一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及软体机器人的变刚度技术领域，具体为一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人及工作方法，主要用于多种非结构化表面运动时均可高速机动。

背景技术

传统机器人一般由刚性零件组成，其运动精度高，并且具有极强的承载能力。在控制方面，它具有方便，稳定的特点。但同时刚性机器人的环境适应能力差，当在狭窄空间内运动时常常会受到限制。科学家们从自然界汲取灵感，使用软体材料制作出远比那些传统机器人更加灵活和多功能的软体机器人。软体机器人具有良好的灵活性、环境适应性，具有广阔的应用前景。

但值得注意的是，对于低等生物如尺蠖，水蛭，蛇，甚至寄生虫等在复杂环境下都可以进行有效的运动机制，而现有的软体机器人在这些动物生存的环境中几乎无法动弹。由于软体机器人结构和材质的特殊性，软体机械人柔软性高，易于发生变形，正因为这些特点导致软体机器人的输出力有限，难以完成在多种复杂环境中的操作。为了达到预期的工作效果，科学家们对机器人有着更高的要求，软体机器人不但要易于驱动变形，而且要做到刚度适应可控，在既可以保证与机器人接触时的人身安全的同时，又可以通过改变机器人的自身刚度达到预期的效果，完成一系列任务。因此研究变刚度驱动方法就显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人及工作方法，本发明中的变刚度足部不但可以使机器人作业于刚性坡面，刚性表面，也可运动于各种特定环境下，如软体海绵表面，多坑洞表面等，且在上述表面运动时，机器人均可保证高速运动。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人，包括控制模块、驱动模块、冷却装置和变刚度足部；所述控制模块用来控制驱动模块的工作及变刚度足部刚度的调控；所述冷却装置用来冷却变刚度足部内部填充物；所述驱动模块用来为变刚度足部提供动能；所述变刚度足部与地面接触并行走。

上述方案中，所述驱动模块包括偏心电机和电源；所述控制模块用于控制电源通断、改变电源输出电压的正负极性；所述电源为偏心电机提供电能；所述偏心电机用来为变刚度足部提供动能。

上述方案中，所述偏心电机位于机器人质心；所述偏心电机上带有偏心块，偏心电机工作时机器人的运动会发生偏转，通过控制电源输入电压的正负极性改变偏心电机的转向使得运动方向为直行、左转或者右转。

上述方案中，所述变刚度足部包括空腔绒毛足部和电阻丝；所述空腔绒毛足部内置电阻丝并填充有镓基液态金属。

上述方案中，所述电阻丝呈蛇形布置，电阻丝外侧包裹有硅胶；所述镓基液态金属密封在空腔绒毛足部内部。

上述方案中，所述冷却装置设置在变刚度足部上方，所述冷却装置包括冷却管和蠕动泵，所述冷却管外侧包裹有硅胶，蠕动泵将冷却液泵入冷却管内从而冷却变刚度足部。

上述方案中，所述冷却管呈蛇形布置。

上述方案中，所述控制模块无线接收/发射模块和分压模块；所述分压模块能够对流经的电流进行放大；所述无线接收/发射模块接收信号后用来控制电源的开闭。

基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人的工作方法，无线接收/发射模块接收到开启信号后控制电源开关打开，偏心电机通电工作，带动变刚度足部工作，当机器人运动至刚性坡面时，足部切换至低刚度模式以维持机器人的最佳速度，电流经由分压模块放大后通入电阻丝，电阻丝升温，变刚度足部绒毛内部镓基液态金属由固态转化为液态，变刚度足部绒毛刚度减小，适应爬行机器人在刚性坡面上的爬行；当机器人爬行到较为柔软的软体海绵表面时需要足部调整到高刚度模式，无线发射模块接收到信号后控制电阻丝断电，蠕动泵持续将冷却液注入冷却装置中，变刚度足部绒毛内部镓基液态金属由液态转化为固态；分压模块控制通入电阻丝的电流大小以及足部上表面冷却装置中冷却液的通断，机器人足部便可实现变刚度以匹配不同的运动表面。

上述方案中，需要调整机器人运动方向时，控制模块改变电源输出电压的正负极性改变偏心电机的转向，具体为：当无线发射模块控制电源输入电压为正极时，偏心电机上偏心块沿顺时针方向旋转，此时爬行机器人会在前进过程中向右偏转；电源输入电压为负极时，偏心电机上偏心块逆时针方向旋转，此时机器人会向左偏转；当电源输入正负交替的电压时，偏心电机将在顺时针与逆时针之间交替转换，机器人将呈现直线向前爬行运动。

有益效果：

1.本发明一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人可以通过调节外部电源提供的电流大小来控制镓基液态金属的固、液及中间状态。且当通入的电流值不同时，电阻丝最终稳定的温度值也有所变化，可以以此来控制机器人绒毛足部的刚度。

2.本发明软体爬行机器人自身携带动力源，能在相对较小的驱动电压下实现爬行运动。

3.本发明软体爬行机器人采用超弹性材料，可以在一定的情况下弯曲和伸展，且可以承受极大的压挤力。

4.本发明软体爬行机器人体积小、质量轻，体现了整体结构运动的灵活性和可靠性。

5.本发明通过单一执行器实现对机器人运动的控制，且安装了无线收发模块实现远程控制。

6.本发明采用锂电池供能，不但可以装备在机器人上，保证自身携带动力源，而且满足机器人在相对较小的驱动电压下实现爬行运动，这极大地降低了该软体机器人的使用局限性。

7.本发明机器人拥有可变刚度足部，不仅能够进入狭窄空间，而且还能在相对较小的驱动电压下实现爬行运动，具有体积小、质量轻、控制方便等优势。绒毛足部的刚度是影响该机器人地形适应性的关键因素，通过对可变刚度足部的设计，使得该软体机器人能适应更多复杂工作表面，增强环境适应性。本发明具有重大的应用价值，将在急救机器人技术，工业上的管道检测，日常生活服务，军事侦察，极限作业环境的勘探等领域大放异彩。

8.本发明的爬行机器人采用硅胶材料制成具有内部腔体的结构，利用硅胶材料本身具有的变形能力及恢复特性来实现软致动，空腔内部填充镓基液态金属，利用该液态金属自身特性，常温下为固态，加热后相变为液态，有效实现变刚度控制。此爬行机器人不但可以适应多种环境，同时满足在诸多非结构化表面运动时均可高速机动，有效实现环境探索等功能。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为冷却装置的结构示意图；

图4为变刚度足部结构示意图；

图5为电阻丝的结构示意图；

图6为空腔绒毛足部的浇筑模具示意图。

附图标记：

1-控制模块；2-驱动模块；3-冷却装置；4-变刚度足部；5-分压模块；6-偏心电机；7-电源；8-电阻丝；9-底座模具；10-上盖模具。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人，包括变刚度足部4、冷却装置3、驱动模块2和控制模块1；变刚度足部4是该机器人运动的执行机构，上承机器人本体，下与运动表面直接接触；驱动模块2由一个偏心电机和锂电池组成，其中，锂电池是驱动能量的来源，使得机器人可充电循环工作，偏心电机产生振动，为机器人提供前进的动力；控制模块1由无线接收/发射模块和分压模块5，控制模块1可实现机器人的运动速度的调整，方向的转变以及足部刚度的调控，使得机器人整体运动状态可控。

驱动模块2，内置振动源作为软体机器人的驱动动力，包括偏心电机6和电源7，其中电源7为锂电池组成，采用串联连接。偏心电机6作为该爬行机器人的唯一执行器，其上偏心块转动产生周期性激振力，并传导至机器人绒毛足部时，机器人会发生跳动且与运动平面发生脱离，因此机器人体现为垂直方向上的上下震荡与水平面上的前进运动。

控制模块1用于实现机器人远程控制，主控制器与各个单元能互相通讯。主要是负责电机输入电压的极性转变、电压大小调整、指令接收与发布，实现机器人移动速度的调节与运动方向的转换。同时可以控制电阻丝加热用于控制镓基液态金属的相变状态。控制模块通过控制输入偏心电机电压的正负极性改变电机的转向，最终实现机器人的前进和转向运动，当电机在顺时针与逆时针转动之间交替转换时，机器人表现为蜿蜒前行，缩短时间周期后表现为直行运动。

变刚度足部4作为机器人和运动表面直接接触的部位，为满足爬行机器人运动的力学条件，并使机器人可适应多种表面，需要利用绒毛作为驱动足，且具备一定的倾斜角度，足部前后两侧与运动环境表面产生的非对称摩擦力可实现机器人的定向爬行。该足部还具备加热装置和冷却通道，以使其具备完整的相变功能而不需要依赖外部的加热条件，且加热装置和冷却通道要不影响变刚度材料的柔性。所设计的绒毛足部由空腔绒毛和长方体状的基板组成，其中空腔绒毛采用底座模具与上盖模具之间的配合间隙浇筑而成，绒毛共计20根，在基板上以4行5列等间距排列。基板上方设有含冷却液的冷却通道，由硅胶材料制成，以保证绒毛的形变不受基板限制。足部绒毛由内部填充的镓基液态金属，一根对折后并起来的电阻丝和外部包裹的硅胶皮组成，电阻丝是加热装置，硅胶皮可用于保护内部电路。

变刚度足部4中的加热装置由电阻丝8组成，主要用于给变刚度模块加热使得镓基液态金属由固相转变为液相，变刚度足部的线路连接包括：由一根电阻丝将一列的绒毛串联起来，同时使用漆包线连接列于列之间电阻丝，最终将整个电路串联起来。基板上的冷却装置以冰水为冷却液，用蠕动泵持续将冰水注入通道使其在冷却管道内循环流动，带走多余的热加速变刚度层的冷却。这样的设计使得液态金属变刚度足部在不需要太依赖外部条件就可以完成刚度的调节并且可以通过电流大小和水温来控制刚度变化的时间。

变刚度足部4主要集中于机器人绒毛足部，由空腔绒毛足部，镓基液态金属，及足部绒毛内部的电阻丝组成。因为该液态金属高温加热后呈现为液体，所以需要使用柔性材料对其进行封装。将该液态金属注入机器人足部腔体中，具体操作流程如下：

首先，使用热风枪将液态金属在高温下融化，然后使用注射器将液态金属注入空腔足部中，待填充满模具之后，用刮刀将表面刮平。等待30分钟直到液态金属完全变为固态，然后在足部的上表面倒上一层未固化的硅胶(硅胶A，B两部分按照1：1的比例搅拌好)，室温下固化4小时，以完成密封过程。完成上述所有过程后，机器人的液态金属变刚度足部4的制作完成。

结合附图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明一种基于液态金属相变的变刚度绒毛爬行软体机器人，包括控制模块1、驱动模块2、冷却装置3和变刚度足部4；机器人表皮外壳以能产生变形的硅橡胶为材料，经过建模、打印、浇筑、固化和脱模过程制作成型。所述硅胶具有良好的弹性，有伸缩变形能力。控制模块1主要包括无线接收/发射模块和分压模块5。驱动模块2由一个偏心电机6和电源7组成，所述偏心电机6位于机器人质心位置。冷却装置3包括冷却管及蠕动泵，所述冷却管嵌入冷却装置3的硅胶体内部，上下左右居中布置。机器人变刚度足部4包括空腔绒毛足部和电阻丝8，所述电阻丝8在空腔中居中布置，空腔内部充满镓基液态金属。机器人模块两两之间通过橡胶材料胶接。

机器人驱动原理：无线收发模块接收到开启信号后电源7开关打开，偏心电机6通电工作，机器人开始运动。当机器人运动至刚性坡面时，足部切换至低刚度模式以维持机器人的最佳速度，电流经由分压模块5放大后通入电阻丝8，电阻丝8升温，变刚度足部4绒毛内部镓基液态金属由固态转化为液态，变刚度足部4绒毛刚度减小，适应爬行机器人在刚性坡面上的爬行。当机器人爬行到较为柔软的软体海绵表面时需要足部调整到高刚度模式，无线发射模块接收到信号后电阻丝8断电，蠕动泵持续将冷却液注入冷却装置3中，机器人变刚度足部4绒毛内部镓基液态金属由液态转化为固态；同理分压模块5控制通入电阻丝8的电流大小以及足部上表面冷却装置3中冷却液的通断，机器人足部便可实现变刚度以匹配不同的运动表面。

控制模块1一方面可以控制电源7通断，另一方面可以改变输出电压的正负极性，由于偏心电机6上偏心块转动过程中伴随着离心力的产生，同时产生的转动惯量会促使机器人的运动发生偏转，偏转方向与电机转动方向有关，通过控制输入电压的正负极性改变电机的转向，以此来控制机器人的运动方向。具体表现为当无线发射模块控制输入电压为正极时，偏心电机6上偏心块沿顺时针方向旋转，此时爬行机器人会在前进过程中向右偏转；输入电压为负极时，偏心电机6上偏心块逆时针方向旋转，此时机器人会向左偏转；当输入正负交替的电压时，偏心电机6将在顺时针与逆时针之间交替转换，机器人将呈现直线向前爬行运动。

镓基液态金属变刚度原理：在液态状态下，镓基液态金属的原子之间存在着较为自由的运动，形成一种无序的近似球状排列，这种无序结构使得合金具有很高的流动性和变形性，从而表现出较低的刚度；在固化过程中，金属原子逐渐形成有序的晶体结构，其排列方式由无序的液态状态转变为有序的固态状态，这种有序结构使得金属原子的位置相对固定，形成晶格结构，从而导致合金的刚度增加；在固态状态下，金属原子之间的相互作用力增强，包括静电相互作用力、金属键和离子键等，这些相互作用力能够限制金属原子的位移和变形，使得固态合金具有较高的刚度和脆性。

结合附图6所示，底座模具9和上盖模具10用来制备空腔绒毛足部。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。