一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人

本发明属于水陆两栖移机器人的，尤其涉及一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人。

背景技术：

1、现有技术中移动机器人一般会选择电机、sma等作为驱动装置设计相应的移动机器人，通过驱动装置带动其不断向前滚动。然而，目前移动机器人的驱动方式相对较少，并且存在这结构复杂、体积大、控制难、运动性能不佳等问题。

2、室温液态金属是室温下为液态的金属或合金，兼具流体和金属的特性。作为液体，液态金属具有粘度低、表面张力大的特点；作为金属，液态金属具有良好的导电性和导热性。目前常用的液态金属为镓基液态金属，如共晶镓铟合金、镓铟锡合金。由于其特殊的理化性质，镓基液态金属多被应用于微流体器件，在微机电系统、生物医学、智能可穿戴设备、传感器、微通道冷却、增材制造等领域得到广泛应用。

3、液态金属在电场作用下具有较大可控表面张力梯度，因而具备良好的驱动性能，且运动过程中具有极低的功耗和滚动摩擦力，在承受机械冲击时表现出非凡的力学性能。此外，以液态金属为驱动来源具有传动链短、结构简单、控制灵活、噪音小等优点。因此，液态金属良好的驱动性能使其有望作为一种驱动源，为小型化机械装置提供新的驱动方式。但是目前现有技术利用液态金属作为驱动方式带动移动机器人运动仅适用于单一环境中，适用范围比较局限。

4、因此，亟需解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，利用陆地马达和喷射式马达分别作为驱动源，实现移动机器人的水陆两栖。

2、技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，包括壳体、位于壳体两侧且通过轴与壳体相连的四组驱动轮、对称设置于壳体两侧且用于在液体环境下驱动壳体移动的喷射式马达、位于驱动轮上且用于在陆地上带动驱动轮转动的陆地马达，其中陆地马达包括与轴相连且具有两个竖直设置支架臂的电极支架、位于支架臂外侧的方形电极、位于驱动轮内的电解液以及位于电解液内且位于两个支架臂之间的第一液态金属液滴，在地面环境下，施加电场前第一液态金属液滴处于驱动轮的最低点，方形电极接通电源，第一液态金属液滴处于电解液内，第一液态金属液滴被拉伸，向电源负极运动，沿驱动轮上升改变驱动轮重心，产生转矩使驱动轮滚动，带动机器人前进。

3、其中，喷射式马达包括并排开设有多道槽口的驱动块、间隔位于槽口内且设置于驱动块上的两个电极支柱、固定于电极支柱内的圆柱电极以及位于两个电极支柱之间的第二液态金属液滴，其中槽口的入口宽于出口，电极支柱为一侧开口的空心圆柱，两个电极支柱的开口分别朝向槽口的入口与出口，在电解液环境下，施加电场前漂浮在电解液表面，第二液态金属液滴和槽口底部浸没在电解液中，圆柱电极接通电源，由于第二液态金属液滴被电极支柱限制无法移动而产生压力差，压力差将电解液从槽口入口端吸入，并推动电解液向槽口出口方向流动，喷出射流，推动机器人前进。

4、优选的，驱动轮通过轴承与轴相连，轴承外圈和驱动轮通过过盈配合的方式固定连接，轴承内圈和轴通过过盈配合的方式固定连接。

5、再者，驱动轮包括位于驱动轮中心处的内圆环、与内圆环外周相连的外轮缘、与外轮缘外边沿相连的侧壁以及位于内圆环上的镂空结构，其中内圆环、外轮缘和侧壁围成可容纳电解液的驱动轮凹槽。

6、进一步，壳体上开设有壳体凹槽，该壳体凹槽内设置有电池和控制电路，方形电极和圆柱电极分别通过导线与电池和控制电路相连，控制电路包括电源输入端、电压调节装置、蓝牙继电器、pwm方波信号生成器、继电器和电源输出端，地面环境移动控制电路连接顺序为电源输入端、电压调节装置、蓝牙继电器和电源输出端；电解液环境移动控制电路连接顺序为电源输入端、电压调节装置、蓝牙继电器、pwm方波信号生成器、继电器和电源输出端。

7、优选的，电极支架包括与轴通过过盈配合的方式固定连接的空心圆柱、与空心圆柱相连且对称设置在两侧的支架臂以及开设于支架臂上用于放置方形电极的支架凹槽，其中支架臂的上端为v型结构，下端为竖直棱柱。

8、再者，方形电极和圆柱电极的材料为石墨或铂。

9、进一步，电解液为氢氧化钠电解液。

10、优选的，第一液态金属液滴为镓铟液态金属液滴。

11、再者，第二液态金属液滴为镓铟液态金属液滴。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：(1)本发明在地面环境下，将第一液态金属液滴置于驱动轮内部作为驱动源，第一液态金属液滴在电场作用下产生表面张力梯度引发马兰戈尼对流而运动，沿驱动轮凹槽上升，结合变重心机制产生转矩，转矩引发驱动轮滚动进而使机器人前进；(2)本发明在电解液环境下，将第二液态金属液滴置于喷射式马达内部作为驱动源，在电场作用下，第二液态金属液滴表面产生张力梯度，由于第二液态金属液滴被限制住无法产生运动，第二液态金属液滴两端产生压力差，进而推动电解液从马达入口向出口流动，入口大出口小的结构导致出口处流速增大，马达的出口一侧喷出射流，进而产生推力使机器人前进；(3)本发明相较于传统移动机器人，结构简单，整体体积小，重量轻，便于安装与控制，兼具地面环境移动和液体环境移动功能。

技术特征：

1.一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：包括壳体(1)、位于壳体两侧且通过轴与壳体相连的四组驱动轮(2)、对称设置于壳体两侧且用于在液体环境下驱动壳体移动的喷射式马达、位于驱动轮上且用于在陆地上带动驱动轮转动的陆地马达，其中陆地马达包括与轴(11)相连且具有两个竖直设置支架臂的电极支架(3)、位于支架臂外侧的方形电极(4)、位于驱动轮内的电解液以及位于电解液内且位于两个支架臂之间的第一液态金属液滴(6)，在地面环境下，施加电场前第一液态金属液滴处于驱动轮的最低点，方形电极接通电源，第一液态金属液滴处于电解液内，第一液态金属液滴被拉伸，向电源负极运动，沿驱动轮上升改变驱动轮重心，产生转矩使驱动轮滚动，带动机器人前进。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述喷射式马达包括并排开设有多道槽口(13)的驱动块(12)、间隔位于槽口内且设置于驱动块上的两个电极支柱(14)、固定于电极支柱内的圆柱电极(7)以及位于两个电极支柱之间的第二液态金属液滴(8)，其中槽口的入口宽于出口，电极支柱为一侧开口的空心圆柱，两个电极支柱的开口分别朝向槽口的入口与出口，在电解液环境下，施加电场前漂浮在电解液表面，第二液态金属液滴和槽口底部浸没在电解液中，圆柱电极接通电源，由于第二液态金属液滴被电极支柱限制无法移动而产生压力差，压力差将电解液从槽口入口端吸入，并推动电解液向槽口出口方向流动，喷出射流，推动机器人前进。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述驱动轮通过轴承(5)与轴相连，轴承外圈和驱动轮通过过盈配合的方式固定连接，轴承内圈和轴通过过盈配合的方式固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述驱动轮(2)包括位于驱动轮中心处的内圆环(201)、与内圆环外周相连的外轮缘(202)、与外轮缘外边沿相连的侧壁(203)以及位于内圆环上的镂空结构(205)，其中内圆环、外轮缘和侧壁围成可容纳电解液的驱动轮凹槽(204)。

5.根据权利要求2所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述壳体上开设有壳体凹槽(15)，该壳体凹槽(15)内设置有电池(9)和控制电路(10)，方形电极和圆柱电极分别通过导线与电池和控制电路相连，控制电路包括电源输入端、电压调节装置、蓝牙继电器、pwm方波信号生成器、继电器和电源输出端，地面环境移动控制电路连接顺序为电源输入端、电压调节装置、蓝牙继电器和电源输出端；电解液环境移动控制电路连接顺序为电源输入端、电压调节装置、蓝牙继电器、pwm方波信号生成器、继电器和电源输出端。

6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述电极支架(3)包括与轴(11)通过过盈配合的方式固定连接的空心圆柱(301)、与空心圆柱相连且对称设置在两侧的支架臂(302)以及开设于支架臂上用于放置方形电极的支架凹槽(303)，其中支架臂(302)的上端为v型结构，下端为竖直棱柱。

7.根据权利要求2所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述方形电极(4)和圆柱电极(7)的材料为石墨或铂。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述电解液为氢氧化钠电解液。

9.根据权利要求1所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述第一液态金属液滴(6)为镓铟液态金属液滴。

10.根据权利要求2所述的一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，其特征在于：所述第二液态金属液滴(8)为镓铟液态金属液滴。

技术总结本发明公开了一种基于液态金属驱动的水陆两栖移动机器人，包括壳体、四组驱动轮、对称设置于壳体两侧且用于在电解液环境下驱动壳体移动的喷射式马达、用于在陆地上带动驱动轮转动的陆地马达，其中陆地马达包括具有两个竖直设置支架臂的电极支架、位于支架臂外侧的方形电极、电解液以及位于电解液内且位于两个支架臂之间的第一液态金属液滴，在地面环境下，施加电场前第一液态金属液滴处于驱动轮的最低点，方形电极接通电源，第一液态金属液滴处于电解液内，第一液态金属液滴被拉伸，向电源负极运动，沿驱动轮上升改变驱动轮重心，产生转矩使驱动轮滚动，带动机器人前进。本发明利用陆地马达和喷射式马达实现移动机器人的水陆两栖。技术研发人员：齐鑫宇,项楠受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10