一种低熔点合金变刚度温度控制方法及结构和软体机械手

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，更具体的说是涉及一种低熔点合金变刚度温度控制方法及结构和软体机械手。

背景技术

软材料使软体机器人拥有高度的柔顺性、灵活性和安全性，但同时也大幅削弱了软体机器人的刚度，由此产生了低负载、低输出力和低稳定性等问题。因此，如何调节软体机器人的刚度，使其可以实现刚柔转换提升机器人的性能，从而能够承担更多的任务，是软体机器人研究的一个重要领域。

现有的软体人变刚度方式以干扰、拮抗、智能材料、相变等为主。干扰是目前应用较广的一种变刚度方式，通过抽取负压的方式将颗粒、层、线等材料挤压在一起提高摩擦力，实现整体的刚度提升，如本申请人已经申请过的公开号为CN109249385A、CN111055299A和CN111941462A等发明专利，但是此种方式仍然存在刚度调节范围小，可调刚度低的问题。拮抗是通过结构的特殊布置，利用软体机器人中不同运动的拮抗作用实现的刚度调节，其所占体积较大，是应用较少的一种变刚度方式。智能材料通常是利用电场或者磁场激活后，能够实现从游离或者松散状态变为按规律排列或者紧绷状态的一种刚度调节方式，对于外部条件要求较高。相变是一种利用材料吸热放热实现固相和液相之间的转换实现刚度变换的变刚度方式，其中相变低熔点合金具有最高的刚度调节能力，但是存在相变过程时间长，刚度无法自由调节的问题。

因此，如果能够通过某一种方式缩短相变所需时间和解决刚度只能在液相低刚度和固相高刚度之间转换的问题，那么低熔点合金能够有效地解决机器人刚度问题，为推进软体机器人的研究与应用具有重大的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低熔点合金变刚度温度控制方法及结构和软体机械手，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低熔点合金变刚度温度控制方法，将低熔点合金温度控制在其熔点温度±0.5℃范围内，通过加热或者冷却使低熔点合金吸收或释放相变潜热所需能量，以实现低熔点合金的快速融化和凝固。

通过上述技术方案，本发明在需要改变合金状态时，只需要降低合金冷却的效率使合金吸收一级相变所需的潜热，从固相转变为液相；或提高合金外围冷却装置的效率，将合金内部相当于一级相变潜热的热量通过冷却装置释放，从液相转变为固相。整个相变过程的温度和气压保持不变，发生相变的过程中只有热量的吸收或释放，提高加热效率和冷却效率可以有效降低反应时间。

优选的，在上述一种低熔点合金变刚度温度控制方法中，通过调节低熔点合金加热提供热量和水冷却带走的热量，控制低熔点合金在达到熔点后吸收或释放的潜热的热量，从而实现对低熔点合金在潜热阶段固相和液相的比例控制。合金的固液比例在不断降低或升高，随着合金固相比例的下降，合金的刚度不断降低，因此通过调节合金加热提供热量和水冷却带走的热量，控制合金在达到熔点后吸收或释放的热量，从而实现对合金在潜热阶段固相和液相的比例控制，以实现刚度的无极调控。

本发明还提供了一种低熔点合金变刚度温度控制结构，包括气动软体驱动器，和与所述气动软体驱动器内/外表面贴合固定的变刚度层，所述变刚度层内封装有低熔点合金，所述低熔点合金通过上述的一种低熔点合金变刚度温度控制方法实现快速融化和凝固。

通过上述技术方案，本发明针对软体机械结构主流的干扰变刚度方式刚度小与低熔点合金变刚度方式反应慢的特点，提出了一种基于热量控制的低熔点合金变刚度温度控制结构，该种控制结构基于共晶低熔点合金相变过程需要在达到熔点后需要吸收或释放潜热的特点，通过控制供热量和耗热量，将合金的温度维持在低于熔点(固相)或高于熔点(液相)0.5摄氏度，此时合金只需在吸收或者释放潜热和使合金升高或降低一度的热量即可完成相变。基于热量控制低熔点合金相变，在潜热阶段还可以使合金的固相和液相比例保持不变，从而实现现有方法无法实现的无级刚度调节。

优选的，在上述一种低熔点合金变刚度温度控制结构中，所述气动软体驱动器为封闭的二分之一波纹膨胀管结构，所述气动软体驱动器一端具有与其内腔连通的气管。当通过气管充气或抽气时能够使得二分之一波纹膨胀管结构发生弯曲和伸直动作。

优选的，在上述一种低熔点合金变刚度温度控制结构中，所述变刚度层包括硅胶包裹层，所述硅胶包裹层与所述气动软体驱动器内/外表面贴合固定，所述硅胶包裹层内部形成有两个冂型腔室，外侧的所述冂型腔室内封装有低熔点合金与加热丝，内侧的所述冂型腔室内设有冷却水流动管道。低熔点合金与加热丝封装在同一个冂型腔室内，冷却水流动管道单独一个冂型腔室，硅胶包裹层将所有结构包裹在一起。

优选的，在上述一种低熔点合金变刚度温度控制结构中，所述低熔点合金加热方式为焦耳加热，利用铜丝、碳纤维丝等作为加热体，通过调节电压保持加热功率稳定；所述低熔点合金冷却方式为水对流冷却方式，通过控制水流速和冷却水温度，控制水冷效率。合金整体加热功率(供热量)保持不变，改变冷却(耗热量)效率来控制合金内的整体热量。

优选的，在上述一种低熔点合金变刚度温度控制结构中，通过调整低熔点合金加热的功率和所述冷却水流动管道内冷却液体的温度和流速，控制低熔点合金的温度和内部热量与相变的发生；通过调整热量的供给和损失，控制低熔点合金的固液比例，从而表现出不同的刚度。

本发明还提供了一种软体机械手，包括安装架，和连接在所述安装架上的多个上述的低熔点合金变刚度温度控制结构。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种低熔点合金变刚度温度控制方法及结构和软体机械手，具有以下有益效果：

1、本发明区别于现有低熔点合金的变刚度方式，利用共晶合金熔化过程中抵达熔点时，还需要吸收一定热量才能完全熔化的特点，将合金温度维持在略低于或刚好抵达熔点温度的状态，只需要再加热一段时间就能使合金熔化，同理可以实现快速冷却凝固，能够大大降低低熔点合金的相变所需时间。

2、本发明区别于现有低熔点合金变刚度方式，利用共晶合金熔化或凝固时抵达熔点，还需要吸收或释放一定热量才能发生熔化或凝固的特点，将合金温度维持在熔点温度，控制合金吸收或者释放的热量，实现对刚度的无级调控。

3、本发明区别于现有变刚度夹爪，低熔点合金的变刚度方式不仅有效地实现较高的刚度调节，而且集成在内部的合金在液态时对夹爪的运动影响远小于颗粒、层线等干扰变刚度方式。

4、本发明变刚度方式适用于所有需要刚度调节提升性能的软体机器人，尤其是需要实现负载操作的软体机械臂和具有较大工作空间的软连续体机器人。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的低熔点合金的熔化曲线(时间-温度)；

图2附图为本发明提供的低熔点合金在潜热阶段的固相和液相比例变化；

图3附图为本发明提供的低熔点合金变刚度温度控制结构的示意图；

图4附图为本发明提供的低熔点合金变刚度温度控制结构的内部结构示意图；

图5附图为本发明提供的变刚度层固体比例降低使刚度降低；

图6附图为本发明提供的低熔点合金变刚度温度控制结构的工作过程；

图7附图为本发明提供的软体机械手抓取前状态；

图8附图为本发明提供的软体机械手抓取完成状态。

其中：

1-气动软体驱动器；

11-气管；

2-变刚度层；

21-硅胶包裹层；22-冂型腔室；23-加热丝；24-冷却水流动管道；

3-安装架；

4-被抓取物体。

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。

实施例1：

参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种低熔点合金变刚度温度控制方法，核心在于通过不断间歇性的加热和冷却将低熔点合金温度控制在低于熔点温度0.5℃(固相)或高于熔点温度0.5℃(液相)，如图1所示。在需要改变合金状态时，只需要降低合金冷却的效率使合金吸收一级相变所需的潜热，从固相转变为液相；或提高合金外围冷却装置的效率，将合金内部相当于一级相变潜热的热量通过冷却装置释放，从液相转变为固相。整个相变过程的温度和气压保持不变，发生相变的过程中只有热量的吸收或释放，提高加热效率和冷却效率可以有效降低反应时间。

低熔点合金吸收热量和释放热量的过程中，如图2所示，合金的固液比例在不断降低或升高，随着合金固相比例的下降，合金的刚度不断降低，因此通过调节合金加热提供热量和水冷却带走的热量，控制合金在达到熔点后吸收或释放的热量，从而实现对合金在潜热阶段固相和液相的比例控制，以实现刚度的无极调控。

实施例2：

参见附图3，本发明实施例公开了一种低熔点合金变刚度温度控制结构，包括上下两层，如图3所示，上层为硅胶制成用于实现弯曲功能的快速气动网格结构的软体驱动器，下层则为硅胶封装的用于实现刚度调整的低熔点合金变刚度层。

变刚度层2包括低熔点合金、加热丝23和冷却水流动管道24三个部分，如图4所示，低熔点合金与加热丝23封装在同一个冂型腔室22内，冷却水流动管道24单独一个冂型腔室22，硅胶包裹层21将所有结构包裹在一起。加热丝23通电后，利用焦耳加热的原理，利用热传导的方式将热量传递给低熔点合金，使其熔化；冷却水流动管道24内通入水流或冷却液，利用对流的方式将合金的热量释放带走。通过调整合金加热的功率和冷却水流动管道24内冷却液体的温度和流速，控制低熔点合金的温度和相变的发生。

通过调整合金加热的功率和冷却水流动管道24内冷却液体的温度和流速，控制低熔点合金的温度、内部热量与相变的发生，如图5所示，通过调整热量的供给和损失，变刚度层2内合金的固液比例可以被控制，从而表现出不同的刚度。

变刚度层2中的低熔点合金常态下处于液相，如图6所示，机械手能够随意产生弯曲运动，当需要较高刚度时，合金温度降低进入熔点并释放潜热阶段热热量，状态由液相转变为固相，驱动器刚度提高。

实施例3：

参见附图7和附图8，本发明实施例公开了一种软体机械手，包括安装架3，和连接在安装架3上的多个实施例2的低熔点合金变刚度温度控制结构，多个低熔点合金变刚度温度控制结构环状均匀布置在安装架3的外侧。

本实施例的软体机械手为四个结构完全相同的低熔点合金变刚度温度控制结构组装而成，其能够实现对于抓取范围内不同形状物体和不同重量物体的稳定抓取。

在常态下，低熔点合金变刚度温度控制结构的变刚度层2中的合金均处于液相，此时机械手处于自由状态，此时加热丝23供给的热量与冷却液体带走内部热量差值将合金热量维持在高于熔点0.5摄氏度。如图7所示，机械手定位被抓取物体4，其四个低熔点合金变刚度温度控制结构处于垂直状态，向四个气动软体驱动器1内充入气体将物体包裹，如图8所示，在机械手将机器人完全固定后，开始进行相变变刚度。不改变机械手加热的功率和供给的热量，降低软体爪冷却液体的温度或者提高冷却液体的流速，提高冷却液体带走的合金热量。温度在降低到熔点后继续冷却，将合金的潜热阶段的热量全部释放，后继续降温至低于熔点0.5摄氏度，此时重新调节冷却效率，将合金温度维持在低于熔点0.5摄氏度，软体爪进入高刚度状态。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。