自由度，同时必须承受尽可能高的拉伸和剪切应力。当前的机械关节装置普遍采用轴承配合液压或气压设备来实现。其通过轴承装置实现一定的自由度，同时通过液压/气压设备来抵抗关节运动或承重过程中受到的拉伸或剪切应力。
然而，传统的机械关节装置中轴承能够实现的自由度非常有限，且液压/气压设备结构复杂，成本较高，且在频繁承重后安全性和可靠性会明显降低。因此，寻找自由度更高，顺应性强，结构更加简单，且更加安全稳定的机械关节装置是工业界亟需解决的难题。
针对上述问题，本发明提出了一种基于金属相变型柔性机械关节装置。其填充液态金属的柔性管道能实现非常灵活的拉伸和扭转自由度，同时其可通过控制液态金属的固液相变来承受关节运动或承重过程中受到的拉伸或剪切应力。其典型优点如下：（1）自由度高。可同时实现非常丰富的拉伸或扭转自由度；（2）力学性能优异。可通过控制液态金属相变来获得极为优异的拉伸或剪切强度；（3）节能。借助低熔点金属的凝固承重特性可节约液压部件所需的大量能耗；（4）稳定可靠，寿命长。基于金属相变型柔性机械关节装置结构简单，无机械运动部件，更加安全，稳定，可靠。
发明内容
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基于金属相变型柔性机械关节装置，即利用填充液态金属的柔性管道实现非常灵活的拉伸和扭转自由度，同时通过控制液态金属的液固相变来承受关节运动或承重过程中受到的拉伸或剪切应力，其具有结构简单，无机械运动部件，自由度高，更加安全可靠的特点。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于金属相变型柔性机械关节装置，其由N个充注液体金属的柔性管道、（N+1）个刚性连接板、N个热电片以及电源组成，N为大于1或等于1但小于100的正整数，所述刚性连接板和柔性管道均形成套筒式结构，柔性管道的两端均连接有一个刚性连接板，所述热电片与柔性管道紧密贴合，所述电源连接热电片为其供电，所述液体金属为在室温下呈液体状态的低熔点金属。
所述刚性连接板的材质可为铝、铜、不锈钢、镍或因康镍合金。刚性连接板材质的选择和低熔点金属的选择相关，必须保证低熔点金属和刚性连接板的相容性。若低熔点金属为镓基合金，刚性连接板材质可选择铝、铜、不锈钢、镍或因康镍合金等。
所述柔性管道的材质可为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料、聚亚胺酯、不锈钢波纹管、不锈钢编织带等。
所述液体金属主要包括镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。所述镓基二元合金为镓铟合金，镓铋合金或镓锡合金。所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。所述铋基合金为铋铟锡合金或铋锡合金。其中，镓基合金因为熔点低、无毒、性质稳定、不易蒸发泄漏为最佳选择。
所述的基于金属相变型柔性机械关节装置可以进行多根顺序串联或者并联，从而实现更灵活的布置和弯折。
本发明的基于金属相变型柔性机械关节装置，初始状态热电片制热，低熔点金属熔化，充注液态金属的柔性管道为柔性状态，整个机械关节装置可在柔性管道位置处灵活弯折或扭转；一旦关节到达特定的位置需要承重或承受应力时，则热电片制冷，低熔点金属凝固，充注液态金属的柔性管道转变为固体刚性状态，整个机械关节装置可承受较大的拉伸或扭转应力。
本发明中的基于金属相变型柔性机械关节装置具有如下优点：
（1）自由度高。可同时实现非常丰富的拉伸或扭转自由度。
（2）力学性能优异。可通过控制液态金属相变来获得极为优异的拉伸或剪切强度。
（3）节能。借助低熔点金属的凝固承重特性可节约液压/气压部件所需的大量能耗。
（4）稳定可靠，寿命长。基于金属相变型柔性机械关节装置结构简单，无机械运动部件，更加安全，可靠。
附图说明
附图1为基于金属相变型柔性机械关节装置示意图。
附图2为实施例1中金属相变型柔性机械关节装置用于助残装置肘关节部位助力机构示意图。
附图3为多段串联的基于金属相变型柔性机械关节装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明。
本发明提供的基于金属相变型柔性机械关节装置可用于机械自动化，工业机器人，人体外骨骼，以及高端助残设备等。
实施例1：
如图1所示，基于金属相变型柔性机械关节装置，由一个充注液体金属的柔性管道3，第一刚性连接板1，第二刚性连接板2，一个热电片4以及电源5组成，第一刚性连接板1和第二刚性连接板2连接在柔性管道3的两端，热电片4与柔性管道3紧密贴合，电源5为热电片供电，柔性管道3内充注的液体金属为具有高热导率且在室温下呈现液态的低熔点金属。
装置的运行过程为：初始状态热电片4制热，低熔点金属熔化，充注液态金属的柔性管道3转为柔性状态，因此整个机械关节装置可在柔性管道3位置处灵活弯折或扭转；一旦关节到达特定的位置需要承重或承受应力时，则热电片4制冷，低熔点金属凝固，充注液态金属的柔性管道3转变为固体刚性状态时，整个机械关节装置可承受较大的拉伸或扭转应力。
图2展示了基于金属相变型柔性机械关节装置用于助残装置中肘关节部位助力机构的结构示意图，图中基于金属相变型柔性机械关节装置为套筒式结构套接在人体肘关节处。
由图2可知，初始状态时，热电片4制热，低熔点金属熔化，充注液态金属的柔性管道3为柔性状态，因此肘关节6可灵活弯折或扭转（此时可进行搬运重物的动作）；一旦肘关节6运动至需要承重位置时（需保持搬运动作行走），热电片4开始制冷，低熔点金属凝固，充注液态金属的柔性管道3转变为固体刚性状态，整个机械关节装置开始承受较大的拉伸或扭转应力，有效缓解了人行走时肘关节6需要承受的重物拉力F。
所述刚性连接板1和2的材质可为铝、铜、不锈钢、镍或因康镍合金。本实施例中采用铜材质。
所述柔性管道3的材料可为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料、聚亚胺酯、不锈钢波纹管、不锈钢编织带等。本实施例中采用聚乙烯作为柔性软管材料。
所述液体金属主要包括镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。所述镓基二元合金为镓铟合金，镓铋合金或镓锡合金。所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。所述铋基合金为铋铟锡合金或铋锡合金。本实施例中选择镓基合金Ga61In25Sn13Zn1（质量百分比为61%Ga，25%In，13%Sn，1%Zn）。
利用图2中的基于金属相变型柔性机械关节装置，可实现：（1）极大缓解了人搬运重物行走时肘关节需要承受的拉力；（2）人体肘关节的运动灵活，不受影响。
实施例2：
如图3所示，本发明提供的基于金属相变型柔性机械关节装置可进行顺序级联，形成具有多个刚性连接板，多个充注液体金属的柔性管道的多级柔性机械关节装置。多级柔性机械关节装置可实现更灵活的布置和弯折应用。
本实施例中N=2，即：三个刚性连接板（第一刚性连接板1，第二刚性连接板2，第三刚性连接板7）和二根充注液体金属的柔性管道（第一柔性管道3，第二柔性管道8）；第一刚性连接板1、第一柔性管道3、第二刚性连接板2、第二柔性管道8和第三刚性连接板7依次相连通组成三段式柔性机械关节。同时，装置中存在两个热电片，分别为第一热电片9和第二热电片10，两个热电片可独立控制。
第一柔性管道3及第二柔性管道8内均存储具有高热导率且在室温下呈液态的低熔点金属。
使用时，第一柔性管道3运动至合适的位置后，第一热电片9制冷，第一柔性管道3固化。随后，第二柔性管道8运动至合适的位置，第二热电片10制冷，最后第二柔性管道8固化。这种两级固化的柔性机械关节装置可以实现更加灵活的自由度，满足更加广泛的应用需求。
第一刚性连接板1，第二刚性连接板2和第三刚性连接板7的材料可为铝、铜、不锈钢、镍或因康镍合金；本实施例中采用不锈钢。
第一柔性管道式3及第二柔性管道8的管道材料可为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料、聚亚胺酯、不锈钢波纹管、不锈钢编织带等；本实施例中采用聚亚胺酯作为柔性软管材料。
所述液体金属主要包括镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。所述镓基二元合金为镓铟合金，镓铋合金或镓锡合金。所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。所述铋基合金为铋铟锡合金或铋锡合金。本实施例中选择镓铟合金Ga80In20（质量百分比为80%Ga，20%In）。
依次类推，N可为1～9；可以组成多级柔性机械关节装置，由于多段充注液态金属的柔性管道的存在，使得本发明的基于金属相变型柔性机械关节装置的灵活程度更高，可满足多次弯折定型的需求。
最后应说明的是，以上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。

Claims (8)

1.一种基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，其由N个充注液体金属的柔性管道、N+1个刚性连接板、N个热电片以及电源组成，N为1-9的正整数，所述刚性连接板和柔性管道均形成套筒式结构，柔性管道的两端均连接有一个刚性连接板，所述热电片与柔性管道紧密贴合，所述电源连接热电片为其供电，所述液体金属为在室温下呈液体状态的低熔点金属。
2.如权利要求1所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述刚性连接板材质为铝、铜、不锈钢、镍或因康镍合金。
3.如权利要求1所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述柔性管道的材质为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、ABS工程塑料或聚亚胺酯。
4.如权利要求1所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述柔性机械关节装置多组串联或并联形成阵列。
5.如权利要求1所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述液体金属包括镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。
6.如权利要求5所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金，镓铋合金或镓锡合金。
7.如权利要求5所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
8.如权利要求5所述的基于金属相变型柔性机械关节装置，其特征在于，所述铋基合金为铋铟锡合金或铋锡合金。
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