一种基于光诱导相变的软体机械臂

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，尤其是涉及一种基于光诱导相变的软体机械臂。

背景技术

软体机器人是一类受生物结构(如蛇、象鼻和章鱼触手)启发的机器人，它们具有连续的弹性结构，能够实现无限的自由度和连续的弯曲。这些特点使软体机器人适用于传统刚性机器人不适用的许多领域，如核反应堆维护、搜索和救援、太空探索和操纵。然而，软体机器人在设计、制造上面临着理论和技术挑战，尤其是在非结构化环境中使用时。

近年来已有许多对仿生软体机器人的研究，但仍存在制造过程复杂，无法实现任意方向的弯曲和扭转，也无法实现变径等多自由度的协调运动，能够实现的变形类型有限，扭转运动开发不足，依赖于传统伺服电机等问题。现有研究中，在软体机器人中实现高柔性、高适应性和多自由度变形仍然是一个挑战。

现有软体机器人大多为气动，大量气管及气泵等外附设备使得机器整体显得十分笨重，且不便维护。基于气液相变的软体机器人显然更有前途，它拥有和气动机器人一样的优点，能输出较大的力矩以及快速响应，同时避免了复杂的外部气泵、气管设备，使得驱动系统的小型化成为可能。但是目前对气液相变的研究主要集中在加热阶段的驱动上，对于冷却回收阶段的研究却非常稀少。现有气液相变的冷却绝大多依赖空气或水的自然对流，缺乏主动冷却装置，以致于冷却阶段时长明显长于加热阶段。这导致了机器人的一个相变工作周期明显变长。如何实现机器人的主动冷却，以及缩短自动周期，将是一个急需解决的问题。

同时，现有气液相变的加热大多为电热片加热或电磁加热，而这两种加热方式都存在明显的缺陷。电热片必须与相变液体直接接触，否则极易发生干烧事故。这导致了气液相变驱动的机器人只能在特殊的姿态下工作，以保证液体与加热片的充分接触。而使用磁场作为将无线电力传输到液体中的加热器的手段，它需要在容器内外安装一对接收器和发射器线圈，从而限制了几何配置以及致动器的尺寸。此外，由于从加热器到液体的热传递仅发生在局部，因此无论执行器的姿势如何，加热器都必须适当地浸泡在液体中。

还有使用激光直接加热相变材料的，这往往意味着激光的能量密度很大，以达到相变所需的温度；由于温度上升的滞后性，往往意味的激光需要持续工作一段较长的时间。这意味着对于操纵激光发射与瞄准的生产人员来说，意味着对其眼睛存在的风险。如何实现瞬时光诱发相变是一个值得关注的研究方向。

有鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光诱导相变的软体机械臂，该软体机械臂能够克服对传统电机的依赖，实现无系留驱动，实现气液相变中主动制冷，显著缩短致动周期，解除加热对机器的姿势条件限制，实现多自由度的伸缩、弯曲、扭转和变径的多变形类型协调运动。

本发明提供一种基于光诱导相变的软体机械臂，包括柔性臂和操纵爪，所述柔性臂包括若干个连接的模块，每个所述模块包括四组驱动装置，所述驱动装置包括四个呈X形分布的第一褶皱致动器，所述驱动装置的顶部和底部均设有端盖，相邻的两个所述端盖通过第二褶皱致动器连接；相邻的两个所述模块的端盖固定连接；位于最上方的所述模块的四个所述端盖顶部设有太阳能板；所述柔性臂的底部与所述操纵爪固定连接，所述操纵爪通过导线与所述太阳能板连接；

所述第一褶皱致动器和所述第二褶皱致动器结构相同，包括褶皱外壳，所述褶皱外壳内部设有低温相变液体，所述低温相变液体中设有第一气囊和第二气囊，所述第一气囊和所述第二气囊中均包裹有水和若干个凝珠，所述第一气囊的凝珠中设有氢氧化钠晶体，所述第二气囊的凝珠中设有氯化铵晶体。

进一步地，所述驱动装置中位于左上方的所述第一褶皱致动器与右下方的所述第一褶皱致动器串联，右上方的所述第一褶皱致动器与左下方的所述第一褶皱致动器串联。

进一步地，所述串联采用橡胶软管。

进一步地，所述褶皱外壳采用透明材质制成，所述气囊采用透明塑料制成，所述第一凝珠和所述第二凝珠采用聚乙烯制成。

进一步地，所述操纵爪包括固定座，所述固定座底部均匀分布有三个夹持部，所述夹持部包括聚四氟乙烯薄膜，所述聚四氟乙烯薄膜的两侧分别固定有半导体制冷片和柔性致动器；所述半导体制冷片通过导线分别与四个所述太阳能板连接。

进一步地，所述柔性致动器由内向外依次包括低温相变液体-石墨烯水凝胶复合材料、复合超弹性体、含氟电子涂层。

进一步地，所述复合超弹性体的制备过程如下：将聚丁二烯橡胶、纳米石墨烯、聚二甲基硅氧烷搅拌均匀后，使用石蜡注模工艺，制成中空腔体结构。

进一步地，所述褶皱外壳的两端设有圆柱形开口，所述端盖上设有安装孔，所述圆柱形开口位于所述安装孔中，所述圆柱形开口处设有密封件。

进一步地，所述端盖和所述密封件均采用聚乳酸材料制成。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的技术方案通过设置若干个串联的模块，运动方式灵活多变；每个模块包括四个不同方向分布的驱动装置，每个驱动装置包括四个呈X形分布的第一褶皱致动器，竖直方向的位移差实现软体柔性臂的弯曲二自由度与伸长自由度，水平位移差产生扭转，实现竖直方向的旋转自由度；同时相邻的两个驱动装置上的端盖之间设置第二褶皱器，实现柔性臂的变径运动。

本发明设置的第一褶皱致动器和第二褶皱致动器通过激光瞬时照射凝珠使其破裂，内部化学物质快速溶解在水中，氯化铵溶于水时，需要吸收热量来破坏铵根离子和水分子的结合，从而吸收大量热量，实现冷却；氢氧化钠溶于水时，形成氢氧化钠溶液和水合氢离子，需要释放热量来形成新的化学键，从而释放大量热量。从而实现对低温相变液体的加热与冷却，由低温相变液体的气化与液化改变褶皱致动器内气压，最终实现褶皱致动器的长度变化。激光驱动使得该软体机器人实现了无系留驱动，化学反应制冷使得致动器内快速制冷，缩短了致动周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中软体机械臂的结构示意图；

图2为本发明实施例中模块的结构示意图；

图3为本发明实施例中模块的主视图；

图4为本发明实施例中模块的侧视图；

图5为本发明实施例中模块的俯视图；

图6为本发明实施例中端盖的结构示意图；

图7为本发明实施例中第一褶皱致动器的结构示意图；

图8为本发明实施例中第一褶皱致动器的内部结构示意图；

图9为本发明实施例中操纵爪的结构示意图；

图10为本发明实施例中操纵爪的夹持部的结构示意图；

图11为本发明实施例中柔性致动器的截断立体图；

图12为本发明实施例中模块向右下方转动的运动示意图；

图13为本发明实施例中模块向右转动的运动示意图；

图14为本发明实施例中模块同时扭转和伸长的运动示意图；

图15为本发明实施例中模块四自由度运动示意图；

图16为本发明实施例中模块变径运动示意图；

图17为本发明中使用的低温相变液体的相关技术数据信息。

附图标记说明：1-柔性臂、2-操纵爪、201-固定座、202-夹持部、203-聚四氟乙烯薄膜、204-半导体制冷片、205-柔性致动器、2051-相变液体-石墨烯水凝胶复合材料、2052-复合超弹性体、2053-含氟电子涂层、3-模块、4-驱动装置、5-第一褶皱致动器、501-褶皱外壳、502-第一气囊、503-第二气囊、504-凝珠、505-密封件、6-端盖、601-安装孔、602-固定孔、7-第二褶皱致动器、8-橡胶软管、9-太阳能板、10-导线、11-连接杆。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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所述特征。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。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

一种基于光诱导相变的软体机械臂，如图1所示，包括柔性臂1和操纵爪2。

柔性臂1包括若干个模块3，如图2、图3、图4、和图5所示，每个模块3包括四组驱动装置4，驱动装置4包括四个呈X形分布的第一褶皱致动器5，位于左上方的第一褶皱致动器5与右下方的第一褶皱致动器5串联为一组；右上方的第一褶皱致动器5与左下方的第一褶皱致动器5串联为一组；且两组之间不相连。串联采用橡胶软管8进行连接。

驱动装置4的顶部和底部均设有端盖6，相邻的两个端盖6通过第二褶皱致动器7连接，相邻的两个模块3的端盖6固定连接。

第一褶皱致动器5和第二褶皱致动器7结构相同，只是第二褶皱致动器7的尺寸比第一褶皱致动器5小，如图7和图8所示，包括聚丁二烯透明橡胶制作而成的褶皱外壳501，具有柔性好、使用寿命长、化学稳定性好、连接强度好、流体阻力小、抗低温脆性好、耐磨性好、抗压能力强和使用寿命长等特点。褶皱外壳501内部设有低温相变液体，可改致动器内部气压，能使其长度发生变化，特别适合将气体压力转换成位移或力的场景。本实施例中的低温相变液体为EnaSolv PF-48Cleaning Agent(Shanghai Richem International Co.Ltd)，其相关技术数据如图17所示。

低温相变液体中放置有透明塑料制成的第一气囊502和第二气囊503，第一气囊502和第二气囊503中包裹有水和若干个聚乙烯材质制成的凝珠504，其中第一气囊502的凝珠504中包裹有氢氧化钠晶体，第二气囊503的凝珠504中包裹有氯化铵晶体。为了为了便于识别与吸收热量，包裹氯化铵晶体的凝珠为红色，包裹氢氧化钠晶体的凝珠为绿色。

通过激光瞬时照射凝珠504使其破裂，内部化学物质快速溶解在水中，氯化铵晶体溶于水时，需要吸收热量来破坏铵根离子和水分子的结合，从而吸收大量热量，实现冷却；氢氧化钠晶体溶于水时，形成氢氧化钠溶液和水合氢离子，需要释放热量来形成新的化学键，从而释放大量热量；实现对低温相变液体的加热与冷却，由低温相变液体气化与液化改变褶皱致动器内气压，最终实现褶皱致动器的长度变化。激光驱动使得该软体机械臂实现了无系留驱动，化学反应制冷使得致动器内快速制冷，缩短了致动周期。本实施例中使用功率为10-20W的可变功率且可变焦距的激光发射仪，照射时一般需要保证打在凝珠上的光斑足够小，以保持能量聚集，光斑大小应该在5mm以内。

如图6所示，端盖6的顶部两端有安装孔601，用于安装第一褶皱致动器5；端盖6的左右两端也设有安装孔601，用于安装第二褶皱致动器7；端盖6中间设有固定孔602，用于与相邻的模块3通过螺钉螺母连接。

褶皱外壳501的两端均设计成圆柱形开口，其中端盖6上的安装孔601直径比圆柱形开口小，用于过盈配合，增加密封性。

圆柱形开口连接在端盖6的安装孔601中，圆柱形开口的内壁上安装有圆柱形的密封件505，密封件505的直径略大于圆柱形开口的直径，实现过盈配合，最大程度的保证其密封性。端盖6和密封件505均采用聚乳酸材料由3D打印制作而成。

其中位于左上方的第一褶皱致动器5与右下方的第一褶皱致动器5串联时，相应的密封件505上设有便于橡胶软管8连接的安装口，右上方的第一褶皱致动器5与左下方的第一褶皱致动器5串联时相应的密封件505上设有便于橡胶软管8连接的安装口，第一褶皱致动器5和第二褶皱致动器7与端盖6连接的密封件505一端完全封闭。

柔性臂1中位于最顶部的模块3的四个端盖6顶部固定安装有太阳能板9，柔性臂1的位于最底部的四个端盖6的固定孔602中安装有刚性的连接杆11，连接杆11的另一端与操纵爪2的固定座201侧壁固定连接。

如图9所示，操纵爪2包括固定座201，固定座201底部均匀分布有三个夹持部202，夹持部202包括聚四氟乙烯薄膜203，如图10所示，聚四氟乙烯薄膜203具有良好的耐热耐冷性能，本实施例中采用厚度为0.05mm的聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜203的内侧固定有三个半导体制冷片204，外侧固定有三个柔性致动器205，每个半导体制冷片204与一个柔性致动器205相对应；相邻的两个柔性致动器205之间的间距为5mm，这个间距的设置可以保证操纵爪2工作时可以形成一个合适的弯曲角度。

通不同方向直流电时，半导体制冷片204通过珀耳帖效应可分别实现制热和制冷。三个半导体制冷片204通过导线10并联后与分别与四个太阳能板9连接，每个半导体制冷片204都有导线分别与太阳能板9连接。对应电流分别可以使半导体制冷片204制热或者制冷。实际使用时按照需求使用普通自然太阳光对相应的太阳能板9照射，使半导体制冷片204制热或制冷，使柔性致动器205发生形变实现夹持部202的抓握与松开。这种照射的太阳能板9的光并不需要过高功率的激光，仅采用普通自然光即可，其可以进行长时间的照射，保证了对工作人员的安全，提高了交互安全性。

当用太阳光照射四个太阳能板9中能产生半导体制冷片204内侧面制热电流的两片太阳能板9时，半导体制冷片204靠近柔性致动器205的那一面开始制热，柔性致动器205将会被加热，内部发生相变材料的气化，导致气压上升，体积增大。当三个夹持部202互相接触并且挤压时，将实现操纵爪2的抓取动作。

当用太阳光照射另外两个太阳能板9时，将导致半导体制冷片204靠近柔性致动器205的一面开始制冷，内部的相变材料将逐渐快速液化，导致气压下降。在复合超弹性体2052的回弹力作用下，柔性致动器205的体积将会减小，操纵爪2会逐渐松开。这种利用半导体片制冷204的方式可以大大加快相变的速度，提高操纵爪2工作的性能。

柔性致动器205由内至外分别为相变液体-石墨烯水凝胶复合材料2051、复合超弹性体2052、含氟电子涂层2053。

相变液体-石墨烯水凝胶复合材料2051的制备方法如下：将低温相变液体与毫米级石墨烯水凝胶按照体积比1:1充分且均匀混合获得，并用针管注入到复合超弹性体2052内部的中空腔体，石墨烯水凝胶为松散多孔结构，能够充分的吸附相变液体，同时石墨烯拥有超好的导热导电性能，能加速导热过程，优化操纵爪的驱动性能。

复合超弹性体2052由2g的聚丁二烯橡胶、1g的纳米级石墨烯、3g的聚二甲基硅氧烷(PDMS)在搅拌机中均匀混合后，使用石蜡注模工艺，制成中空腔体结构，作为主要的包裹与密闭材料，以保证内部密封的相变材料不会在相变的过程中逸出。同时，其具有良好的韧性弹性，能实现较大的形变，并且可多次复原。使用纳米级石墨烯是为了使复合材料导热性更好。

复合超弹性体2052的外层喷涂有含氟电子保护涂层2053(本实施例中采用3MNovec 1700)，这种涂层剂干后会形成一种透明的薄膜，起到更好的密封和保护的作用，薄膜具有极佳的疏水性和抗油性，它能抵抗油、水，能够保证操纵爪能运用在更多复杂多变的领域，并且保证内部气压不会外泄，提高其耐用性能。

本发明提供的基于光诱导相变的模块3的运动原理如图12-图16所示(图12-图16中均为单个模块3的俯视图，其中驱动装置4的上端盖与下端盖的初始状态一致，其中的标号①-⑧均为与上端盖连接的8个第一褶皱器5)，具体过程如下：

如图12所示，当①号和⑧号第一褶皱致动器5同步伸长的时候，驱动装置4会受到图中实线斜方向所示的伸长，该伸长有在XY水平面内的水平分量和Z轴方向的竖直分量，此时水平方向的力相互抵消，只剩下竖直方向的力，该力导致模块3往右下方转动。

如图13所示，当⑥号和⑦号第一褶皱致动器5同步伸长，则是模块3向右方转动，通过组合就可以实现二自由度的弯曲运动。

如图14所示，当②号、④号、⑥号和⑧号第一褶皱致动器5同步伸长的时候，因为水平方向的力叠加，导致模块3同时实现扭转和伸长。

如图15所示，当全部第一褶皱褶皱器5同步伸长的时候即模块3伸长运动，实现四自由度运动。

如图16所示，当第二褶皱器7同步伸长/收缩时，软体机械臂实现变径运动。

本发明提出了一种基于光诱导相变的软体机械臂，基于褶皱致动器和象鼻的运动学特性的启发，通过对象鼻运动机理和自由度分布的详细分析，将柔性臂简化为几个模块，每个模块有4组呈X形分布的驱动装置，它们排列成4个二维方向。每个模块具有四个自由度，即两个方向的旋转、轴向伸展和收缩以及周向扭转。除此之外，每个模块在端盖处还分布有八个横向摆放的小型第二褶皱制动器，能实现柔性臂的变径运动。柔性臂可以根据需要串联更多个模块，以完成所需的任务，其运动方式灵活多变。

本发明提出的基于气液相变驱动的褶皱致动器，通过由激光进行可控化学反应的诱发以达到快速制热与制冷，使内部相变材料快速发生气化与液化，发生内部气压的改变以实现制动器的伸长与缩短。化学驱动主动冷却表现出比自然对流冷却更快的冷却速率，由于有效主动冷却功能，因此缩短了每个致动周期从而显著缩短了响应时间。且由于重力的作用，冷却加热的化学物质会随着机器人的位姿变换，而始终浸泡在相变液体之中。这样的技术使得化学驱动摆脱了对机器空间位姿的限制，使得机器人能够做出更加复杂多样的运动。

激光诱发相变的多自由度柔性臂，激光仅作为诱发条件，工作时间极其短暂，增大了设备安全系数，降低能源消耗，且实现了无系留驱动，摆脱了复杂的外附气动设备。每个模块具有四个自由度与变径能力，负载能力强，响应速度快，质量轻，结构简单，控制系统复杂性较低，致动周期短。

柔性材料配合刚性固定件制成的结构，实现刚柔耦合，同时具有刚性和柔性的优点，具有很强的顺应性，工作空间大，与人类交互更加安全，可以抵抗冲击力。

本发明还提出了基于气液相变的复合材料柔性操纵爪，通过光驱实现无系留驱动，简化了机器的结构。

本发明提供的基于光诱导相变的软体机械臂简化了软体机器人结构及制造过程，实现多自由度的伸缩、弯曲、扭转和变径的多变形类型协调运动，克服对传统电机的依赖，实现了无系留驱动，实现了气液相变中主动制冷，显著缩短致动周期，解除了加热对机器的姿势条件限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。