[发明专利]一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性可变形机器人，具体涉及一种基于液态金属电磁致 动的可变形柔性机器人。

背景技术

一般而言，机器人往往由刚性材料制造而成，依靠杠杆原理实现肢体的 运动。而在一些特殊的环境中，这些刚性结构阻碍机器人完成任务。由柔性 材料制造而成的柔性机器人则由于其材料的高顺应性而具有灵活的变形能力 以及对各种复杂环境的适应性。因此，柔性机器人在军事侦察和地震救援等 方面有着十分广阔的应用前景。制造柔性机器人的关键在于柔性变形材料的 选取。近些年来，研究人员逐步将许多可变形柔性材料应用于柔性机器人的 制造，例如充气橡胶、介电弹性体、电致伸缩弹性体、碳纳米管和聚合物纤 维等。与此同时，各种驱动策略也相继应用于软体机器人的设计，如电磁力、 气压、液压、温控等。其中，由于电磁驱动装置具有控制原理简单，可以实 现微型化的优点，许多研究人员将其应用于微型软体机器人的设计。一些研 究人员利用磁铁和通电线圈的相互作用力实现机器人的运动。例如，仿生电 磁致动机器鱼和多自由度电磁致动机器蛇等。

尽管电磁致动机器人具有很高的变形能力和顺应性，但是附着于柔性材 料上的刚性线圈降低了机器人的变形能力。选取合适的柔性导电材料代替传 统的刚性线圈可以成为制造完全柔性机器人的一种解决方案。

镓铟烯合金是一种在常温下保持液态的一类合金，具有良好的导电性和 较低的凝固点。这些特性使得液态金属在柔性传感器、可伸缩器件等方面有 着广阔的应用前景。如作为可穿戴设备之间的电气连接部件以及用于制造柔 性压力传感器、柔性电感和可拉伸扬声器等。

利用液态金属在制造柔性电子方面独特的优势，研究人员发展出一系列 液态金属电路的加工工艺。基于液态金属的流体特性，采用微加工领域常见 的光掩模技术制造的微流道是一种常见的液态金属柔性电路制备工艺。此外， 清华大学微纳医学实验室基于喷墨打印原理发展的液态金属电路喷涂技术进 一步简化了液态金属柔性电路的制备工艺，提高柔性电路的制备效率。同样， 该实验室开发的液态金属平面打印技术则可以实现液态金属电路制作的完全 自动化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种基于液态 金属电磁致动的可变形柔性机器人，该球形机器人能够实现任意变形，具有 大范围的轴向和径向拉伸变形能力，使机器人可以适应更加复杂的环境。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于液态金属电磁致动的可变形柔性机器人，包括：呈球型的柔性 聚合物薄膜、柔性聚合物薄膜内的带有内腔的固定装置和控制系统；所述柔 性聚合物薄膜由若干个内部封装有液态金属线圈多边形薄膜单元拼接而成； 所述固定装置表面固定有与液态金属线圈一一对应的电磁线圈，所述固定装 置表面还设置有用于支撑柔性聚合物薄膜的支撑结构；所述控制系统设置在 固定装置内腔中，用于检测和控制各多边形薄膜单元的变形形态；所述液态 金属线圈通过液态金属柔性导线与控制系统相连接。

进一步的，所述控制系统包括单片机，所述单片机连接有信号传输模块、 线圈使能电路、磁场控制电路、用于检测液态金属线圈形态变化的形态检测 电路和电源模块。

进一步的，所述单片机采用MSP430低功耗单片机。

进一步的，所述信号传输模块采用蓝牙传输，并与PC端进行数据通信。

进一步的，所述支撑结构包括4个对称设置的连接柱，所述连接柱的一 端连接在固定装置一侧的圆弧面内，另一端与柔性聚合物薄膜相连接；所述 固定装置通过4个连接柱固定在柔性聚合物薄膜内中心处。

进一步的，所述多边形薄膜单元包括边长相等的20块六边形和12块五 边形薄膜单元。

进一步的，所述柔性聚合物薄膜厚度为1mm。

进一步的，所述柔性聚合物薄膜采用硅胶薄膜或聚二甲基硅氧烷薄膜。

进一步的，所述液态金属线圈采用在室温条件下具有流动性的液态金属 或合金。

进一步的，所述液态金属合金采用镓铟合金，包括75.5％的镓和24.5％ 的铟。