[发明专利]一种刚性柔性可切换的机械手

说明书

一种刚性柔性可切换的机械手，包括弹性高分子机械手，液态金属填充材料，控温流体，流体管道，制冷模块，加热模块、控制模块、流体泵、传感模块以及数据处理模块。其中流体管道位于弹性高分子机械手内部，液态金属材料以及控温流体可以通过流体管道进入弹性高分子机械手内部，温度控制模块能够降低或升高液态金属填充材料的温度，使得液态金属填充材料能够在固态与液态之间进行相变的切换，从而让机械手能够改变自身的刚性。本发明拓展了机械手的应用领域，既可以抓取软体材料，也可以抓取刚性物体。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种刚性柔性可切换的机械手。

背景技术

液态金属是一种熔点在300℃以下的金属材料，在低温下呈现固体金属性状而在常温或高温下呈现液体形态。液态金属通常以镓金属及其合金为主，包括镓铟合金以及镓铟锡合金等。其具有良好的导电性能以及导热性能，同时具有金属光泽，在液体状态下具有良好的流动性能以及表面张力等特性。液态金属具有一定的浸润性，利用液态金属墨水，可以制成柔性力学传感器，也可以结合其导电性能以及流动性能制成可直接使用电力驱动的电磁泵。

机械手在机器人领域是一种重要的执行器，能够实现对物体的抓握，搬运或其他操作。传统机械手多为刚性零部件通过活动关节连接，自由度数有限且整体结构刚度较高，在操作一些易损坏的物体如生物样本材料，软体材料等，往往不能施加合适的力度，因而适用范围有限。

在传统机械手的基础上，柔性机器人以及柔性机械手的概念应运而生。柔性机械手以柔性材料如硅胶、橡胶等制成，能够在受到外力作用时产生一定的形变，从而避免了对被抓取物体的伤害。从驱动方式上，柔性机械手也与传统机械手的电机不同，主要的驱动方式有气动、液动或线驱动三种。气动或液动驱动中，在柔性机械手的内部有经过设计及排列的中空腔室，当内部填充压力后，腔室发生膨胀，相互挤压导致机械手产生弯曲，从而形成开合动作。

但现有柔性机械手也有其弊端，因为整体结构由柔性材料构成，所以在抓取一些较重的物体时，机械手形变过大，会导致抓取失败，物体脱落。传统机械手和柔性机械手各有优劣与适用范围，但目前还没有能够将二者的优点进行结合的机械手。

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刚性柔性可切换的机械手，结合柔性机械手和液态金属材料的相变特性，在现有气动或液压驱动的柔性机械手的基础上，添加了液态金属相变材料，配合加热模块或制冷模块，在柔性结构的基础上，能够通过温度控制，改变机械手的刚性，使机械手可在柔性和刚性之间切换，从而能够实现兼顾抓取柔软易损坏的物体以及抓取较重的物体的需求；当处于柔性状态时，可以抓取生物样本等软体材料且不会对样本产生损伤；当处于刚性状态时，可以抓取较重或较硬的物体，不会产生过量形变从而导致抓取失败。本发明可以进一步扩展到柔性机械臂等结构上，从而拓展现有机械臂及机械手的适用领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种刚性柔性可切换的机械手，包括弹性高分子机械手，弹性高分子机械手内部设置有流体管道，控温流体通过流体管道进入弹性高分子机械手内部，液态金属材料通过另一流体管道进入弹性高分子机械手内部，或者，液态金属材料位于弹性高分子机械手内部的腔室内，通过制冷模块与加热模块降低或升高控温流体以及液态金属填充材料的温度，使液态金属填充材料在固态与液态之间进行相变切换，利用流体泵将液态金属填充材料以及控温流体泵送至弹性高分子机械手内部。

所述弹性高分子机械手所用材料为硅胶、橡胶、硅橡胶或其他弹性聚合物材料，具有多个手指状结构，在内部填充压力或外力作用下能够发生形变；内部有流体管道以及多个沿机械手臂长度方向排列的腔室。