基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人制造技术

一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，属于软体机器人技术领域。本发明专利技术针对现有软连续体机器人控制精度差、难以小型化，在经自然腔道进入人体的过程中，容易造成血管破裂、组织损伤的问题。包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。本发明专利技术可实现机器人形状的主动管控。动管控。动管控。

【技术实现步骤摘要】
基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人


[0001]本专利技术涉及基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，属于软体机器人


技术介绍

[0002]目前软体机器人的驱动形式主要包括柔性流体驱动、形状记忆聚合物驱动、磁驱动以及电化学驱动等。其中利用柔性材料流体驱动的机器人存在易刺穿、不节能以及高故障的缺点；形状记忆聚合物驱动的机器人存在的缺点是能量效率低、非线性、宽滞后、控制困难、机械疲劳明显；磁驱动机器人的缺点是需要大型磁驱装置来供电和控制，空间不均匀磁场使软体机器人控制更加复杂；电化学驱动机器人的缺点在于驱动速度慢，通常仅限于使用在潮湿环境或水下工作。
[0003]北航文力等人利用气压驱动设计并制作了一种软体抓手，该软体抓手采用四个软体驱动器模块组装而成；其中每个软体驱动器分别具有两种工作模式：向内弯曲模式和向外弯曲模式。通过控制软体驱动器内部输入气压的大小可以实施不同的工作模式并完成对不同物体的抓取。但是气动软体机器人由于结构复杂，很难做到小型化。苏黎世联邦理工学院Bradley Nelson等人利用SMP设计了一种亚毫米级4D机器人，该机器人有两个数量级的模量变化，可以轻松的在开放空间中操作；由于材料的生物相容性和操作的灵活性，该机器人在人体介入手术中有潜在的应用。但该机器人制备工艺复杂，机械疲劳明显。

技术实现思路

[0004]针对现有软连续体机器人控制精度差、难以小型化，在经自然腔道进入人体的过程中，容易造成血管破裂、组织损伤的问题，本专利技术提供一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人。
[0005]本专利技术的一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；
[0006]两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；
[0007]主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；
[0008]通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。
[0009]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，两根硅胶管的具体运动过程包括：
[0010]首先锁定随动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制主动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使主动硅胶管变软，再借助外力推动主动硅胶管使其头部探出；控制外磁场与所述头部的永磁体发生作用，使主动硅胶管发生变形；再锁定主动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制随动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使随动硅胶
管变软，再借助外力推动随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动；如此交替控制实现两根硅胶管的交替运动。
[0011]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，对于两根并行排布的硅胶管：
[0012]每根硅胶管的内腔填充液态金属，加热丝由硅胶管末端进入并延伸至硅胶管前端；加热丝的两个连接端处于硅胶管末端口以外用于连接电源；
[0013]主动硅胶管内部的加热丝与永磁体之间具有间隙；
[0014]每根硅胶管的两端采用密封材料密封；
[0015]随动硅胶管外表面并行粘接套管，所述套管用于套接主动硅胶管，并跟随主动硅胶管的变形。
[0016]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，两根并行排布的硅胶管的外表面均设置润滑涂层。
[0017]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，对于两根同轴套接的硅胶管：
[0018]内硅胶管作为主动硅胶管，内腔填充液态金属；加热丝由主动硅胶管末端进入并延伸至前端，加热丝与永磁体之间具有间隙；加热丝的两个连接端处于主动硅胶管末端口以外用于连接电源；
[0019]外硅胶管作为随动硅胶管具有夹层结构，形成外管内腔和夹层腔；主动硅胶管设置于外管内腔；加热丝由随动硅胶管末端进入夹层腔并沿夹层腔均匀延伸至前端；加热丝的两个连接端处于随动硅胶管末端口以外用于连接电源；
[0020]主动硅胶管的两端采用密封材料密封；随动硅胶管的夹层腔两端采用密封材料密封。
[0021]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，随动硅胶管夹层腔内的加热丝呈螺旋线布设。
[0022]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，主动硅胶管的外表面设置润滑涂层；随动硅胶管的内外表面均设置润滑涂层。
[0023]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，润滑涂层的涂覆方法为：
[0024]将硅胶管浸入PVP溶液中，取出后用紫外光灯照射，使硅胶管侧壁携带的PVP溶液在硅胶管侧壁上形成具有亲水特性的水凝胶涂层，作为润滑涂层。
[0025]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，所述密封材料为环氧树脂。
[0026]根据本专利技术的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，在机器人工作过程中，使机器人表面温度保持在42℃以下；
[0027]对机器人表面温度的监测方法为：
[0028]预先测量获得机器人整体电阻变化与表面温度的映射关系，并获得机器人表面温度在42℃时对应的机器人整体电阻阈值；
[0029]在机器人工作过程中，监测机器人整体电阻，基于映射关系确定当前机器人表面温度；当机器人整体电阻达到阈值时，利用PID调节加热丝的加热电流，使机器人整体电阻
向机器人表面温度减小的方向变化，从而使机器人表面温度保持在42℃以下。
[0030]本专利技术的有益效果：本专利技术所述机器人基于液态金属相变和头部跟随模式实现机器人的柔性软连续运动，它利用液态金属大刚度比和交替运动、互为支撑的头部跟随运动模式来实现三维空间内主动顺应的任意形状部署。
[0031]本专利技术所述机器人在液态金属的大刚度比和磁导航下，可实现柔性转向和形状锁定，从而可以主动顺应的通过大曲率血管。
[0032]本专利技术所述机器人通过同心或并行的结构实现对自身形状锁定，两部分硅胶管可以交替运动，互为支撑，从而实现机器人头部跟随的运动模式。在这种运动模式下，机器人可穿过人体复杂腔道，进入相对开放的空腔中并主动变形成复杂的功能化三维结构，并不会对人体组织造成损伤。
[0033]本专利技术所述机器人可对自身的形状进行主动管理，在实现了小型化的同时，可实现更高的控制精度；它在经过大曲率血管时，能够不与血管臂产生径向作用力而主动变形，可防止钙化血管破裂，降低手术的风险。
附图说明
[0034]图1是本专利技术所述基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人的运动过程示意图；
[0035]图2是本专利技术所述基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人的制备流程示意图；图中1为加热丝，2为液态金属，3为环氧树脂，4为永磁体，5为水凝胶涂层；
[0036]图3是两根硅胶管并行排布时，套管与其中一个硅胶管通过硅胶粘接的状态示意图；
[0037]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于包括两根相同并且并行排布的硅胶管或者两根同轴套接的硅胶管；其中一根硅胶管作为主动硅胶管，另一根硅胶管作为随动硅胶管；两根硅胶管内均填充液态金属，并设置加热丝；主动硅胶管内部液态金属填充腔的前端头部设置永磁体；通过控制加热丝为液态金属加热，并配合外磁场与永磁体的作用，使主动硅胶管向前运动，并使随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动。2.根据权利要求1所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，两根硅胶管的具体运动过程包括：首先锁定随动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制主动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使主动硅胶管变软，再借助外力推动主动硅胶管使其头部探出；控制外磁场与所述头部的永磁体发生作用，使主动硅胶管发生变形；再锁定主动硅胶管的位置与形状，使其在原位支撑；控制随动硅胶管内的加热丝通电为液态金属加热，使随动硅胶管变软，再借助外力推动随动硅胶管跟随主动硅胶管的运动；如此交替控制实现两根硅胶管的交替运动。3.根据权利要求2所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，对于两根并行排布的硅胶管：每根硅胶管的内腔填充液态金属，加热丝由硅胶管末端进入并延伸至硅胶管前端；加热丝的两个连接端处于硅胶管末端口以外用于连接电源；主动硅胶管内部的加热丝与永磁体之间具有间隙；每根硅胶管的两端采用密封材料密封；随动硅胶管外表面并行粘接套管，所述套管用于套接主动硅胶管，并跟随主动硅胶管的变形。4.根据权利要求3所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，两根并行排布的硅胶管的外表面均设置润滑涂层。5.根据权利要求2所述的基于液态金属的可变刚度柔性软连续体机器人，其特征在于，对于两根同轴套接的硅胶管：内硅胶管作为主动硅胶管，内腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晖，张号，杨鹏，毛立阳，田陈堯，孟祥和，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：