本發(fā)明屬于水陸兩棲移機(jī)器人的，尤其涉及一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有技術(shù)中移動(dòng)機(jī)器人一般會(huì)選擇電機(jī)、sma等作為驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)相應(yīng)的移動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)其不斷向前滾動(dòng)。然而，目前移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式相對(duì)較少，并且存在這結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、控制難、運(yùn)動(dòng)性能不佳等問(wèn)題。

2、室溫液態(tài)金屬是室溫下為液態(tài)的金屬或合金，兼具流體和金屬的特性。作為液體，液態(tài)金屬具有粘度低、表面張力大的特點(diǎn)；作為金屬，液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。目前常用的液態(tài)金屬為鎵基液態(tài)金屬，如共晶鎵銦合金、鎵銦錫合金。由于其特殊的理化性質(zhì)，鎵基液態(tài)金屬多被應(yīng)用于微流體器件，在微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)、智能可穿戴設(shè)備、傳感器、微通道冷卻、增材制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3、液態(tài)金屬在電場(chǎng)作用下具有較大可控表面張力梯度，因而具備良好的驅(qū)動(dòng)性能，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有極低的功耗和滾動(dòng)摩擦力，在承受機(jī)械沖擊時(shí)表現(xiàn)出非凡的力學(xué)性能。此外，以液態(tài)金屬為驅(qū)動(dòng)來(lái)源具有傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。因此，液態(tài)金屬良好的驅(qū)動(dòng)性能使其有望作為一種驅(qū)動(dòng)源，為小型化機(jī)械裝置提供新的驅(qū)動(dòng)方式。但是目前現(xiàn)有技術(shù)利用液態(tài)金屬作為驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)僅適用于單一環(huán)境中，適用范圍比較局限。

4、因此，亟需解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，利用陸地馬達(dá)和噴射式馬達(dá)分別作為驅(qū)動(dòng)源，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的水陸兩棲。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，包括殼體、位于殼體兩側(cè)且通過(guò)軸與殼體相連的四組驅(qū)動(dòng)輪、對(duì)稱設(shè)置于殼體兩側(cè)且用于在液體環(huán)境下驅(qū)動(dòng)殼體移動(dòng)的噴射式馬達(dá)、位于驅(qū)動(dòng)輪上且用于在陸地上帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的陸地馬達(dá)，其中陸地馬達(dá)包括與軸相連且具有兩個(gè)豎直設(shè)置支架臂的電極支架、位于支架臂外側(cè)的方形電極、位于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)的電解液以及位于電解液內(nèi)且位于兩個(gè)支架臂之間的第一液態(tài)金屬液滴，在地面環(huán)境下，施加電場(chǎng)前第一液態(tài)金屬液滴處于驅(qū)動(dòng)輪的最低點(diǎn)，方形電極接通電源，第一液態(tài)金屬液滴處于電解液內(nèi)，第一液態(tài)金屬液滴被拉伸，向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)，沿驅(qū)動(dòng)輪上升改變驅(qū)動(dòng)輪重心，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

3、其中，噴射式馬達(dá)包括并排開(kāi)設(shè)有多道槽口的驅(qū)動(dòng)塊、間隔位于槽口內(nèi)且設(shè)置于驅(qū)動(dòng)塊上的兩個(gè)電極支柱、固定于電極支柱內(nèi)的圓柱電極以及位于兩個(gè)電極支柱之間的第二液態(tài)金屬液滴，其中槽口的入口寬于出口，電極支柱為一側(cè)開(kāi)口的空心圓柱，兩個(gè)電極支柱的開(kāi)口分別朝向槽口的入口與出口，在電解液環(huán)境下，施加電場(chǎng)前漂浮在電解液表面，第二液態(tài)金屬液滴和槽口底部浸沒(méi)在電解液中，圓柱電極接通電源，由于第二液態(tài)金屬液滴被電極支柱限制無(wú)法移動(dòng)而產(chǎn)生壓力差，壓力差將電解液從槽口入口端吸入，并推動(dòng)電解液向槽口出口方向流動(dòng)，噴出射流，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

4、優(yōu)選的，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)軸承與軸相連，軸承外圈和驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)過(guò)盈配合的方式固定連接，軸承內(nèi)圈和軸通過(guò)過(guò)盈配合的方式固定連接。

5、再者，驅(qū)動(dòng)輪包括位于驅(qū)動(dòng)輪中心處的內(nèi)圓環(huán)、與內(nèi)圓環(huán)外周相連的外輪緣、與外輪緣外邊沿相連的側(cè)壁以及位于內(nèi)圓環(huán)上的鏤空結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)圓環(huán)、外輪緣和側(cè)壁圍成可容納電解液的驅(qū)動(dòng)輪凹槽。

6、進(jìn)一步，殼體上開(kāi)設(shè)有殼體凹槽，該殼體凹槽內(nèi)設(shè)置有電池和控制電路，方形電極和圓柱電極分別通過(guò)導(dǎo)線與電池和控制電路相連，控制電路包括電源輸入端、電壓調(diào)節(jié)裝置、藍(lán)牙繼電器、pwm方波信號(hào)生成器、繼電器和電源輸出端，地面環(huán)境移動(dòng)控制電路連接順序?yàn)殡娫摧斎攵?、電壓調(diào)節(jié)裝置、藍(lán)牙繼電器和電源輸出端；電解液環(huán)境移動(dòng)控制電路連接順序?yàn)殡娫摧斎攵恕㈦妷赫{(diào)節(jié)裝置、藍(lán)牙繼電器、pwm方波信號(hào)生成器、繼電器和電源輸出端。

7、優(yōu)選的，電極支架包括與軸通過(guò)過(guò)盈配合的方式固定連接的空心圓柱、與空心圓柱相連且對(duì)稱設(shè)置在兩側(cè)的支架臂以及開(kāi)設(shè)于支架臂上用于放置方形電極的支架凹槽，其中支架臂的上端為v型結(jié)構(gòu)，下端為豎直棱柱。

8、再者，方形電極和圓柱電極的材料為石墨或鉑。

9、進(jìn)一步，電解液為氫氧化鈉電解液。

10、優(yōu)選的，第一液態(tài)金屬液滴為鎵銦液態(tài)金屬液滴。

11、再者，第二液態(tài)金屬液滴為鎵銦液態(tài)金屬液滴。

12、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)本發(fā)明在地面環(huán)境下，將第一液態(tài)金屬液滴置于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)部作為驅(qū)動(dòng)源，第一液態(tài)金屬液滴在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生表面張力梯度引發(fā)馬蘭戈尼對(duì)流而運(yùn)動(dòng)，沿驅(qū)動(dòng)輪凹槽上升，結(jié)合變重心機(jī)制產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩引發(fā)驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)進(jìn)而使機(jī)器人前進(jìn)；(2)本發(fā)明在電解液環(huán)境下，將第二液態(tài)金屬液滴置于噴射式馬達(dá)內(nèi)部作為驅(qū)動(dòng)源，在電場(chǎng)作用下，第二液態(tài)金屬液滴表面產(chǎn)生張力梯度，由于第二液態(tài)金屬液滴被限制住無(wú)法產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，第二液態(tài)金屬液滴兩端產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而推動(dòng)電解液從馬達(dá)入口向出口流動(dòng)，入口大出口小的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致出口處流速增大，馬達(dá)的出口一側(cè)噴出射流，進(jìn)而產(chǎn)生推力使機(jī)器人前進(jìn)；(3)本發(fā)明相較于傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體體積小，重量輕，便于安裝與控制，兼具地面環(huán)境移動(dòng)和液體環(huán)境移動(dòng)功能。

技術(shù)特征：

1.一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：包括殼體(1)、位于殼體兩側(cè)且通過(guò)軸與殼體相連的四組驅(qū)動(dòng)輪(2)、對(duì)稱設(shè)置于殼體兩側(cè)且用于在液體環(huán)境下驅(qū)動(dòng)殼體移動(dòng)的噴射式馬達(dá)、位于驅(qū)動(dòng)輪上且用于在陸地上帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的陸地馬達(dá)，其中陸地馬達(dá)包括與軸(11)相連且具有兩個(gè)豎直設(shè)置支架臂的電極支架(3)、位于支架臂外側(cè)的方形電極(4)、位于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)的電解液以及位于電解液內(nèi)且位于兩個(gè)支架臂之間的第一液態(tài)金屬液滴(6)，在地面環(huán)境下，施加電場(chǎng)前第一液態(tài)金屬液滴處于驅(qū)動(dòng)輪的最低點(diǎn)，方形電極接通電源，第一液態(tài)金屬液滴處于電解液內(nèi)，第一液態(tài)金屬液滴被拉伸，向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)，沿驅(qū)動(dòng)輪上升改變驅(qū)動(dòng)輪重心，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述噴射式馬達(dá)包括并排開(kāi)設(shè)有多道槽口(13)的驅(qū)動(dòng)塊(12)、間隔位于槽口內(nèi)且設(shè)置于驅(qū)動(dòng)塊上的兩個(gè)電極支柱(14)、固定于電極支柱內(nèi)的圓柱電極(7)以及位于兩個(gè)電極支柱之間的第二液態(tài)金屬液滴(8)，其中槽口的入口寬于出口，電極支柱為一側(cè)開(kāi)口的空心圓柱，兩個(gè)電極支柱的開(kāi)口分別朝向槽口的入口與出口，在電解液環(huán)境下，施加電場(chǎng)前漂浮在電解液表面，第二液態(tài)金屬液滴和槽口底部浸沒(méi)在電解液中，圓柱電極接通電源，由于第二液態(tài)金屬液滴被電極支柱限制無(wú)法移動(dòng)而產(chǎn)生壓力差，壓力差將電解液從槽口入口端吸入，并推動(dòng)電解液向槽口出口方向流動(dòng)，噴出射流，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)軸承(5)與軸相連，軸承外圈和驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)過(guò)盈配合的方式固定連接，軸承內(nèi)圈和軸通過(guò)過(guò)盈配合的方式固定連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述驅(qū)動(dòng)輪(2)包括位于驅(qū)動(dòng)輪中心處的內(nèi)圓環(huán)(201)、與內(nèi)圓環(huán)外周相連的外輪緣(202)、與外輪緣外邊沿相連的側(cè)壁(203)以及位于內(nèi)圓環(huán)上的鏤空結(jié)構(gòu)(205)，其中內(nèi)圓環(huán)、外輪緣和側(cè)壁圍成可容納電解液的驅(qū)動(dòng)輪凹槽(204)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述殼體上開(kāi)設(shè)有殼體凹槽(15)，該殼體凹槽(15)內(nèi)設(shè)置有電池(9)和控制電路(10)，方形電極和圓柱電極分別通過(guò)導(dǎo)線與電池和控制電路相連，控制電路包括電源輸入端、電壓調(diào)節(jié)裝置、藍(lán)牙繼電器、pwm方波信號(hào)生成器、繼電器和電源輸出端，地面環(huán)境移動(dòng)控制電路連接順序?yàn)殡娫摧斎攵恕㈦妷赫{(diào)節(jié)裝置、藍(lán)牙繼電器和電源輸出端；電解液環(huán)境移動(dòng)控制電路連接順序?yàn)殡娫摧斎攵恕㈦妷赫{(diào)節(jié)裝置、藍(lán)牙繼電器、pwm方波信號(hào)生成器、繼電器和電源輸出端。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述電極支架(3)包括與軸(11)通過(guò)過(guò)盈配合的方式固定連接的空心圓柱(301)、與空心圓柱相連且對(duì)稱設(shè)置在兩側(cè)的支架臂(302)以及開(kāi)設(shè)于支架臂上用于放置方形電極的支架凹槽(303)，其中支架臂(302)的上端為v型結(jié)構(gòu)，下端為豎直棱柱。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述方形電極(4)和圓柱電極(7)的材料為石墨或鉑。

8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述電解液為氫氧化鈉電解液。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述第一液態(tài)金屬液滴(6)為鎵銦液態(tài)金屬液滴。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，其特征在于：所述第二液態(tài)金屬液滴(8)為鎵銦液態(tài)金屬液滴。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲移動(dòng)機(jī)器人，包括殼體、四組驅(qū)動(dòng)輪、對(duì)稱設(shè)置于殼體兩側(cè)且用于在電解液環(huán)境下驅(qū)動(dòng)殼體移動(dòng)的噴射式馬達(dá)、用于在陸地上帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的陸地馬達(dá)，其中陸地馬達(dá)包括具有兩個(gè)豎直設(shè)置支架臂的電極支架、位于支架臂外側(cè)的方形電極、電解液以及位于電解液內(nèi)且位于兩個(gè)支架臂之間的第一液態(tài)金屬液滴，在地面環(huán)境下，施加電場(chǎng)前第一液態(tài)金屬液滴處于驅(qū)動(dòng)輪的最低點(diǎn)，方形電極接通電源，第一液態(tài)金屬液滴處于電解液內(nèi)，第一液態(tài)金屬液滴被拉伸，向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)，沿驅(qū)動(dòng)輪上升改變驅(qū)動(dòng)輪重心，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。本發(fā)明利用陸地馬達(dá)和噴射式馬達(dá)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的水陸兩棲。

技術(shù)研發(fā)人員：齊鑫宇,項(xiàng)楠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10