CN108189077A - 液态金属驱动的自驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属驱动的自驱动装置，包括电极组、液态金属液滴组及控制电极组中各个电极电压的运动控制模块，电极组安装在电极安装板上，液态金属液滴组包括多个液态金属液滴，液态金属液滴均位于金属容纳件内，液态金属液滴位于电解液中，电极的底端位于电解液中。在本申请提供的自驱动装置中，根据实际物体驱动和承载需要，通过运动控制模块控制电极组中各个电极的电路，进而实现自驱动装置运动，进而实现物体驱动和承载。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人操控技术领域，特别涉及一种液态金属驱动的自驱动装置。
背景技术
液态金属是指熔点位于室温范围内的金属，其中镓基液态金属作为一种熔点低于室温的新型热门材料，具有很多优良特性，具体的，具有良好的导电、导热性、较大的表面张力、良好的柔性，并且在正常状态下基本无毒，因此广泛使用。
当具有镓基的液态金属浸在溶液中，在电场的作用下，液态金属液滴表面不同位置张力不同，进而液滴会产生运动，方向朝着正极，且最大速度会随着电场强度的增加而增大。目前液态金属驱动主要用于MEMS、微流体及3D打印机等方面，但是没有在机器人，尤其是柔性机器人实现物体驱动和承载，导致液态金属驱动的自驱动装置的应用范围较窄。
因此，如何实现自驱动装置的物体驱动和承载，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种液态金属驱动的自驱动装置，以实现自驱动装置的物体驱动和承载。
为实现上述目的，本发明提供一种液态金属驱动的自驱动装置，包括：
电极组，所述电极组安装在电极安装板上；
液态金属液滴组，所述液态金属液滴组包括多个液态金属液滴，所述液态金属液滴均位于金属容纳件内，所述液态金属液滴位于电解液中；
及控制所述电极组中各个电极电压的运动控制模块，所述电极的底端位于所述电解液中。
优选地，所述金属容纳件上设有多个用于容纳所述液态金属液滴的液滴容纳腔，所述液态金属液滴与所述液滴容纳腔一对一对应。
优选地，还包括覆盖在所述液态金属液滴上方的液滴盖板，所述液滴盖板与所述金属容纳件固定连接，所述液滴盖板上设有与所述液滴容纳腔连通的滴液孔。
优选地，还包括顶部盖板，所述运动控制模块安装在所述顶部盖板上，所述顶部盖板下方设有用于容纳所述运动控制模块的模块安装槽，所述电极位于所述运动控制模块下方，且与所述运动控制模块固定连接。
优选地，还包括电极支撑柱，所述电极支撑柱的上下两端分别与所述电极安装板和所述金属容纳件连接，所述电极的底端与用于容纳所述电解液的电解液池的底部间隔。
优选地，所述电极为八个，八个所述电极两个为一个电极单元，四个所述电极单元呈十字形布置在所述金属容纳件侧壁。
优选地，多个所述液态金属液滴呈阵列布置，所述电极分布在呈阵列布置的所述液态金属液滴组对称轴相对两侧。
优选地，还包括设置在所述顶部盖板上表面的显示灯。
优选地，所述运动控制模块包括电路、传感器及控制电压的控制器，所述控制器与所述传感器通过电路连接。
优选地，所述液态金属液滴为常温下呈液态的镓基合金。
在上述技术方案中，本发明提供的液态金属驱动的自驱动装置包括电极组、液态金属液滴组及控制电极组中各个电极电压的运动控制模块，电极组安装在电极安装板上，液态金属液滴组包括多个液态金属液滴，液态金属液滴均位于金属容纳件内，液态金属液滴位于电解液中，电极的底端位于电解液中。自驱动装置工作时，液态金属液滴形成自驱动装置的“车轮”，通过运动控制模块控制电极组中各个电极产生不同的力，根据需要实现不同的工作方式，最终实现物体驱动和承载。
通过上述描述可知，在本申请提供的自驱动装置中，根据实际物体驱动和承载需要，通过运动控制模块控制电极组中各个电极的电路，进而实现自驱动装置运动，进而实现物体驱动和承载。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的自驱动装置的结构示意图；
图2为图1所示自驱动装置的分解图；
图3为本发明实施例所提供的自驱动装置进行直线运动时电极电电压分布图；
图4为本发明实施例所提供的自驱动装置进行旋转运动时电极电压分布图。
其中图1-4中：1-显示灯、2-顶部盖板、3-电路、4-传感器、5-控制器、6-第一电极、7-第二电极、8-第三电极、9-第四电极、10-第五电极、11-第六电极、12-第七电极、13-第八电极、14-固定环、15-电极安装板、16-电池、17-电极支撑柱、18-液滴盖板、19-金属容纳件、20-液态金属液滴、21-电解液、22-电解液池。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种液态金属驱动的自驱动装置，以实现自驱动装置的物体驱动和承载。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的液态金属驱动的自驱动装置包括电极组、液态金属液滴组及控制电极组中各个电极电压的运动控制模块，电极组安装在电极安装板15上，为了提高连接强度，优选，电极通过固定环14固定在电极安装板15上，具体的，固定环14与电极一对一对应。液态金属液滴组包括多个液态金属液滴20，液态金属液滴20均位于金属容纳件19内，液态金属液滴位于电解液21中，电极的底端位于电解液21中。为了减少摩擦，提高工作效率，优选，液态金属液滴20的低端凸出于金属容纳件19的低端。
电解液21是碱性电解液、中性电解液或酸性电解液，能够在接入电源之后形成电场以及相应电流。液态金属液滴20是利用液态金属定量注射形成的球状液态金属液滴20，液态金属为熔点在室温范围内的镓金属或镓基合金。运动控制模块可以在运载结构之外或者集成在运载结构上，通过有线或遥控的方式调节加载在液态金属液滴20上的电压值，从而调节自驱动装置的运动方向以及速度。
具体的，电极组中的电极可以呈十字形、方形等形状排布。
自驱动装置工作时，根据实际运动需要通过控制模块设定运动参数，自驱动装置加电运动时，液态金属液滴20形成自驱动装置的“车轮”，根据设定值给初始电压启动自驱动装置使其运动，此时控制模块的传感器4会几乎实时获得自驱动装置的运动参数，然后经过控制算法比较设定值和实际值并输出所需的的电压，来调整运动参数，使实际值能够快速接近设定值。其中，设定值可以不为一个定值，而是在随时间变化，那么自驱动装置也可以在控制下改变自己的运动状态，控制算法保证装置按照设定来运动。在运动过程中，通过金属容纳件19包裹覆盖液态金属液滴20提供支撑给自驱动装置；在电极组和电源的作用下，液态金属液滴20产生推进力或者旋转力矩，实现装置的自驱动；在控制模块的作用下下，控制装置的运动状态，使得自驱动装置可控，其中控制算法为常规液态金属运动的控制算法，本申请不在详细叙述。
通过上述描述可知，在本申请具体实施例所提供的自驱动装置中，根据实际物体驱动和承载需要，通过运动控制模块控制电极组中各个电极的电路3，使得自驱动装置在电解液21中能够被控制做出平移、旋转等运动，通过程序控制，可以将各种运动组合，做出复杂的运动。自驱动装置可以程序控制加载在电极上的电压的通断和占空比，即可改变电极上的等效电压的大小。对应地，液态金属液滴20产生不同大小和方向的力，进而改变整个自驱动装置受到的推动力的大小和方向，自驱动装置可在控制下做出对应的运动，进而实现物体驱动和承载。
另一方面，该自驱动装置设计结构紧凑，工作无噪音，无机械磨损，功耗低，既可以做到微型体积和微小重量，也可以做成具有大推进力和大承载的大型装置。
优选的，金属容纳件19上设有多个用于容纳液态金属液滴20的液滴容纳腔，液态金属液滴20与液滴容纳腔一对一对应，具体的，液滴容纳腔为底端开口的腔体，更为优选的，液态金属液滴20为圆柱体结构，液态金属液滴20的轴线垂直于水平面。由于每个液态金属液滴20独立设置，避免工作过程中相互干扰，提高了自驱动装置运动的精确性。
进一步，该自驱动装置还包括覆盖在液态金属液滴20上方的液滴盖板18，液滴盖板18与金属容纳件19固定连接，液滴盖板18上设有与液滴容纳腔连通的滴液孔。当液滴容纳腔内需要注入液态金属时，通过滴液孔注射，滴液孔位置相对于液滴容纳腔在液滴容纳腔边缘设置，优选，滴液孔沿液滴容纳腔边缘均匀分布，使得液态金属液滴20不易从滴液孔漏出。
更进一步，该自驱动装置还包括顶部盖板2，运动控制模块安装在顶部盖板2上，顶部盖板2下方设有用于容纳运动控制模块的模块安装槽，电极位于运动控制模块下方，且与运动控制模块固定连接。通过设置顶部盖板2，便于安装运动控制模块，避免外界物质损伤运动控制模块，有效地延长了自驱动装置的使用寿命。
为了提高工作效率，延长自驱动装置的使用寿命，优选，该自驱动装置还包括电极支撑柱17，电极支撑柱17的上下两端分别与电极安装板15和金属容纳件19连接，具体的，电机安装板15底面与电极支撑柱17的顶面抵接，电极的底端与用于容纳电解液21的电解液池22的底部间隔。通过电极支撑柱17撑起电极组使得电极高于液态金属液滴20的底面，防止电极接触地面阻碍运动，也使其余电路3脱离溶液，防止造成损坏。
优选的，电极为八个，八个电极两个为一个电极单元，四个电极单元呈十字形布置在金属容纳件19侧壁。为了降低总体重量，节省材料，优选，电极安装板15为十字形平板。如图3和图4所示，八个电极依次为第一电极6、第二电极7、第三电极8、第四电极9、第五电极10、第六电极11、第七电极12和第八电极13。
进一步，多个液态金属液滴20呈阵列布置，优选为N*N矩阵分布，电极分布在呈阵列布置的液态金属液滴组对称轴相对两侧，即电极组中的电极位置相偏置于液态金属液滴组对称轴线两侧。当电压加载于同向的多对电极时，产生推进力，而且相对于加载在单对电极上提供的场强更大，即能提供更大的推进力。当同向的电极对上加载反向的电压，则液态金属液滴20会产生旋转力矩，使得装置旋转。电池16、控制芯片和传感器4固定在装置上，使得能够自驱动，并且形成控制反馈。控制不同方向、大小的推进力和旋转力矩的组合使装置产生不同的运动，最终实现对装置运动的控制。
如图3所示，其中第一电极6、第二电极7、第三电极8、第四电极9、第五电极10、第六电极11、第七电极12和第八电极13偏置分布于液态金属液滴20阵列的对称轴两侧，当第五电极10和第六电极11同时通电源正极，第三电极8和第四电极9同时通电源负极，而第一电极6、第二电极7、第七电极12和第八电极13与电源断开，则会使液滴产生的合力方向沿着Y轴正向。类似地，我们可以改变各电极上电压加载的方式，使液态金属液滴20产生的合力方向沿着Y轴负向、X轴正向或X轴负向。而我们又可以对着四种合力方向进行矢量组合，即可实现液态金属液滴20的合力方向沿着二维平面内的任意一个方向。
如图4所示，当第二电极7和第七电极12同时通电源正极，第一电极6和第八电极13同时通电源负极，第三电极8、第四电极9、第五电极10和第六电极11均与电源断开，则液态金属液滴20阵列产生的合力为绕液滴阵列中心轴的转矩，方向为顺时针。类似地，可以改变电极上电压加载的方式，使得液滴产生逆时针方向的转矩。
为了方便观察自驱动装置的运动状态，该自驱动装置还包括设置在顶部盖板2上表面的显示灯1，其中显示灯1的个数及具体位置根据实际需要而定，本申请不做具体限定，通过设置显示灯1能够清晰地指示出自驱动装置的方向和移动方向。为了减少能源浪费，延长显示灯1的使用寿命，优选，该显示灯1为LED贴片。
在上述各方案的基础上，优选，运动控制模块包括电路3、传感器4及控制电压的控制器5，控制器5与传感器4通过电路3连接。具体的，显示灯1与电路3电连接。传感器4能够获得自驱动装置的运动状态和装置的姿态，控制各个电极上加载的电压占空比，即控制各个电极上的有效电压，进而控制液态金属液滴20的推进力合力的大小和方向，即自驱动装置推进力的大小和方向。
进一步，运动控制模块还包括用于向运动控制模块提供电量的电池16，具体的，通过设置电池16，避免外接电源的情况，使得自驱动装置使用更加方便。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种液态金属驱动的自驱动装置，其特征在于，包括：
电极组，所述电极组安装在电极安装板(15)上；
液态金属液滴组，所述液态金属液滴组包括多个液态金属液滴(20)，所述液态金属液滴(20)均位于金属容纳件(19)内，所述液态金属液滴(20)位于电解液(21)中；
及控制所述电极组中各个电极电压的运动控制模块，所述电极的底端位于所述电解液(21)中。
2.根据权利要求1所述的自驱动装置，其特征在于，所述金属容纳件(19)上设有多个用于容纳所述液态金属液滴(20)的液滴容纳腔，所述液态金属液滴(20)与所述液滴容纳腔一对一对应。
3.根据权利要求1所述的自驱动装置，其特征在于，还包括覆盖在所述液态金属液滴(20)上方的液滴盖板(18)，所述液滴盖板(18)与所述金属容纳件(19)固定连接，所述液滴盖板(18)上设有与所述液滴容纳腔连通的滴液孔。
4.根据权利要求1所述的自驱动装置，其特征在于，还包括顶部盖板(2)，所述运动控制模块安装在所述顶部盖板(2)上，所述顶部盖板(2)下方设有用于容纳所述运动控制模块的模块安装槽，所述电极位于所述运动控制模块下方，且与所述运动控制模块固定连接。
5.根据权利要求4所述的自驱动装置，其特征在于，还包括电极支撑柱(17)，所述电极支撑柱(17)的上下两端分别与所述电极安装板(15)和所述金属容纳件(19)连接，所述电极的底端与用于容纳所述电解液(21)的电解液池(22)的底部间隔。
6.根据权利要求4所述的自驱动装置，其特征在于，所述电极为八个，八个所述电极两个为一个电极单元，四个所述电极单元呈十字形布置在所述金属容纳件(19)侧壁。
7.根据权利要求8所述的自驱动装置，其特征在于，多个所述液态金属液滴(20)呈阵列布置，所述电极分布在呈阵列布置的所述液态金属液滴组对称轴相对两侧。
8.根据权利要求4所述的自驱动装置，其特征在于，还包括设置在所述顶部盖板(2)上表面的显示灯(1)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的自驱动装置，其特征在于，所述运动控制模块包括电路(3)、传感器(4)及控制电压的控制器(5)，所述控制器(5)与所述传感器(4)通过电路(3)连接。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的自驱动装置，其特征在于，所述液态金属液滴(20)为常温下呈液态的镓基合金。
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| CN109048870A (zh) * | 2018-10-12 | 2018-12-21 | 中国科学技术大学 | 一种基于液态金属驱动的轮式机器人 |
| CN111628625A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-04 | 中国科学技术大学 | 一种光控制的电场驱动液态金属液滴的装置 |
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