CN105479463A - 一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性可变形机器人，具体涉及一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，包括：呈球型的柔性聚合物薄膜、带有内腔的固定装置和控制系统；柔性聚合物薄膜由若干个内部封装有液态金属线圈多边形薄膜单元拼接而成；固定装置表面固定有与液态金属线圈一一对应的电磁线圈，固定装置表面还设置有用于支撑柔性聚合物薄膜的支撑结构；控制系统设置在固定装置内腔中，用于检测和控制各多边形薄膜单元的变形形态，液态金属线圈通过液态金属柔性导线与控制系统相连接；本发明可实现外表面的完全柔性和可变形，可以实现收缩、扩张和行走等功能，可以适用于更加复杂的环境，在灾害救援、军事侦察、医疗康复等领域有着广阔的应用前景。

Description

一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人

技术领域

本发明涉及一种柔性可变形机器人，具体涉及一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人。

背景技术

一般而言，机器人往往由刚性材料制造而成，依靠杠杆原理实现肢体的运动。而在一些特殊的环境中，这些刚性结构阻碍机器人完成任务。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。因此，柔性机器人在军事侦察和地震救援等方面有着十分广阔的应用前景。制造柔性机器人的关键在于柔性变形材料的选取。近些年来，研究人员逐步将许多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。与此同时，各种驱动策略也相继应用于软体机器人的设计，如电磁力、气压、液压、温控等。其中，由于电磁驱动装置具有控制原理简单，可以实现微型化的优点，许多研究人员将其应用于微型软体机器人的设计。一些研究人员利用磁铁和通电线圈的相互作用力实现机器人的运动。例如，仿生电磁致动机器鱼和多自由度电磁致动机器蛇等。

尽管电磁致动机器人具有很高的变形能力和顺应性，但是附着于柔性材料上的刚性线圈降低了机器人的变形能力。选取合适的柔性导电材料代替传统的刚性线圈可以成为制造完全柔性机器人的一种解决方案。

镓铟烯合金是一种在常温下保持液态的一类合金，具有良好的导电性和较低的凝固点。这些特性使得液态金属在柔性传感器、可伸缩器件等方面有着广阔的应用前景。如作为可穿戴设备之间的电气连接部件以及用于制造柔性压力传感器、柔性电感和可拉伸扬声器等。

利用液态金属在制造柔性电子方面独特的优势，研究人员发展出一系列液态金属电路的加工工艺。基于液态金属的流体特性，采用微加工领域常见的光掩模技术制造的微流道是一种常见的液态金属柔性电路制备工艺。此外，清华大学微纳医学实验室基于喷墨打印原理发展的液态金属电路喷涂技术进一步简化了液态金属柔性电路的制备工艺，提高柔性电路的制备效率。同样，该实验室开发的液态金属平面打印技术则可以实现液态金属电路制作的完全自动化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，该球形机器人能够实现任意变形，具有大范围的轴向和径向拉伸变形能力，使机器人可以适应更加复杂的环境。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，包括：呈球型的柔性聚合物薄膜、柔性聚合物薄膜内的带有内腔的固定装置和控制系统；所述柔性聚合物薄膜由若干个内部封装有液态金属线圈多边形薄膜单元拼接而成；所述固定装置表面固定有与液态金属线圈一一对应的电磁线圈，所述固定装置表面还设置有用于支撑柔性聚合物薄膜的支撑结构；所述控制系统设置在固定装置内腔中，用于检测和控制各多边形薄膜单元的变形形态；所述液态金属线圈通过液态金属柔性导线与控制系统相连接。

进一步的，所述控制系统包括单片机，所述单片机连接有信号传输模块、线圈使能电路、磁场控制电路、用于检测液态金属线圈形态变化的形态检测电路和电源模块。

进一步的，所述单片机采用MSP430低功耗单片机。

进一步的，所述信号传输模块采用蓝牙传输，并与PC端进行数据通信。

进一步的，所述支撑结构包括4个对称设置的连接柱，所述连接柱的一端连接在固定装置一侧的圆弧面内，另一端与柔性聚合物薄膜相连接；所述固定装置通过4个连接柱固定在柔性聚合物薄膜内中心处。

进一步的，所述多边形薄膜单元包括边长相等的20块六边形和12块五边形薄膜单元。

进一步的，所述柔性聚合物薄膜厚度为1mm。

进一步的，所述柔性聚合物薄膜采用硅胶薄膜或聚二甲基硅氧烷薄膜。

进一步的，所述液态金属线圈采用在室温条件下具有流动性的液态金属或合金。

进一步的，所述液态金属合金采用镓铟合金，包括75.5％的镓和24.5％的铟。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：通过设置由多块多边形柔性聚合物薄膜单元拼接而成的柔性聚合物薄膜，并在多边形柔性聚合物薄膜单元内封装液态金属线圈；通过控制单元任意控制各个多边形薄膜单元的变形运动，因此经过各个变形模块的排列组合，整个球形机器人可以产生不同形状的变形运动，并且可以实现空间位移运动，实现收缩、扩张、抓取、行走等功能。本发明利用液态金属制作的柔性导线代替传统的刚性线圈，可以最大限度地实现柔性机器人的变形能力，提高了机器人对各种环境的适应能力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，其中，图1-1是球形机器人外观示意图；图1-2是球形机器人俯视剖面图。

图2是本发明的内部结构示意图，其中，图2-1是球形机器人的正视图；图2-2是球形机器人的俯视图。

图3是本发明的控制电路原理示意图。

图4是本发明的液态金属柔性线圈的基本结构和形状及其加工过程示意图，其中，图4-1是液态金属柔性线圈的基本结构和形状示意图；图4-2是液态金属柔性线圈的加工过程示意图。

图5是本发明所述的球形机器人的三种变形模式：收缩、扩张、行走。

其中，图5-1是球形机器人收缩变形模式示意图；图5-1-1是球形机器人正视图；图5-1-2是球形机器人的俯视图。

图5-2是球形机器人扩张变形模式示意图；图5-2-1是球形机器人正视图，图5-2-2是球形机器人变形后的正视图。

图5-3是球形机器人行走变形模式示意图；图5-3-1是球形机器人正视图；图5-3-2是球形机器人变形后的正视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明提供的球形机器人1，包括：呈球型的柔性聚合物薄膜2、带有内腔的固定装置3和控制系统；所述柔性聚合物薄膜2由若干个内部封装有液态金属线圈多边形薄膜单元拼接而成；所述固定装置3表面固定有与液态金属线圈一一对应的电磁线圈，所述固定装置3表面还设置有用于支撑柔性聚合物薄膜2的支撑结构；所述控制系统设置在固定装置3内腔中，用于检测和控制各多边形薄膜单元的变形形态；所述液态金属线圈通过液态金属柔性导线5与控制系统相连接。多边形薄膜单元包括边长相等的二十块六边形和十二块五边形薄膜单元，每块薄膜内部封装液态金属线圈。所述液态金属线圈采用在室温条件下具有流动性的液态金属或合金。液态金属合金可以采用镓铟合金，包括75.5％的镓和24.5％的铟。

参见图2-1，图2-2，支撑结构包括四个对称设置的连接柱4，所述连接柱4的一端连接在固定装置3一侧的圆弧面内，另一端与柔性聚合物薄膜2相连接；所述固定装置3通过四个连接柱4固定在柔性聚合物薄膜2内中心处。本发明中的电磁线圈需要与液态金属柔性线圈一一对应，因此需要使用固定装置将电磁铜线圈与液体金属柔性线圈的相对位置加以固定，并通过连接柱将固定装置在柔性聚合物薄膜内的相对位置进行固定。

参见图3，固定装置3的内部是球形机器人的控制系统部分。控制系统包括单片机，所述单片机连接有信号传输模块7、线圈使能电路、磁场控制电路6、用于检测液态金属线圈形态变化的形态检测电路和电源模块。

根据通电导线在磁场中受力的原理，液态金属柔性线圈通电后在磁场中将受到吸引或排斥力。作用力大小与磁场强度和电流大小成正比，且作用力方向与磁场方向和电流方向有关。因此通过控制磁场的方向或电流的方向可以实现对作用力方向的控制。

所述单片机采用MSP430低功耗单片机，实现对32个外表面液态金属柔性线圈和电磁线圈的使能控制；形态检测电路则通过检测外表面液态金属柔性线圈的电阻变化用以判断每个模块的变形情况，并把检测结果反馈给单片机；信号传输模块采用蓝牙传输方式，一方面可以将单片机采集到的形态变化信息传送给外部PC端，另一方面可以接收PC端发送的变形命令，从外部控制球形机器人的变形。给球形机器人外表面的液态金属线圈供电并进行形态检测的柔性导线连接在每个液态金属柔性线圈的两端，并均匀分布在球形机器人的内部空间。柔性导线的另一端则进入电磁线圈的固定装置与核心的控制模块相连。

柔性聚合物薄膜2采用硅胶薄膜或聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度为1mm。

参考图4-1，液态金属柔性线圈4a封装在边长为40毫米的多边形模块4b中，其最大直径为40毫米，螺线圈围绕中心旋转10圈，导线宽度为1毫米，导线与导线之间的间距为1毫米。根据实际测量结果得到线圈的电阻为20欧姆左右。液态金属柔性线圈的电阻值随柔性薄膜的变形程度而发生改变，通过测量柔性线圈电阻值得大小就可以得到柔性薄膜变形程度的情况。

参考图4-2，外表面液态金属柔性线圈的制备方案：

本发明采用液态金属喷涂技术制备液态金属柔性线圈4a，该方法简单易行，且对PDMS薄膜的厚度没有严格的要求。首先，将PDMS与硅胶固化剂以10:1的质量比混合均匀，随后将混合液4d均匀涂抹在玻璃4c表面，置于75℃的加热箱中加热一小时；当PDMS凝固后将其取出，将塑料或金属掩膜板4e置于PDMS之上，随后使用液态金属喷枪4f将液态金属均匀喷涂在PDMS薄膜上；将掩膜板取下，使用酒精或氢氧化钠溶液将掩膜板外多余的液态金属微液滴清洗干净；将PDMS混合液4g均匀涂抹在喷涂液态金属的薄膜上，然后将其放置在75℃的加热箱中加热一小时，PDMS凝固后液态金属柔性线圈即封装完成。

参见图5，球形机器人三种变形模式的实现方案：

变形模式一：扩张。参考图5-1，柔性球形机器人的优点在于具有完全的柔性特征，因此在外加作用力的控制下可以实现体积的增大，并且球形机器人扩张程度的大小与所受的电磁排斥力和PDMS薄膜的弹性有关。本发明所述的球形机器人外表面使用的PDMS薄膜厚度仅为1毫米，因此具有较好的扩张能力，此外通过控制电磁线圈通电电流的大小可以对液态金属柔性线圈的变形程度进行控制。在扩张模式下，对球形机器人内部的电磁线圈同时施加相同大小的电流，则球形机器人外表面薄膜受到来自各个方向的电磁排斥力，球形机器人整体呈扩展状态。

变形模式二：收缩。参考图5-2，与变形模式一的控制方式相似，对球形机器人内部的电磁线圈同时施加相同大小的电流，则球形机器人外表面薄膜受到来自各个方向的电磁吸引力，球形机器人整体呈收缩状态。但是考虑到PDMS薄膜不易实现各个方向同时收缩，因此可以控制部分模块收缩来实现柔性机器人单一方向的缩小。单一方向的收缩方式可以使球形机器人通过比自身更窄的狭缝或者孔洞。图中标注序号1、2、3、4、5、6的模块施加相同大小的电流，在电磁吸引力作用下，这些模块向中心收缩从而使球形机器人在某个方向缩小。

变形模式三：行走。参考图5-3，球形机器人的运动模式可以采用滚动方式。具体实现方案如下：依次对图中标注序号1-10的模块施加相同大小方向相反的电流，各个模块在电磁排斥力和吸引力的作用下，依次向外突起或向里凹陷；每个模块在完成向外变形运动一段时间之后立即回缩，周而复始，球形机器人可实现单一方向的滚动。依照上述模块的变形模式，对与上述模块垂直方向的模块施加电流，则可以实现球形机器人的行走转向。

最后所应说明的是，以上基于液态金属电磁致动柔性变形机器人的实现方案仅提供了一种各个模块采用的技术参数和设计思路。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 (10)

1.一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，包括：呈球型的柔性聚合物薄膜(2)、柔性聚合物薄膜(2)内的带有内腔的固定装置(3)和控制系统；所述柔性聚合物薄膜(2)由若干个内部封装有液态金属线圈多边形薄膜单元拼接而成；所述固定装置(3)表面固定有与液态金属线圈一一对应的电磁线圈，所述固定装置(3)表面还设置有用于支撑柔性聚合物薄膜(2)的支撑结构；所述控制系统设置在固定装置(3)内腔中，用于检测和控制各多边形薄膜单元的变形形态；所述液态金属线圈通过液态金属柔性导线(5)与控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述控制系统包括单片机，所述单片机连接有信号传输模块(7)、线圈使能电路、磁场控制电路(6)、用于检测液态金属线圈形态变化的形态检测电路和电源模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述单片机采用MSP430低功耗单片机。

4.根据权利要求2所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述信号传输模块(7)采用蓝牙传输，并与PC端进行数据通信。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述支撑结构包括4个对称设置的连接柱(4)，所述连接柱(4)的一端连接在固定装置(3)一侧的圆弧面内，另一端与柔性聚合物薄膜(2)相连接；所述固定装置(3)通过4个连接柱(4)固定在柔性聚合物薄膜(2)内中心处。

6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述多边形薄膜单元包括边长相等的20块六边形和12块五边形薄膜单元。

7.根据权利要求1所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述柔性聚合物薄膜(2)厚度为1mm。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述柔性聚合物薄膜(2)采用硅胶薄膜或聚二甲基硅氧烷薄膜。

9.根据权利要求1所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述液态金属线圈采用在室温条件下具有流动性的液态金属或合金。

10.根据权利要求9所述的一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，其特征在于，所述液态金属合金采用镓铟合金，包括75.5％的镓和24.5％的铟。