CN116728392A - 基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，属于软体机器人技术领域。本发明针对现有软连续体机器人控制精度差、难以小型化，在经自然腔道进入人体的过程中，容易造成血管破裂、组织损伤的问题。包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。本发明可实现机器人形状的主动管控。

Description

基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人

技术领域

本发明涉及基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，属于软体机器人技术领域。

背景技术

目前软体机器人的驱动形式主要包括柔性流体驱动、形状记忆聚合物驱动、磁驱动以及电化学驱动等。其中利用柔性材料流体驱动的机器人存在易刺穿、不节能以及高故障的缺点；形状记忆聚合物驱动的机器人存在的缺点是能量效率低、非线性、宽滞后、控制困难、机械疲劳明显；磁驱动机器人的缺点是需要大型磁驱装置来供电和控制，空间不均匀磁场使软体机器人控制更加复杂；电化学驱动机器人的缺点在于驱动速度慢，通常仅限于使用在潮湿环境或水下工作。

北航文力等人利用气压驱动设计并制作了一种软体抓手，该软体抓手采用四个软体驱动器模块组装而成；其中每个软体驱动器分别具有两种工作模式：向内弯曲模式和向外弯曲模式。通过控制软体驱动器内部输入气压的大小可以实施不同的工作模式并完成对不同物体的抓取。但是气动软体机器人由于结构复杂，很难做到小型化。苏黎世联邦理工学院Bradley Nelson等人利用SMP设计了一种亚毫米级4D机器人，该机器人有两个数量级的模量变化，可以轻松的在开放空间中操作；由于材料的生物相容性和操作的灵活性，该机器人在人体介入手术中有潜在的应用。但该机器人制备工艺复杂，机械疲劳明显。

发明内容

针对现有软连续体机器人控制精度差、难以小型化，在经自然腔道进入人体的过程中，容易造成血管破裂、组织损伤的问题，本发明提供一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人。

本发明的一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；

两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；

主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；

通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，两根硅胶管的具体运动过程包括：

首先锁定随动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制主动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使主动硅胶管变软，再借助外力推动主动硅胶管使其头部探出；控制外磁场与所述头部的永磁体发生作用，使主动硅胶管发生变形；再锁定主动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制随动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使随动硅胶管变软，再借助外力推动随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动；如此交替控制实现两根硅胶管的交替运动。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，对于两根并行排布的硅胶管：

每根硅胶管的内腔填充液态金属，加热丝由硅胶管末端进入并延伸至硅胶管前端；加热丝的两个连接端处于硅胶管末端口以外用于连接电源；

主动硅胶管内部的加热丝与永磁体之间具有间隙；

每根硅胶管的两端采用密封材料密封；

随动硅胶管外表面并行粘接套管，所述套管用于套接主动硅胶管，并跟随主动硅胶管的变形。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，两根并行排布的硅胶管的外表面均设置润滑涂层。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，对于两根同轴套接的硅胶管：

内硅胶管作为主动硅胶管，内腔填充液态金属；加热丝由主动硅胶管末端进入并延伸至前端，加热丝与永磁体之间具有间隙；加热丝的两个连接端处于主动硅胶管末端口以外用于连接电源；

外硅胶管作为随动硅胶管具有夹层结构，形成外管内腔和夹层腔；主动硅胶管设置于外管内腔；加热丝由随动硅胶管末端进入夹层腔并沿夹层腔均匀延伸至前端；加热丝的两个连接端处于随动硅胶管末端口以外用于连接电源；

主动硅胶管的两端采用密封材料密封；随动硅胶管的夹层腔两端采用密封材料密封。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，随动硅胶管夹层腔内的加热丝呈螺旋线布设。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，主动硅胶管的外表面设置润滑涂层；随动硅胶管的内外表面均设置润滑涂层。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，润滑涂层的涂覆方法为：

将硅胶管浸入PVP溶液中，取出后用紫外光灯照射，使硅胶管侧壁携带的PVP溶液在硅胶管侧壁上形成具有亲水特性的水凝胶涂层，作为润滑涂层。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，所述密封材料为环氧树脂。

根据本发明的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，在机器人工作过程中，使机器人表面温度保持在42℃以下；

对机器人表面温度的监测方法为：

预先测量获得机器人整体电阻变化与表面温度的映射关系，并获得机器人表面温度在42℃时对应的机器人整体电阻阈值；

在机器人工作过程中，监测机器人整体电阻，基于映射关系确定当前机器人表面温度；当机器人整体电阻达到阈值时，利用PID调节加热丝的加热电流，使机器人整体电阻向机器人表面温度减小的方向变化，从而使机器人表面温度保持在42℃以下。

本发明的有益效果：本发明所述机器人基于液态金属相变和头部跟随模式实现机器人的柔性软连续运动，它利用液态金属大刚度比和交替运动、互为支撑的头部跟随运动模式来实现三维空间内主动顺应的任意形状部署。

本发明所述机器人在液态金属的大刚度比和磁导航下，可实现柔性转向和形状锁定，从而可以主动顺应的通过大曲率血管。

本发明所述机器人通过同心或并行的结构实现对自身形状锁定，两部分硅胶管可以交替运动，互为支撑，从而实现机器人头部跟随的运动模式。在这种运动模式下，机器人可穿过人体复杂腔道，进入相对开放的空腔中并主动变形成复杂的功能化三维结构，并不会对人体组织造成损伤。

本发明所述机器人可对自身的形状进行主动管理，在实现了小型化的同时，可实现更高的控制精度；它在经过大曲率血管时，能够不与血管臂产生径向作用力而主动变形，可防止钙化血管破裂，降低手术的风险。

附图说明

图1是本发明所述基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人的运动过程示意图；

图2是本发明所述基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人的制备流程示意图；图中1为加热丝，2为液态金属，3为环氧树脂，4为永磁体，5为水凝胶涂层；

图3是两根硅胶管并行排布时，套管与其中一个硅胶管通过硅胶粘接的状态示意图；

图4是两根同轴套接的硅胶管状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；

两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；

主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；

通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。

软体机器人作为新兴的交叉学科，可以完成靶向送药，介入手术和医学检测等任务。在微创手术中，本实施方式所述的软连续体机器人具有主动形状管控功能，可以经人体自然腔道进入目标组织，而不依赖与周围组织相互作用产生被动变形，从而降低了手术过程中组织损伤的风险。另外，所述软连续体机器人在使用时通过集成摄像头、光纤、载药通道等微型设备，在经人体自然腔道进入胃、膀胱等开放空间后，可以主动部署功能化形状。特别是在可达空间范围内，软连续体机器人可以沿不同路径，以不同的位姿到达靶向部位，展现出比现有商用内窥镜更出色的运动性能。

进一步，两根硅胶管的具体运动过程包括：

首先锁定随动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制主动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使主动硅胶管变软，再借助外力推动主动硅胶管使其头部探出；控制外磁场与所述头部的永磁体发生作用，使主动硅胶管发生变形；再锁定主动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制随动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使随动硅胶管变软，再借助外力推动随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动；如此交替控制实现两根硅胶管的交替运动。

再进一步，结合图2和图3所示，对于两根并行排布的硅胶管：

每根硅胶管的内腔填充液态金属，加热丝由硅胶管末端进入并延伸至硅胶管前端；加热丝的两个连接端处于硅胶管末端口以外用于连接电源；

主动硅胶管内部的加热丝与永磁体之间具有间隙；

每根硅胶管的两端采用密封材料密封；

随动硅胶管外表面并行粘接套管，所述套管用于套接主动硅胶管，并跟随主动硅胶管的变形。

所述套管选用硅胶材质制成。在两个硅胶管交替运动过程中，结合图1和图3所示，在硅胶管A向前运动时，硅胶管B和套管在原位不动对整个结构形成支撑；然后使硅胶管B向前运动，硅胶管A原位不动对整个结构形成支撑；硅胶管A运动时，只有前端头部伸出套管而不会脱离套管。

两根并行排布的硅胶管的外表面均设置润滑涂层。

再进一步，结合图2和图4所示，对于两根同轴套接的硅胶管：

内硅胶管作为主动硅胶管，内腔填充液态金属；加热丝由主动硅胶管末端进入并延伸至前端，加热丝与永磁体之间具有间隙；加热丝的两个连接端处于主动硅胶管末端口以外用于连接电源；

外硅胶管作为随动硅胶管具有夹层结构，形成外管内腔和夹层腔；主动硅胶管设置于外管内腔；加热丝由随动硅胶管末端进入夹层腔并沿夹层腔均匀延伸至前端；加热丝的两个连接端处于随动硅胶管末端口以外用于连接电源；

主动硅胶管的两端采用密封材料密封；随动硅胶管的夹层腔两端采用密封材料密封。

作为示例，结合图4所示，随动硅胶管夹层腔内的加热丝呈螺旋线布设。

对于两根同轴套接的硅胶管，主动硅胶管的外表面设置润滑涂层；随动硅胶管的内外表面均设置润滑涂层。

本实施方式中，对于两种排列形式的硅胶管，结合图2所示，润滑涂层的涂覆方法为：

将硅胶管浸入PVP溶液中，取出后用紫外光灯照射，使硅胶管侧壁携带的PVP溶液在硅胶管侧壁上形成具有亲水特性的水凝胶涂层，作为润滑涂层。

作为示例，所述密封材料为环氧树脂。

在机器人工作过程中，使机器人表面温度保持在42℃以下；

再进一步，对机器人表面温度的监测方法为：

预先测量获得机器人整体电阻变化与表面温度的映射关系，并获得机器人表面温度在42℃时对应的机器人整体电阻阈值；

在机器人工作过程中，监测机器人整体电阻，基于映射关系确定当前机器人表面温度；当机器人整体电阻达到阈值时，利用PID调节加热丝的加热电流，使机器人整体电阻向机器人表面温度减小的方向变化，从而使机器人表面温度保持在42℃以下。

本实施方式的工作原理：

机器人在使用时，首先测量机器人整体电阻变化和表面温度的映射关系，通过检测机器人整体电阻变化动态调控机器人表面温度，使机器人表面温度保持在42℃以下；

可在37℃水域环境下，给A通电使内部金属熔化，使A向前推进；每一次运动，只会使A的头部探出套管；在不加热时，两个硅胶管都是硬的，A加热变软后，可通过导丝推进装置将A向前推进；同时使外磁场发生装置产生静态磁场，通过磁场的作用使A的头部变形，达到目标形态后，给A断电，此时A将保持自身形状不再发生变化。

然后给B通电使内部金属熔化，此时A保持当前形状不变，B将沿着A规划好的形状向前推进，当A与B重合以后，给B断电。

具体实施例：

下面结合图1所述两根并行排布的硅胶管构成的机器人，对本发明所述可变刚度柔性软连续体机器人的制备过程进行说明，主要包括四个步骤：

1)为了实现快速的刚度转换，首先将加热丝布置在硅胶管内，然后将液态金属填充进硅胶管，当给加热丝通电时，液态金属融化，机器人整体变软；

2)在机器人(硅胶管)前端放入永磁体，从而与外磁场配合实现磁场下的实时导航；并用环氧树脂密封硅胶管的液态金属两端，防止液态金属泄露；

3)在机器人表面涂覆一层润滑涂层。先将机器人浸泡在PVP溶液中，后缓慢提拉，并用紫外光灯照射，使PVP溶液在表面形成一层亲水涂层，以降低了机器人的表面摩擦力；

4)为了实现交替运动、互为支撑的结构，图1所示的硅胶管A和硅胶管B可以并行或者同心结构排列。本实施例以并行排列为例，当A中液态金属熔化时，控制外磁场使A向前运动，而B则保持静止且支撑起整个结构；A、B两管相互支撑，交替运动，既保证了机器人前端自由变形，同时也锁定了机器人后端的形状，从而实现了头部跟随的运动模式。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；

两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；

主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；

通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

两根硅胶管的具体运动过程包括：

首先锁定随动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制主动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使主动硅胶管变软，再借助外力推动主动硅胶管使其头部探出；控制外磁场与所述头部的永磁体发生作用，使主动硅胶管发生变形；再锁定主动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制随动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使随动硅胶管变软，再借助外力推动随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动；如此交替控制实现两根硅胶管的交替运动。

3.根据权利要求2所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

对于两根并行排布的硅胶管：

每根硅胶管的内腔填充液态金属，加热丝由硅胶管末端进入并延伸至硅胶管前端；加热丝的两个连接端处于硅胶管末端口以外用于连接电源；

主动硅胶管内部的加热丝与永磁体之间具有间隙；

每根硅胶管的两端采用密封材料密封；

随动硅胶管外表面并行粘接套管，所述套管用于套接主动硅胶管，并跟随主动硅胶管的变形。

4.根据权利要求3所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

两根并行排布的硅胶管的外表面均设置润滑涂层。

5.根据权利要求2所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

对于两根同轴套接的硅胶管：

内硅胶管作为主动硅胶管，内腔填充液态金属；加热丝由主动硅胶管末端进入并延伸至前端，加热丝与永磁体之间具有间隙；加热丝的两个连接端处于主动硅胶管末端口以外用于连接电源；

外硅胶管作为随动硅胶管具有夹层结构，形成外管内腔和夹层腔；主动硅胶管设置于外管内腔；加热丝由随动硅胶管末端进入夹层腔并沿夹层腔均匀延伸至前端；加热丝的两个连接端处于随动硅胶管末端口以外用于连接电源；

主动硅胶管的两端采用密封材料密封；随动硅胶管的夹层腔两端采用密封材料密封。

6.根据权利要求5所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

随动硅胶管夹层腔内的加热丝呈螺旋线布设。

7.根据权利要求6所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

主动硅胶管的外表面设置润滑涂层；随动硅胶管的内外表面均设置润滑涂层。

8.根据权利要求4或7所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，润滑涂层的涂覆方法为：

将硅胶管浸入PVP溶液中，取出后用紫外光灯照射，使硅胶管侧壁携带的PVP溶液在硅胶管侧壁上形成具有亲水特性的水凝胶涂层，作为润滑涂层。

9.根据权利要求8所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，

所述密封材料为环氧树脂。

10.根据权利要求9所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，在机器人工作过程中，使机器人表面温度保持在42℃以下；

对机器人表面温度的监测方法为：

预先测量获得机器人整体电阻变化与表面温度的映射关系，并获得机器人表面温度在42℃时对应的机器人整体电阻阈值；

在机器人工作过程中，监测机器人整体电阻，基于映射关系确定当前机器人表面温度；当机器人整体电阻达到阈值时，利用PID调节加热丝的加热电流，使机器人整体电阻向机器人表面温度减小的方向变化，从而使机器人表面温度保持在42℃以下。