[发明专利]一种液态金属外骨骼关节

说明书

技术领域

本发明属于外骨骼技术领域，特别涉及一种液态金属外骨骼关节。

背景技术

外骨骼技术近年来在军事，医疗康复等领域得到了广泛的应用。随着轻量化合金材料的应用以及电机的微型化，外骨骼的体积和重量也不断降低。外骨骼分为主动式与被动式两种，其中主动式外骨骼是通过电机或液压助力，使得使用者能够具有超常的力量，或者是帮助肢体瘫痪者能够一定程度上恢复自主运动。被动式外骨骼主要是用于患者的肢体固定或强化，其没有驱动器件如电机或液压装置，主要特点是可以在可动状态和不可动状态之间进行切换，处于可动状态时，不会限制使用者的运动，当处于不可动状态时，则可以对肢体进行固定，或者是通过将压力传递到其他位置，帮助使用者进行休息或者是能够搬运较重的物体。

对于被动式外骨骼而言，能够切换可动状态的关节是最为重要的部件，传统的可切换关节多使用机械锁定结构，利用机械结构的设计，配合电机等实现状态的切换。机械锁定结构的设计往往较为复杂，且其强度也会根据设计的不同而有着较大的差异。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液态金属外骨骼关节，利用室温液态金属的相变特性及其固化后剪切应力增加的特点，结合被动式外骨骼的需求，实现了能够在可动与不可动状态之间切换的外骨骼关节，其有着切换速度快，结构简单，重量轻，强度高等优点；能够用于被动式外骨骼中手臂或腿部关节，也可以配合主动式外骨骼进行使用，帮助实现轻量化的外骨骼设计。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种液态金属外骨骼关节，包括：

旋转关节结构；

设置于旋转关节结构旋转节点处的液态金属相变材料；

设置于液态金属相变材料外用于对其进行密封的柔性包裹层；

以及，

控制液态金属相变材料温度的温控设备；

通过控制液态金属相变材料的温度，实现液态金属相变材料在液态和固态间的转换，从而实现外骨骼关节在可动和不可动状态之间的切换。

所述旋转关节结构包括导热片，导热片为多层交叠设计，其中间有孔洞，插入轴后形成旋转关节结构，所述温控设备作用于导热片，通过导热片的传热作用控制液态金属相变材料的温度。

所述温控设备包括热量交换空腔，热量交换空腔与导热片连接，通过改变热量交换空腔内的温度，实现对导热片温度的控制。

所述热量交换空腔连接有流体管道，流体管道内有传热流体，流体管道上设置与控制电路连接的流体泵和流体控温装置，通过流体泵控制传热流体在流体管道和热量交换空腔内循环流动，流体控温装置控制传热流体的温度。

所述导热片和热量交换空腔所用材料为具有一定强度和良好导热性能的金属、合金或塑料；所述传热流体为具有一定比热容的流体物质，传热流体被流体泵驱动，可以通过流体管道在流体控温装置以及热量交换空腔之间循环流动，并通过传热改变导热片的温度。

所述导热片和热量交换空腔所用材料为铜、铁、金、银、锌、铅，或者是参杂了金属颗粒或纤维的塑料；所述传热流体为水、油类物质或水溶液；所述柔性包裹层的材料为弹性有机高分子材料；所述液态金属相变材料为熔点在室温范围内的镓金属或镓基合金，能够与导热片浸润，可根据不用应用场合下对金属机械强度以及熔点的要求进行选取。

所述流体控温装置带有加热和制冷功能，控制传热流体的温度范围在-50℃到100℃之间；所述控制电路根据需要控制流体泵的开关以及流体控温装置的制冷或加热，实现对液态金属相变材料的温度调节，进而改变外骨骼关节的可活动/不可活动的状态。

所述热量交换空腔有两个，连接在两个热量交换空腔之间的多层导热片相互交叠，导热片一端插入一个热量交换空腔内，能够与传热流体相接触，另一端浸润液态金属相变材料且与另一个热量交换空腔上的导热片铰接。

所述柔性包裹层对液态金属相变材料进行密封，避免其在液态时漏出；柔性包裹层连接在两个热量交换空腔之间，将导热片以及液态金属相变材料包裹在内部。

所述热量交换空腔与导热片相连接并组成关节主体，并在外骨骼应用于用于连接并固定手臂或腿部，热量交换空腔具有内部空腔结构，能够流入传热流体，并改变导热片的温度。

与现有技术相比，本发明实现了一种可用于被动式外骨骼的关节设计，能够在可动状态与不可动状态之间快速切换，同时具有结构简单，强度高以及重量轻的特点，有望在军事、医疗、机器人设计等领域获得应用。

附图说明