本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種剛性柔性可切換的機(jī)械手。

背景技術(shù)：

液態(tài)金屬是一種熔點(diǎn)在300℃以下的金屬材料，在低溫下呈現(xiàn)固體金屬性狀而在常溫或高溫下呈現(xiàn)液體形態(tài)。液態(tài)金屬通常以鎵金屬及其合金為主，包括鎵銦合金以及鎵銦錫合金等。其具有良好的導(dǎo)電性能以及導(dǎo)熱性能，同時(shí)具有金屬光澤，在液體狀態(tài)下具有良好的流動(dòng)性能以及表面張力等特性。液態(tài)金屬具有一定的浸潤(rùn)性，利用液態(tài)金屬墨水，可以制成柔性力學(xué)傳感器，也可以結(jié)合其導(dǎo)電性能以及流動(dòng)性能制成可直接使用電力驅(qū)動(dòng)的電磁泵。

機(jī)械手在機(jī)器人領(lǐng)域是一種重要的執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體的抓握，搬運(yùn)或其他操作。傳統(tǒng)機(jī)械手多為剛性零部件通過(guò)活動(dòng)關(guān)節(jié)連接，自由度數(shù)有限且整體結(jié)構(gòu)剛度較高，在操作一些易損壞的物體如生物樣本材料，軟體材料等，往往不能施加合適的力度，因而適用范圍有限。

在傳統(tǒng)機(jī)械手的基礎(chǔ)上，柔性機(jī)器人以及柔性機(jī)械手的概念應(yīng)運(yùn)而生。柔性機(jī)械手以柔性材料如硅膠、橡膠等制成，能夠在受到外力作用時(shí)產(chǎn)生一定的形變，從而避免了對(duì)被抓取物體的傷害。從驅(qū)動(dòng)方式上，柔性機(jī)械手也與傳統(tǒng)機(jī)械手的電機(jī)不同，主要的驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)、液動(dòng)或線驅(qū)動(dòng)三種。氣動(dòng)或液動(dòng)驅(qū)動(dòng)中，在柔性機(jī)械手的內(nèi)部有經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及排列的中空腔室，當(dāng)內(nèi)部填充壓力后，腔室發(fā)生膨脹，相互擠壓導(dǎo)致機(jī)械手產(chǎn)生彎曲，從而形成開(kāi)合動(dòng)作。

但現(xiàn)有柔性機(jī)械手也有其弊端，因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)由柔性材料構(gòu)成，所以在抓取一些較重的物體時(shí)，機(jī)械手形變過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致抓取失敗，物體脫落。傳統(tǒng)機(jī)械手和柔性機(jī)械手各有優(yōu)劣與適用范圍，但目前還沒(méi)有能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合的機(jī)械手。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種剛性柔性可切換的機(jī)械手，結(jié)合柔性機(jī)械手和液態(tài)金屬材料的相變特性，在現(xiàn)有氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)械手的基礎(chǔ)上，添加了液態(tài)金屬相變材料，配合加熱模塊或制冷模塊，在柔性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠通過(guò)溫度控制，改變機(jī)械手的剛性，使機(jī)械手可在柔性和剛性之間切換，從而能夠?qū)崿F(xiàn)兼顧抓取柔軟易損壞的物體以及抓取較重的物體的需求；當(dāng)處于柔性狀態(tài)時(shí)，可以抓取生物樣本等軟體材料且不會(huì)對(duì)樣本產(chǎn)生損傷；當(dāng)處于剛性狀態(tài)時(shí)，可以抓取較重或較硬的物體，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量形變從而導(dǎo)致抓取失敗。本發(fā)明可以進(jìn)一步擴(kuò)展到柔性機(jī)械臂等結(jié)構(gòu)上，從而拓展現(xiàn)有機(jī)械臂及機(jī)械手的適用領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種剛性柔性可切換的機(jī)械手，包括彈性高分子機(jī)械手，彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部設(shè)置有流體管道，控溫流體通過(guò)流體管道進(jìn)入彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部，液態(tài)金屬材料通過(guò)另一流體管道進(jìn)入彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部，或者，液態(tài)金屬材料位于彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部的腔室內(nèi)，通過(guò)制冷模塊與加熱模塊降低或升高控溫流體以及液態(tài)金屬填充材料的溫度，使液態(tài)金屬填充材料在固態(tài)與液態(tài)之間進(jìn)行相變切換，利用流體泵將液態(tài)金屬填充材料以及控溫流體泵送至彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部。

所述彈性高分子機(jī)械手所用材料為硅膠、橡膠、硅橡膠或其他彈性聚合物材料，具有多個(gè)手指狀結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部填充壓力或外力作用下能夠發(fā)生形變；內(nèi)部有流體管道以及多個(gè)沿機(jī)械手臂長(zhǎng)度方向排列的腔室。

所述液態(tài)金屬填充材料隨著溫度在熔點(diǎn)附近的變化，能夠在低溫下變?yōu)楣腆w，具有較高的滿足機(jī)械手抓握要求的剛性及強(qiáng)度，同時(shí)在高溫下變?yōu)橐后w，能夠自由流動(dòng)；液態(tài)金屬填充材料包括熔點(diǎn)在300攝氏度以下的低熔點(diǎn)金屬或合金，金屬成分是鎵、銦、錫、鋅、鉍、鉛、鎘、銅、銀、金、汞、鈉、鉀、鎂、鋁、鐵、鈷、鎳、錳、鈦、釩等中的一種或多種，其形式是金屬單質(zhì)、合金或者金屬納米顆粒與流體分散劑混合形成的導(dǎo)電納米流體，密封在彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部，或者經(jīng)流體管道利用流體泵進(jìn)入或流出彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部。

所述控溫流體為水、油或溶液等具有一定比熱容的流體物質(zhì)，通過(guò)流體泵的作用經(jīng)流體管道進(jìn)入彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部，通過(guò)熱交換作用對(duì)液態(tài)金屬填充材料進(jìn)行加熱或冷卻。

所述流體管道，部分位于彈性高分子機(jī)械手的內(nèi)部且連通了彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部的腔室，管道與流體泵相連，能夠在流體泵的作用下，使得液態(tài)金屬填充材料以及控溫流體在管道內(nèi)部流動(dòng)，當(dāng)流體進(jìn)入彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部的腔室后，在壓力作用下，腔室產(chǎn)生膨脹，進(jìn)而使得彈性高分子機(jī)械手發(fā)生彎曲，從而形成抓握或松開(kāi)的動(dòng)作。

所述制冷模塊在控制模塊的作用下對(duì)控溫流體以及液態(tài)金屬填充材料進(jìn)行降溫，從而使得液態(tài)金屬填充材料固化，制冷模塊采用空調(diào)式壓縮-汽化循環(huán)制冷，或采用半導(dǎo)體制冷片，或采用空氣或水對(duì)流制冷；所述加熱模塊在控制模塊的作用下對(duì)控溫流體以及液態(tài)金屬填充材料進(jìn)行加熱，從而使得液態(tài)金屬填充材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，加熱模塊采用空調(diào)式汽化-壓縮循環(huán)制熱，或采用半導(dǎo)體制熱片，或采用電熱絲通電后加熱。

所述控制模塊通過(guò)有線或無(wú)線的方式接收傳感模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊的信息，根據(jù)傳感模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊的反饋對(duì)制冷模塊、加熱模塊以及流體泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制制冷模塊、加熱模塊以及流體泵的動(dòng)作，從而使得彈性高分子機(jī)械手形成抓握或松弛的動(dòng)作。

所述傳感模塊感知彈性高分子機(jī)械手上的形變、溫度或內(nèi)部流體壓力，并將所獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)有限或無(wú)線的方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。

所述數(shù)據(jù)處理模塊具有可視化界面，能夠根據(jù)用戶需要以有線或無(wú)線的方式發(fā)送指令至控制模塊，從而改變彈性高分子機(jī)械手的開(kāi)合以及剛性或柔性，同時(shí)還能夠接受傳感模塊的信息，進(jìn)而判斷是否形成了對(duì)物體的抓握，從而調(diào)節(jié)握力或開(kāi)合范圍。

所述流體泵將控溫流體或液態(tài)金屬填充材料泵送至彈性高分子機(jī)械手內(nèi)部，改變機(jī)械手內(nèi)部的溫度或使得機(jī)械手彎曲或舒展，其通過(guò)接收控制模塊的指令，對(duì)流動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了一種利用液態(tài)金屬相變填充材料，通過(guò)溫度控制能夠在剛性和柔性之間進(jìn)行切換的機(jī)械手，既可以抓取生物樣本等軟體材料，也可以抓取較重或較硬的物體，拓展了機(jī)械手的適用范圍及領(lǐng)域，為機(jī)器人在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了拓展與探索。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明柔性可變機(jī)械手松開(kāi)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動(dòng)材料為液態(tài)金屬。

圖2是本發(fā)明柔性可變機(jī)械手抓握狀態(tài)下結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動(dòng)材料為液態(tài)金屬。

圖3是本發(fā)明柔性可變機(jī)械手松開(kāi)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)示意圖，利用氣體驅(qū)動(dòng)，液態(tài)金屬在管道中循環(huán)。

圖4是本發(fā)明柔性可變機(jī)械手抓握狀態(tài)下結(jié)構(gòu)示意圖，利用氣體驅(qū)動(dòng)，液態(tài)金屬在管道中循環(huán)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。

實(shí)施例1：

圖1和圖2為本發(fā)明提出的柔性可變機(jī)械手的示意圖，驅(qū)動(dòng)材料為液態(tài)金屬，也是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。

圖1為展開(kāi)狀態(tài)下的機(jī)械手界面圖示意，本實(shí)施例中機(jī)械手有左右兩指。彈性高分子機(jī)械手1，由硅膠材料制成。彈性高分子機(jī)械手1內(nèi)部有液態(tài)金屬填充材料2以及控溫流體3，控溫流體3和液態(tài)金屬填充材料2在流體管道4中流動(dòng)。具體到本實(shí)施例中，控溫流體3通過(guò)流體管道4循環(huán)流動(dòng)，而液態(tài)金屬填充材料2通過(guò)流體管道4與外部液態(tài)金屬儲(chǔ)箱相連，可以在流體泵5的作用下進(jìn)入彈性高分子機(jī)械手1內(nèi)部的空腔中。本實(shí)施例中有三個(gè)流體泵5，分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)左側(cè)、右側(cè)機(jī)械手以及控溫流體3的流動(dòng)。加熱模塊6和制冷模塊8在控制模塊7的作用下對(duì)控溫流體3的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制模塊7還可以對(duì)流體泵5進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)處理模塊9有顯示屏，可以通過(guò)無(wú)線通訊的方式控制機(jī)械手的開(kāi)合。傳感模塊10貼附在彈性高分子機(jī)械手1的末端，可以測(cè)量抓握產(chǎn)生的壓力以及機(jī)械手的溫度，并通過(guò)無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊9。當(dāng)需要抓握較重的物體時(shí)，首先加熱模塊6打開(kāi)，制冷模塊8關(guān)閉，流體泵5驅(qū)動(dòng)控溫流體3在流體管道4內(nèi)循環(huán)，使得液態(tài)金屬填充材料2處于較高溫度從而保持液體狀態(tài)。連接液態(tài)金屬儲(chǔ)箱的兩個(gè)流體泵5開(kāi)始工作，使得液態(tài)金屬填充材料2進(jìn)入彈性高分子機(jī)械手1內(nèi)部的空腔中，使空腔膨脹從而產(chǎn)生定向彎曲，并抓到待操作物體，如圖2所示。

彈性高分子機(jī)械手1處于抓握狀態(tài)后(圖2)，加熱模塊6關(guān)閉，制冷模塊8打開(kāi)，在流體泵5的作用下機(jī)械手及內(nèi)部液態(tài)金屬填充材料2被降溫，從而由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，固定了機(jī)械手的形狀且不易彎曲。此時(shí)即可提起較重的物體，完成整個(gè)操作過(guò)程。

實(shí)施例2：

如圖3所示，彈性高分子機(jī)械手1的結(jié)構(gòu)及各模塊與實(shí)施例1相同，不同之處在于液態(tài)金屬填充材料2在管道中循環(huán)運(yùn)行。機(jī)械手通過(guò)流體泵5連接外部大氣，通過(guò)將氣體泵入機(jī)械手內(nèi)部的空腔，使空腔膨脹從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓握動(dòng)作(如圖4所示)。數(shù)據(jù)處理模塊9通過(guò)有線的方式與控制模塊7以及傳感模塊10相連。開(kāi)始狀態(tài)下加熱模塊6處于打開(kāi)狀態(tài)而制冷模塊8為關(guān)閉狀態(tài)，隨著熱量在液態(tài)金屬填充材料2內(nèi)部的傳遞，整個(gè)液態(tài)金屬填充材料2為液態(tài)。此時(shí)流體泵5開(kāi)始工作，將空氣泵入彈性高分子機(jī)械手1內(nèi)部的空腔中使之產(chǎn)生抓握動(dòng)作，如圖4所示，保持形狀后制冷模塊8打開(kāi)而加熱模塊6關(guān)閉，熱量被導(dǎo)出，液態(tài)金屬填充材料2的溫度降低，逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，剛度提高，從而使得整個(gè)機(jī)械手的剛性也大幅提高，能夠抓握一些較重的物體，完成操作過(guò)程。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上利用液態(tài)金屬填充材料實(shí)現(xiàn)的剛性柔性可切換的機(jī)械手的實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。