CN106826879B - 一种刚性柔性可切换的机械手 - Google Patents

Abstract

一种刚性柔性可切换的机械手，包括弹性高分子机械手，液态金属填充材料，控温流体，流体管道，制冷模块，加热模块、控制模块、流体泵、传感模块以及数据处理模块。其中流体管道位于弹性高分子机械手内部，液态金属材料以及控温流体可以通过流体管道进入弹性高分子机械手内部，温度控制模块能够降低或升高液态金属填充材料的温度，使得液态金属填充材料能够在固态与液态之间进行相变的切换，从而让机械手能够改变自身的刚性。本发明拓展了机械手的应用领域，既可以抓取软体材料，也可以抓取刚性物体。

Description

一种刚性柔性可切换的机械手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种刚性柔性可切换的机械手。

背景技术

液态金属是一种熔点在300℃以下的金属材料，在低温下呈现固体金属性状而在常温或高温下呈现液体形态。液态金属通常以镓金属及其合金为主，包括镓铟合金以及镓铟锡合金等。其具有良好的导电性能以及导热性能，同时具有金属光泽，在液体状态下具有良好的流动性能以及表面张力等特性。液态金属具有一定的浸润性，利用液态金属墨水，可以制成柔性力学传感器，也可以结合其导电性能以及流动性能制成可直接使用电力驱动的电磁泵。

机械手在机器人领域是一种重要的执行器，能够实现对物体的抓握，搬运或其他操作。传统机械手多为刚性零部件通过活动关节连接，自由度数有限且整体结构刚度较高，在操作一些易损坏的物体如生物样本材料，软体材料等，往往不能施加合适的力度，因而适用范围有限。

在传统机械手的基础上，柔性机器人以及柔性机械手的概念应运而生。柔性机械手以柔性材料如硅胶、橡胶等制成，能够在受到外力作用时产生一定的形变，从而避免了对被抓取物体的伤害。从驱动方式上，柔性机械手也与传统机械手的电机不同，主要的驱动方式有气动、液动或线驱动三种。气动或液动驱动中，在柔性机械手的内部有经过设计及排列的中空腔室，当内部填充压力后，腔室发生膨胀，相互挤压导致机械手产生弯曲，从而形成开合动作。

但现有柔性机械手也有其弊端，因为整体结构由柔性材料构成，所以在抓取一些较重的物体时，机械手形变过大，会导致抓取失败，物体脱落。传统机械手和柔性机械手各有优劣与适用范围，但目前还没有能够将二者的优点进行结合的机械手。

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刚性柔性可切换的机械手，结合柔性机械手和液态金属材料的相变特性，在现有气动或液压驱动的柔性机械手的基础上，添加了液态金属相变材料，配合加热模块或制冷模块，在柔性结构的基础上，能够通过温度控制，改变机械手的刚性，使机械手可在柔性和刚性之间切换，从而能够实现兼顾抓取柔软易损坏的物体以及抓取较重的物体的需求；当处于柔性状态时，可以抓取生物样本等软体材料且不会对样本产生损伤；当处于刚性状态时，可以抓取较重或较硬的物体，不会产生过量形变从而导致抓取失败。本发明可以进一步扩展到柔性机械臂等结构上，从而拓展现有机械臂及机械手的适用领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种刚性柔性可切换的机械手，包括弹性高分子机械手，弹性高分子机械手内部设置有流体管道，控温流体通过流体管道进入弹性高分子机械手内部，液态金属材料通过另一流体管道进入弹性高分子机械手内部，或者，液态金属材料位于弹性高分子机械手内部的腔室内，通过制冷模块与加热模块降低或升高控温流体以及液态金属填充材料的温度，使液态金属填充材料在固态与液态之间进行相变切换，利用流体泵将液态金属填充材料以及控温流体泵送至弹性高分子机械手内部。

所述弹性高分子机械手所用材料为硅胶、橡胶、硅橡胶或其他弹性聚合物材料，具有多个手指状结构，在内部填充压力或外力作用下能够发生形变；内部有流体管道以及多个沿机械手臂长度方向排列的腔室。

所述液态金属填充材料随着温度在熔点附近的变化，能够在低温下变为固体，具有较高的满足机械手抓握要求的刚性及强度，同时在高温下变为液体，能够自由流动；液态金属填充材料包括熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金，金属成分是镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒等中的一种或多种，其形式是金属单质、合金或者金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体，密封在弹性高分子机械手内部，或者经流体管道利用流体泵进入或流出弹性高分子机械手内部。

所述控温流体为水、油或溶液等具有一定比热容的流体物质，通过流体泵的作用经流体管道进入弹性高分子机械手内部，通过热交换作用对液态金属填充材料进行加热或冷却。

所述流体管道，部分位于弹性高分子机械手的内部且连通了弹性高分子机械手内部的腔室，管道与流体泵相连，能够在流体泵的作用下，使得液态金属填充材料以及控温流体在管道内部流动，当液态金属进入弹性高分子机械手内部的腔室后，在压力作用下，腔室产生膨胀，进而使得弹性高分子机械手发生弯曲，从而形成抓握或松开的动作。

所述制冷模块在控制模块的作用下对控温流体以及液态金属填充材料进行降温，从而使得液态金属填充材料固化，制冷模块采用空调式压缩-汽化循环制冷，或采用半导体制冷片，或采用空气或水对流制冷；所述加热模块在控制模块的作用下对控温流体以及液态金属填充材料进行加热，从而使得液态金属填充材料由固态变为液态，加热模块采用空调式汽化-压缩循环制热，或采用半导体制热片，或采用电热丝通电后加热。

所述控制模块通过有线或无线的方式接收传感模块以及数据处理模块的信息，根据传感模块以及数据处理模块的反馈对制冷模块、加热模块以及流体泵进行调节，控制制冷模块、加热模块以及流体泵的动作，从而使得弹性高分子机械手形成抓握或松弛的动作。

所述传感模块感知弹性高分子机械手上的形变、温度或内部流体压力，并将所获得的数据通过有线或无线的方式发送至数据处理模块。

所述数据处理模块具有可视化界面，能够根据用户需要以有线或无线的方式发送指令至控制模块，从而改变弹性高分子机械手的开合以及刚性或柔性，同时还能够接受传感模块的信息，进而判断是否形成了对物体的抓握，从而调节握力或开合范围。

所述流体泵将控温流体或液态金属填充材料泵送至弹性高分子机械手内部，改变机械手内部的温度或使得机械手弯曲或舒展，其通过接收控制模块的指令，对流动速度进行调节。

与现有技术相比，本发明提出了一种利用液态金属相变填充材料，通过温度控制能够在刚性和柔性之间进行切换的机械手，既可以抓取生物样本等软体材料，也可以抓取较重或较硬的物体，拓展了机械手的适用范围及领域，为机器人在不同领域的应用进行了拓展与探索。

附图说明

图1是本发明柔性可变机械手松开状态下结构示意图，驱动材料为液态金属。

图2是本发明柔性可变机械手抓握状态下结构示意图，驱动材料为液态金属。

图3是本发明柔性可变机械手松开状态下结构示意图，利用气体驱动，液态金属在管道中循环。

图4是本发明柔性可变机械手抓握状态下结构示意图，利用气体驱动，液态金属在管道中循环。

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。

实施例1：

图1和图2为本发明提出的柔性可变机械手的示意图，驱动材料为液态金属，也是本发明的一个实施例。

图1为展开状态下的机械手界面图示意，本实施例中机械手有左右两指。弹性高分子机械手1，由硅胶材料制成。弹性高分子机械手1内部有液态金属填充材料2以及控温流体3，控温流体3和液态金属填充材料2在流体管道4中流动。具体到本实施例中，控温流体3通过流体管道4循环流动，而液态金属填充材料2通过流体管道4与外部液态金属储箱相连，可以在流体泵5的作用下进入弹性高分子机械手1内部的空腔中。本实施例中有三个流体泵5，分别负责驱动左侧、右侧机械手以及控温流体3的流动。加热模块6和制冷模块8在控制模块7的作用下对控温流体3的温度进行调节，控制模块7还可以对流体泵5进行控制。数据处理模块9有显示屏，可以通过无线通讯的方式控制机械手的开合。传感模块10贴附在弹性高分子机械手1的末端，可以测量抓握产生的压力以及机械手的温度，并通过无线的方式将数据传输至数据处理模块9。当需要抓握较重的物体时，首先加热模块6打开，制冷模块8关闭，流体泵5驱动控温流体3在流体管道4内循环，使得液态金属填充材料2处于较高温度从而保持液体状态。连接液态金属储箱的两个流体泵5开始工作，使得液态金属填充材料2进入弹性高分子机械手1内部的空腔中，使空腔膨胀从而产生定向弯曲，并抓到待操作物体，如图2所示。

弹性高分子机械手1处于抓握状态后(图2)，加热模块6关闭，制冷模块8打开，在流体泵5的作用下机械手及内部液态金属填充材料2被降温，从而由液态转变为固态，固定了机械手的形状且不易弯曲。此时即可提起较重的物体，完成整个操作过程。

实施例2：

如图3所示，弹性高分子机械手1的结构及各模块与实施例1相同，不同之处在于液态金属填充材料2在管道中循环运行。机械手通过流体泵5连接外部大气，通过将气体泵入机械手内部的空腔，使空腔膨胀从而实现机械手的抓握动作(如图4所示)。数据处理模块9通过有线的方式与控制模块7以及传感模块10相连。开始状态下加热模块6处于打开状态而制冷模块8为关闭状态，随着热量在液态金属填充材料2内部的传递，整个液态金属填充材料2为液态。此时流体泵5开始工作，将空气泵入弹性高分子机械手1内部的空腔中使之产生抓握动作，如图4所示，保持形状后制冷模块8打开而加热模块6关闭，热量被导出，液态金属填充材料2的温度降低，逐渐由液态变为固态，刚度提高，从而使得整个机械手的刚性也大幅提高，能够抓握一些较重的物体，完成操作过程。

最后所应说明的是，以上利用液态金属填充材料实现的刚性柔性可切换的机械手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。

Claims (9)

1.一种刚性柔性可切换的机械手，包括弹性高分子机械手，弹性高分子机械手内部设置有流体管道，控温流体通过流体管道进入弹性高分子机械手内部，液态金属材料通过另一流体管道进入弹性高分子机械手内部，或者，液态金属材料位于弹性高分子机械手内部的腔室内，通过制冷模块与加热模块降低或升高控温流体以及液态金属填充材料的温度，使液态金属填充材料在固态与液态之间进行相变切换，利用流体泵将液态金属填充材料以及控温流体泵送至弹性高分子机械手内部，其特征在于，所述流体泵将控温流体和液态金属填充材料泵送至弹性高分子机械手内部，改变机械手内部的温度从而使得机械手弯曲或舒展，其通过接收控制模块的指令，对流动速度进行调节。

2.根据权利要求1所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述弹性高分子机械手所用材料为硅胶、橡胶、硅橡胶或其他弹性聚合物材料，具有多个手指状结构，在内部填充压力或外力作用下能够发生形变；内部有流体管道以及多个沿机械手臂长度方向排列的腔室。

3.根据权利要求1所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述液态金属填充材料随着温度在熔点附近的变化，能够在低温下变为固体，具有满足机械手抓握要求的刚性及强度，同时在高温下变为液体，能够自由流动；液态金属填充材料包括熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金，金属成分是镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒中的一种或多种，其形式是金属单质、合金或者金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体，密封在弹性高分子机械手内部，或者经流体管道利用流体泵进入或流出弹性高分子机械手内部。

4.根据权利要求1所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述控温流体为具有一定比热容的流体物质，通过流体泵的作用经流体管道进入弹性高分子机械手内部，通过热交换作用对液态金属填充材料进行加热或冷却。

5.根据权利要求1所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述流体管道，位于弹性高分子机械手的内部且连通了弹性高分子机械手内部的腔室，管道与流体泵相连，在流体泵的作用下，使得液态金属填充材料以及控温流体在管道内部流动，当液态金属进入弹性高分子机械手内部的腔室后，在压力作用下，腔室产生膨胀，进而使得弹性高分子机械手发生弯曲，从而形成抓握或松开的动作。

6.根据权利要求1所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述制冷模块在控制模块的作用下对控温流体以及液态金属填充材料进行降温，从而使得液态金属填充材料固化，制冷模块采用空调式压缩-汽化循环制冷，或采用半导体制冷片，或采用空气或水对流制冷；所述加热模块在控制模块的作用下对控温流体以及液态金属填充材料进行加热，从而使得液态金属填充材料由固态变为液态，加热模块采用空调式汽化-压缩循环制热，或采用半导体制热片，或采用电热丝通电后加热。

7.根据权利要求6所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述控制模块通过有线或无线的方式接收传感模块以及数据处理模块的信息，根据传感模块以及数据处理模块的反馈对制冷模块、加热模块以及流体泵进行调节，控制制冷模块、加热模块以及流体泵的动作，从而使得弹性高分子机械手形成抓握或松弛的动作。

8.根据权利要求7所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述传感模块感知弹性高分子机械手上的形变、温度或内部流体压力，并将所获得的数据通过有线或无线的方式发送至数据处理模块。

9.根据权利要求7所述刚性柔性可切换的机械手，其特征在于，所述数据处理模块具有可视化界面，能够根据用户需要以有线或无线的方式发送指令至控制模块，从而改变弹性高分子机械手的开合以及刚性或柔性，同时还能够接受传感模块的信息，进而判断是否形成了对物体的抓握，从而调节握力或开合范围。