CN114505883A - 一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节及设计方法，属于机器人技术领域，包括：万向球、关节一、关节二、伸缩管套及镓铟合金，关节一与关节二的顶端中部均设有万向球，关节二置于关节一顶部的万向球上，伸缩管套套设于关节一顶部的万向球的周侧并与关节一、关节二密封粘接，镓铟合金灌注于伸缩管套与万向球之间。本发明采用镓铟合金并利用其低熔点的特性，在常温环境下为锁止状态，通过电极加热实现对蛇形机器人关节的解锁，结构简单，操作方便，并且本发明仅通过三根拉索贯穿所有关节，并根据需要只解锁某一关节便可以精确控制该关节的姿态，节省了拉索材料，降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节及设计方法。
背景技术
近年来，随着自动化、材料、计算机等学科的飞速发展与融合，各类实用型机器人也不断涌现。刚性与柔性机器人在各个领域被不断应用，并能解决许多人工难以解决的实际问题。为了满足一些狭小或空间复杂的环境的操作，蛇形机器人被提出并设计。蛇形机器人的优势在于能够进入小而不规则的空间，比如倒塌建筑形成的废墟。现有蛇形机器人的控制又分为电机式、轮式、拉索式等方式。本发明主要针对拉索式机器人的设计。
传统拉索式蛇形机器人对每个活动关节独立拉索控制，一旦关节变多，则需要大量拉索牵引。然而也可以通过部分关节的锁定，实现少量拉索来控制一组关节的姿态。普遍应用的锁定方式有电磁控制、抱死控制等，然而这些方式设计占用空间较大，且控制复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节及设计方法，引入液态金属辅助锁定，利用其低熔点的特性，在熔点下凝固实现对关节的锁定，解决了现有技术中锁定装置占用空间较大，且控制复杂的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，包括：万向球、关节一、关节二、伸缩管套及镓铟合金，所述关节一与关节二的顶端中部均设有万向球，所述关节二置于所述关节一顶部的万向球上，所述伸缩管套套设于所述关节一顶部的万向球的周侧并与关节一、关节二密封粘接，所述镓铟合金灌注于所述伸缩管套与所述万向球之间。
优选的，所述关节一、关节二与其各自的万向球均为一体结构，所述关节一、关节二的下端中部均设有与所述万向球形状适配的弧形凹槽。
优选的，所述关节一和关节二为圆柱状，所述关节一和关节二靠近圆周处均分布有三个通孔，所述关节一和关节二间对应的通孔贯穿有拉索。
优选的，所述关节一埋设有电极并伸入所述镓铟合金中。
优选的，多个埋设有电极的关节一通过所述伸缩管套及镓铟合金叠加于液态金属辅助万向节的下方，形成蛇形机器人，每节转向单独控制。
一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节的设计方法，包括以下步骤：
S1：制作伸缩管套、关节一、关节二及关节一、关节二顶部的万向球；
S2：在关节一靠近所述万向球的位置钻孔，埋设电极；
S3：将伸缩管套套设于所述关节一顶部的万向球上，并粘接密封；
S4：向所述伸缩管套与所述万向球间注入液态镓铟合金；
S5：使用关节二在所述伸缩管套上方进行封盖，并粘接；
S6：采用三根拉索分别贯穿关节一与关节二间对应的通孔，待液态镓铟合金固化形成液态金属辅助万向节。
优选的，步骤S1中，所述伸缩管套选用TUF，并通过3D打印机成型，其温度在210℃溶化并沉积。
优选的，步骤S4中，采用的镓铟合金熔点为60℃。
本发明提供的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节及设计方法，与现有技术相比具有以下优点：
本发明提供的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节及设计方法，可以有效地解决传统拉索式蛇形机器人万向节锁定结构占用空间大、操作复杂的问题，采用镓铟合金并利用其低熔点的特性，在常温环境下为锁止状态，通过电极加热实现对蛇形机器人关节的解锁，结构简单，操作方便，并且与传统拉索式蛇形机器人对每个活动关节独立拉索控制相比，本发明仅通过三根拉索贯穿所有关节，并根据需要只解锁某一关节便可以精确控制该关节的姿态，节省了拉索材料，降低了制造成本。
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为本发明锁定后的结构剖视图；
图2为本发明解锁后的结构剖视图；
图3为本发明多个关节叠加底部关节解锁后的剖视图；
图4为本发明多个关节叠加锁定后的等轴测视图。
图中：1-万向球，2-关节一，3-关节二，4-伸缩管套，5-镓铟合金，6-弧形凹槽，7-拉索，8-电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1：
参考图1-2所示，本发明提供了一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，包括：万向球1、关节一2、关节二3、伸缩管套4及镓铟合金5，所述关节一2与关节二3的顶端中部均设有万向球1，所述关节二3置于所述关节一2顶部的万向球1上，所述伸缩管套4套设于所述关节一2顶部的万向球1的周侧并与关节一2、关节二3密封粘接，所述镓铟合金5灌注于所述伸缩管套4与所述万向球1之间。
作为一种优选实施例，所述关节一2、关节二3与其各自的万向球1均为一体结构，所述关节一2、关节二3的下端中部均设有与所述万向球1形状适配的弧形凹槽6。
作为一种优选实施例，所述关节一2和关节二3为圆柱状，所述关节一2和关节二3靠近圆周处均分布有三个通孔，所述关节一2和关节二3间对应的通孔贯穿有拉索7。
作为一种优选实施例，所述关节一2埋设有电极8并伸入所述镓铟合金5中。通电后使所述电极温度升温至所述镓铟合金5熔点以上，使所述镓铟合金由固态转换至液态，进而解锁。
参考图4所示，作为一种优选实施例，多个埋设有电极8的关节一2通过所述伸缩管套4及镓铟合金5叠加于液态金属辅助万向节的下方，形成蛇形机器人，每节转向单独控制。应该注意的是，除最顶端关节不设置电极外，其余关节均埋设电极。
一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节的设计方法，包括以下步骤：
S1：制作伸缩管套4、关节一2、关节二3及关节一2、关节二3顶部的万向球1；
S2：在关节一2靠近所述万向球1的位置钻孔，埋设电极8；
S3：将伸缩管套4套设于所述关节一2顶部的万向球1上，并粘接密封；
S4：向所述伸缩管套4与所述万向球1间注入液态镓铟合金5；
S5：使用关节二3在所述伸缩管套4上方进行封盖，并粘接；
S6：采用三根拉索7分别贯穿关节一2与关节二3间对应的通孔，待液态镓铟合金5固化形成液态金属辅助万向节。
作为一种优选实施例，步骤S1中，所述伸缩管套4选用TUF(热塑性聚氨酯弹性体聚合材料)，并通过3D打印机成型，其温度在210℃溶化并沉积。
作为一种优选实施例，步骤S4中，采用的镓铟合金熔点为60℃。
实施例2：
参考图1所示，所述镓铟合金5在常温状态下为固态，在所述拉索7牵动下，该万向球被锁定不能变化姿态。
参考图2所示，所述电极8通电后，所述镓铟合金5温度升高并达到熔点。所述伸缩管套4内的镓铟合金5液化，该关节解除锁定。此时，通过所述拉索7牵动该关节，所述万向球可以自由转动，该关节姿态可以被改变。
实施例3：
参考图3所示，在一组关节的运动过程中，上部关节电极8均未通电，其伸缩管套4内的镓铟合金5均处于凝固状态。此时为最底部的电极8通电，其伸缩管套4内的镓铟合金5由固态转变为液态。此时，右边的拉索7向下牵动。上部的万向球1因锁定而保持姿态，最底部的万向球未锁定，故姿态发生变化。因此，本发明仅通过三根拉索7贯穿所有关节，并根据需要只解锁某一关节便可以精确控制该关节的姿态。
本说明书中对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。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 (8)
1.一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，其特征在于，包括：万向球(1)、关节一(2)、关节二(3)、伸缩管套(4)及镓铟合金(5)，所述关节一(2)与关节二(3)的顶端中部均设有万向球(1)，所述关节二(3)置于所述关节一(2)顶部的万向球(1)上，所述伸缩管套(4)套设于所述关节一(2)顶部的万向球(1)的周侧并与关节一(2)、关节二(3)密封粘接，所述镓铟合金(5)灌注于所述伸缩管套(4)与所述万向球(1)之间。
2.根据权利要求1所述的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，其特征在于，所述关节一(2)、关节二(3)与其各自的万向球(1)均为一体结构，所述关节一(2)、关节二(3)的下端中部均设有与所述万向球(1)形状适配的弧形凹槽(6)。
3.根据权利要求1所述的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，其特征在于，所述关节一(2)和关节二(3)为圆柱状，所述关节一(2)和关节二(3)靠近圆周处均分布有三个通孔，所述关节一(2)和关节二(3)间对应的通孔贯穿有拉索(7)。
4.根据权利要求1所述的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，其特征在于，所述关节一(2)埋设有电极(8)并伸入所述镓铟合金(5)中。
5.根据权利要求4所述的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节，其特征在于，多个埋设有电极(8)的关节一(2)通过所述伸缩管套(4)及镓铟合金(5)叠加于液态金属辅助万向节的下方，形成蛇形机器人，每节转向单独控制。
6.一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制作伸缩管套(4)、关节一(2)、关节二(3)及关节一(2)、关节二(3)顶部的万向球(1)；
S2：在关节一(2)靠近所述万向球(1)的位置钻孔，埋设电极(8)；
S3：将伸缩管套(4)套设于所述关节一(2)顶部的万向球(1)上，并粘接密封；
S4：向所述伸缩管套(4)与所述万向球(1)间注入液态镓铟合金(5)；
S5：使用关节二(3)在所述伸缩管套(4)上方进行封盖，并粘接；
S6：采用三根拉索(7)分别贯穿关节一(2)与关节二(3)间对应的通孔，待液态镓铟合金(5)固化形成液态金属辅助万向节。
7.根据权利要求6所述的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节的设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述伸缩管套(4)选用TUF，并通过3D打印机成型，其温度在210℃溶化并沉积。
8.根据权利要求6所述的一种面向拉索式机器人的液态金属辅助万向节的设计方法，其特征在于，步骤S4中，采用的镓铟合金熔点为60℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220517 |