CN108527439A - 一种液态金属连续体机械臂结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液态金属机械结构制造技术领域，公开了一种液态金属连续体机械臂结构，包括：热管；外管，所述外管套设在所述热管的外围，在所述热管和所述外管之间构造有环形空间；密封端板，所述密封端板分别设置在所述环形空间的两端，从而构造出能够容纳液态金属的环形腔室，其中，所述热管的第一端伸出位于其相应侧的密封端板之外；以及热交换结构，所述热交换结构设置在所述热管的第一端的外围，并能够给所述热管进行加热和降温。该液态金属连续体机械臂结构具有控制简单、受热均匀以及冷却时间短的优点。
Description
技术领域
本发明涉及液态金属机械结构制造技术领域，特别是涉及一种液态金属连续体机械臂结构。
背景技术
连续体机器人的研究刚刚起步，其中，部分连续体机器人依靠材料本身的弹性发生形变，但这种依靠材料本身发生形变的形变范围比较有限，有的结构还会使其强度受损严重。此外，依靠多关节结构、电压以及空气压缩等方式控制的连续体机器人，结构和控制手段都比较复杂，经济性不佳。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种液态金属连续体机械臂结构，以解决现有技术中的连续体机器人在室温下不能很好地实现形状变化以及不能满足强度需求的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种液态金属连续体机械臂结构，包括：热管；外管，所述外管套设在所述热管的外围，在所述热管和所述外管之间构造有环形空间；密封端板，所述密封端板分别设置在所述环形空间的两端，从而构造出能够容纳液态金属的环形腔室，其中，所述热管的第一端伸出位于其相应侧的密封端板之外；以及热交换结构，所述热交换结构设置在所述热管的第一端的外围，并能够给所述热管进行加热和降温。
其中，所述热交换结构构造为换热盘管，所述换热盘管套设在所述热管的第一端的外围，所述换热盘管构造有进口和出口，在所述换热盘管的内部装有流动的热交换工质。
其中，所述热交换结构构造为包裹在所述热管的第一端的外围的半导体制冷片。
其中，在所述热管的外围套设有能够给所述热管进行辅助加热的多圈弹簧电阻丝。
其中，在所述热管的外围从上至下呈间隔式套设有多个换热翅片，其中，相邻的两圈所述弹簧电阻丝之间设有一个所述换热翅片。
其中，所述热管构造为铜管。
其中，所述外管构造为硅胶管、热塑性橡胶管或软质聚氯乙烯管。
其中，在所述进口和所述出口位置分别安装有能够监测热交换工质的温度的第一传感器。
其中，在所述热管的顶端安装有能够监测液态金属的温度的第二传感器。
其中，在所述进口和所述出口位置均设有能够控制所述热交换工质的流量的调节阀。
(三)有益效果
本发明提供的液态金属连续体机械臂结构，与现有技术相比，具有如下优点：
该热管是一种传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体(热交换工质)的热量迅速地传递给液态金属，热管的导热能力超过任何已知金属的导热能力。同时，还能保证热管的每一处区域的温度的均匀性，不会出现部分区域温度高或温度低的情形。热管是一种良好的均温和导热结构，因其内部发生相态变化，其导热能力是金属导热的数倍以上，该热管一方面作为本发明的温度控制系统，另一方面，在液态金属处于流体状态时，还具有一定的支撑能力，即，能够起到一定的结构支撑作用，维持液态金属臂在可控制的形状变化范围内。液态金属是一种兼具金属特性又能具备流体可变特性的金属材料。液态金属在固定状态下具备金属的特性，极轻却又极强、极硬，是超越铝、镁以及钛等传统轻合金的颠覆性材料。在一定温度下可成液态，从而具备流体的可变性能，是一种不定型、可流动的液态金属。液态金属具有良好的生物兼容性，镓合金不容易与体液以及周围器官组织发生反应，可以用它连接并修复受损的神经。还可用于手术刀、人造骨、电磁刺激体内生物传感材料以及人造牙齿等。液态金属材料在本发明中用作连续体机器人的机械臂材料，通过变温系统实现形状变化。由此可见，本申请通过利用热管来对液态金属的温度进行控制，使得位于环形腔室内的液态金属的温度均衡一致，并能很快的对液态金属进行降温，实现方便操作以及在室温下就能满足软体机械臂结构的刚度需求。
附图说明
图1为本申请的实施例的液态金属连续体机械臂结构的整体结构实施例一的示意图；
图2为本申请的实施例的液态金属连续体机械臂结构的整体结构实施例二的示意图。
图中，1：热管；11：第一端；2：外管；3：环形空间；4：密封端板；5：环形腔室；6：热交换结构；61：换热盘管；611：进口；612：出口；62：半导体制冷片；7：弹簧电阻丝；8：换热翅片；9：第一传感器；10：第二传感器；20：调节阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1和图2所示，图中示意性地显示了该液态金属连续体机械臂结构包括热管1、外管2、环形空间3、密封端板4、环形腔室5以及热交换结构6。
在本申请的实施例中，该外管2套设在该热管1的外围，在该热管1和该外管2之间构造有环形空间3。需要说明的是，该热管1相当于能够起到传热和降温作用的热交换部件。
该密封端板4分别设置在该环形空间3的两端，从而构造出能够容纳液态金属的环形腔室5，其中，该热管1的第一端伸出位于其相应侧的密封端板4之外。需要说明的是，该密封端板4的设置，能够使得该环形空间3形成环形腔室5，为确保该环形腔室5不会发生泄露的情况，可在该密封端板4分别与热管1的上端口以及外管2的上端口之间增设密封部件，例如为密封圈或密封条等。
该热交换结构6设置在该热管1的第一端11(图1所示的下端)的外围，并能够给该热管1进行加热和降温。具体地，该热管1是一种传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管1将发热物体(热交换工质)的热量迅速地传递给液态金属，热管1的导热能力超过任何已知金属的导热能力。同时，还能保证热管1的每一处区域的温度的均匀性，不会出现部分区域温度高或温度低的情形。热管1是一种良好的均温和导热结构，因其内部发生相态变化，其导热能力是金属导热的数倍以上，该热管1一方面作为本发明的温度控制系统，另一方面，在液态金属处于流体状态时，还具有一定的支撑能力，即，能够起到一定的结构支撑作用，维持液态金属臂在可控制的形状变化范围内。液态金属是一种兼具金属特性又能具备流体可变特性的金属材料。液态金属在固定状态下具备金属的特性，极轻却又极强、极硬，是超越铝、镁以及钛等传统轻合金的颠覆性材料。在一定温度下可成液态，从而具备流体的可变性能，是一种不定型、可流动的液态金属。液态金属具有良好的生物兼容性，镓合金不容易与体液以及周围器官组织发生反应，可以用它连接并修复受损的神经。还可用于手术刀、人造骨、电磁刺激体内生物传感材料以及人造牙齿等。液态金属材料在本发明中用作连续体机器人的机械臂材料，通过变温系统实现形状变化。由此可见，本申请通过利用热管1来对液态金属的温度进行控制，使得位于环形腔室5内的液态金属的温度均衡一致，并能很快的对液态金属进行降温，实现方便操作以及在室温下就能满足软体机械臂结构的刚度需求。
在一个实施例中，该热交换工质可为水、医用酒精、生理盐水或手术允许使用的冷却液。
如图1所示，为进一步优化上述技术方案中的热交换结构6，在上述技术方案的基础上，该热交换结构6构造为换热盘管61，该换热盘管61套设在该热管1的第一端11的外围，该换热盘管61构造有进口611和出口612，在该换热盘管61的内部装有流动的热交换工质。具体地，当需要对液态金属进行加热时，则只需向该换热盘管61中通入具有适合温度的热交换工质(加热)，透过热管1会将热交换工质的热量迅速地传递给液态金属，从而达到给液态金属进行加热的目的，使得液态金属能够在热管1的支撑和加热作用下，维持在可控的形状范围内进行变化。
同理，若液态金属达到了指定的形状后，则只需向该换热盘管61中通入具有适合温度的热交换工质(降温)，透过热管1会将热交换工质的热量迅速地传递给液态金属，从而达到给液态金属进行降温的目的，当液态金属的温度降低至凝固温度以下时，机械臂变硬，恢复金属刚度。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：
如图2所示，在本申请的另一个优选的实施例中，该热交换结构6构造为包裹在该热管1的第一端11(图1所示的下端)的外围的半导体制冷片62。具体地，该半导体制冷片62的数量可为多个，多个该半导体制冷片62依次连接形成类似环状结构并套设在该热管1的第一端11的外围。其中，利用半导体材料的Peltier效应(珀耳帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象)，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。
如图1和图2所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该热管1的外围套设有能够给该热管1进行辅助加热的多圈弹簧电阻丝7。具体地，该弹簧电阻丝7的设置，能够实现对液态金属的辅助快速加热，使其能够快速融化，同时，在融化的过程中，该弹簧电阻丝7还可以起到一定的支撑作用。
如图1和图2所示，图中还示意性地显示了在该热管1的外围从上至下呈间隔式套设有多个换热翅片8，其中，相邻的两圈该弹簧电阻丝7之间设有一个该换热翅片8。具体地，上述换热翅片8的设置，也能够在上述弹簧电阻丝7的辅助加热作用下，通过热管1对液态金属做进一步地辅助加热，从而大大地缩短了对液态金属的加热时间，提高了加热效率。
在一个具体的实施例中，该热管1构造为铜管。具体地，热管1是一种良好的均温和导热结构，因其内部发生相态变化，其导热能力是金属导热的数倍以上，同时，对于液化的液态金属，通过将热管1构造为铜管，铜管对液态金属具有一定的支撑能力，其能够使得液态金属臂维持在可控制的形状范围内进行变化。
需要说明的是，热管1可由铜管等常见热管材料制成，通过在热管1的外围缠绕一层上述所述的弹簧电阻丝7，以用于增强换热和加快热管1弯曲后的形状恢复，热管1占外管2的最中间部位。热管1的长度比外管2的长度突出一截。需要说明的是，该热管1超出外管2(机械臂臂身)底端的长度由综合臂身长度和热管1的换热量来考虑。
在一个优选的实施例中，该外管2构造为硅胶管、热塑性橡胶管或软质聚氯乙烯管。具体地，外管2可选择由保温性能好的材质(硅胶、热塑性橡胶以及聚氯乙烯)制造而成，避免液态金属因与外界发生热交换，致使发生影响液态金属的形变范围的情况。外管2的壁厚和管直径可根据最优壁厚计算公式得出壁厚和直径比例，液态金属充注量可根据内部热管1的尺寸和管直径尺寸以及机械臂承载负荷决定，根据体积公式预留一定的充注空间，用于适应液态金属固体和液体变化导致的体积差。热管1的直径可根据液态金属换热量、机械臂承载负荷和外管2的直径等因素进行确定。
需要说明的是，“最优壁厚计算公式”为本领域技术人员公知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。
如图1所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该进口61和该出口62位置分别安装有能够监测热交换工质的温度的第一传感器9。具体地，该第一传感器9的设置，能够对热交换工质的温度进行灵活的控制，从而能够在短时间内实现对热管1的加热和降温。
如图1所示，在本申请的另一个优选的技术方案中，在该热管1的顶端安装有能够监测液态金属的温度的第二传感器10。
在一个实施例中，在该进口61和该出口62的位置均设有能够控制该热交换工质的流量的调节阀20。具体地，该调节阀20的设置，用于控制热交换工质的流量，进一步地，起到控制液态金属的融化和冷却时间的作用。
需要说明的是，单个液态金属连续体机械臂结构可以进行叠加，从而构造出一个新的机器人结构，各部分的刚度还可以进行灵活地调整。
综上所述，该热管1是一种传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管1将发热物体(热交换工质)的热量迅速地传递给液态金属，热管1的导热能力超过任何已知金属的导热能力。同时，还能保证热管1的每一处区域的温度的均匀性，不会出现部分区域温度高或温度低的情形。热管1是一种良好的均温和导热结构，因其内部发生相态变化，其导热能力是金属导热的数倍以上，该热管1一方面作为本发明的温度控制系统，另一方面，在液态金属处于流体状态时，还具有一定的支撑能力，即，能够起到一定的结构支撑作用，维持液态金属臂在可控制的形状变化范围内。液态金属是一种兼具金属特性又能具备流体可变特性的金属材料。液态金属在固定状态下具备金属的特性，极轻却又极强、极硬，是超越铝、镁以及钛等传统轻合金的颠覆性材料。在一定温度下可成液态，从而具备流体的可变性能，是一种不定型、可流动的液态金属。液态金属具有良好的生物兼容性，镓合金不容易与体液以及周围器官组织发生反应，可以用它连接并修复受损的神经。还可用于手术刀、人造骨、电磁刺激体内生物传感材料以及人造牙齿等。液态金属材料在本发明中用作连续体机器人的机械臂材料，通过变温系统实现形状变化。由此可见，本申请通过利用热管1来对液态金属的温度进行控制，使得位于环形腔室5内的液态金属的温度均衡一致，并能很快的对液态金属进行降温，实现方便操作以及在室温下就能满足软体机械臂结构的刚度需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
Claims (10)
1.一种液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，包括：
热管；
外管，所述外管套设在所述热管的外围，在所述热管和所述外管之间构造有环形空间；
密封端板，所述密封端板分别设置在所述环形空间的两端，从而构造出能够容纳液态金属的环形腔室，其中，所述热管的第一端伸出位于其相应侧的密封端板之外；以及
热交换结构，所述热交换结构设置在所述热管的第一端的外围，并能够给所述热管进行加热和降温。
2.根据权利要求1所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，所述热交换结构构造为换热盘管，所述换热盘管套设在所述热管的第一端的外围，所述换热盘管构造有进口和出口，在所述换热盘管的内部装有流动的热交换工质。
3.根据权利要求1所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，所述热交换结构构造为包裹在所述热管的第一端的外围的半导体制冷片。
4.根据权利要求1所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，在所述热管的外围套设有能够给所述热管进行辅助加热的多圈弹簧电阻丝。
5.根据权利要求4所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，在所述热管的外围从上至下呈间隔式套设有多个换热翅片，其中，相邻的两圈所述弹簧电阻丝之间设有一个所述换热翅片。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，所述热管构造为铜管。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，所述外管构造为硅胶管、热塑性橡胶管或软质聚氯乙烯管。
8.根据权利要求2所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，在所述进口和所述出口位置分别安装有能够监测热交换工质的温度的第一传感器。
9.根据权利要求1所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，在所述热管的顶端安装有能够监测液态金属的温度的第二传感器。
10.根据权利要求2所述的液态金属连续体机械臂结构，其特征在于，在所述进口和所述出口位置均设有能够控制所述热交换工质的流量的调节阀。
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