CN109648584A - 基于磁流体的软球机器人的控制平台 - Google Patents

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吴羽
肖俊龙
李志强
胡威
许志鹏
黄伙球
黄文恺
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  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及机器人控制技术，为基于磁流体的软球机器人的控制平台，包括框架、设置在框架上的移动平台和安装在框架上方的静平台，软球机器人位于静平台上；框架上设有X轴移动组件、Y轴移动组件、Z轴移动组件、X轴电机、Y轴电机及Z轴电机，X轴电机驱动X轴移动组件运动，Y轴电机驱动Y轴移动组件运动，Z轴电机驱动Z轴移动组件运动；移动平台上设有电磁铁，移动平台通过Z轴移动组件与Z轴电机连接，Z轴电机串接在X轴移动组件上，X轴移动组件的两端串接在Y轴移动组件上。本发明通过移动平台搭载的电磁铁产生外部磁场控制磁流体机器人，更方便和精确控制磁流体机器人的定向运动，在未来复杂工作中能够展现出其独特的价值。

Description

基于磁流体的软球机器人的控制平台
技术领域
本发明涉及机器人控制技术，特别涉及基于磁流体的软球机器人的控制平台。
背景技术
磁流体是磁性流体的简称。它具有磁性材料和液体的特性，是一种新型的功能材料，既具有液体的流动性，又具有固体磁性材料的磁性；拥有利用磁场控制流变性、热物理性和光学性能的能力。磁流体是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性；正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。
目前，磁流体广泛运用在医疗、发电、密封、减震等领域；在机器人领域研究的比较少，因为磁流体的运动需要借助外部磁场的变化，精确控制比较复杂，而且带着电磁铁运动的话体积会大大增加，想要做出超微型且拥有强大灵活性的软体机器人，就需要外部驱动。2015年，Hernando Leon-Rodriguez等人设计了一种新型的软体微型机器人，磁流体材料的全皮肤运动，对于医学上有潜在发展前景。同年Bangxiang Chen做了球形磁流体机器人样机，能够在陆地上控制其变形、翻滚，达到驱动的目的。Zhang,T.S.等人在MEMS会议中提出了可控的“空翻”磁性软体机器人。而Tadayuki Tone等人研究了基于磁流体的软体片，能够控制其变形并运输物体，到了2018年，他们研究了铁磁流体的机器人工作液自动控制。
在机器人领域研究磁流体的人逐渐增多，证明磁流体机器人领域具有很大的前景，未来能够完成很多艰难的任务。然而目前磁流体机器人的精确控制具有比较大的局限性。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供基于磁流体的软球机器人的控制平台，通过三维移动平台搭载的电磁铁产生外部磁场控制磁流体机器人，能够更加方便和精确的控制磁流体机器人的定向运动，在未来的复杂工作中能够展现出其独特的价值。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案来实现：基于磁流体的软球机器人的控制平台，包括框架、设置在框架上的移动平台和安装在框架上方的静平台，软球机器人位于静平台上；框架上设有X轴移动组件、Y轴移动组件、Z轴移动组件、X轴电机、Y轴电机及Z轴电机，X轴电机驱动X轴移动组件运动，Y轴电机驱动Y轴移动组件运动，Z轴电机驱动Z轴移动组件运动；移动平台上设有电磁铁，移动平台通过Z轴移动组件与Z轴电机连接，Z轴电机串接在X轴移动组件上，X轴移动组件的两端串接在Y轴移动组件上。
在优选的实施例中，所述Y轴移动组件包括沿所述框架的长度方向设置的一对光轴，以及设置在所述框架的长度方向并平行于所述光轴的Y轴皮带；Y轴皮带与Y轴电机连接。
在优选的实施例中，所述X轴移动组件包括移动轴及X轴皮带，Z轴电机的安装基座串接在移动轴及X轴皮带上，移动轴及X轴皮带的两端通过安装板套在Y轴移动组件上；所述安装板上设有轴承，移动平台通过轴承套在光轴上。
在优选的实施例中，所述X轴移动组件包括移动轴及X轴皮带，Z轴电机的安装基座串接在移动轴及X轴皮带上，移动轴及X轴皮带的两端通过安装板套在Y轴移动组件上。
在优选的实施例中，所述Z轴移动组件包括丝杆和T型螺栓，丝杆连接在电磁铁和T型螺栓之间，移动平台通过T型螺栓与Z轴电机连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在控制平台的控制下，运用电磁铁产生的磁场使磁流体带动磁流体软球变形运动，磁流体软球能够在平面内任意方向运动，移动平台中Z轴的位移装置能够改变磁流体所受的磁力大小从而改变磁流体软球的变形，相比于多电磁铁控制的磁流体以及内置电磁铁的磁流体，本发明这种控制方式精度更高。
附图说明
图1是本发明控制平台的整体结构图；
图2是控制平台中的框架的结构示意图；
图3是框架沿X方向移动示意图；
图4是移动平台的结构示意图；
图5是软球的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明加以详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2所示，本发明基于磁流体的软球机器人的控制平台为三维移动平台，包括框架1、设置在框架上的移动平台9和安装在框架1上方的静平台15，软球机器人位于静平台15上。框架1由铝型材搭建而成，框架通过若干根立柱支撑，每根立柱的底端装有万向轮2以方便移动控制平台。万向轮能够安置控制平台而不容易产生额外的位移和抖动。
在本实施例中，框架1为长方形或正方形框架，沿框架的长度方向设有一对光轴3，光轴3通过轴承座4固定在框架上。移动平台9上设有电磁铁8，移动平台通过T型螺栓7与Z轴电机13连接，丝杆6连接在电磁铁8和T型螺栓7之间，如图2、3、4所示；Z轴电机13的安装基座串接在移动轴及X轴皮带14上，移动轴及X轴皮带14的两端固定在安装板上，安装板上设有X轴电机12，X轴电机12驱动X轴皮带14拉动，从而带动安装平台9沿移动轴在X轴方向移动。安装板上设有轴承5，整个移动平台9通过轴承5套在光轴3上，Y轴皮带10设置在框架的长度方向并平行于光轴3，Y轴电机11驱动Y轴皮带10运动，从而使移动平台9在Y轴电机11的驱动下沿光轴3移动，即沿Y轴移动。X轴电机、Y轴电机及Z轴电机均受控于PC机。
总的来说，本发明控制平台可在X、Y及Z方向移动。X方向的移动由X轴电机12带动固定于移动平台9的X轴皮带14，从而拉动移动平台9沿X方向移动。Y方向的移动由Y轴电机11带动设置在框架1上的Y轴皮带10，使整个移动平台9沿Y方向移动。Z方向的移动是Z轴电机13带动丝杆6转动，由于T型螺栓7受到丝杆的转动约束，使得T型螺栓上升导致移动平台9沿Z轴方向移动。丝杆上面的板设有孔，不会妨碍T型螺栓的上升；而由Z轴电机转动，带动丝杆转动，使得T型螺栓转动；由于T型螺栓转动受到移动平台的约束，使得T型螺栓只能产生向上的力，从而带动平台沿Z轴方向移动。
磁流体软球机器人由磁流体注入热塑性弹性体橡胶TPE制成的橡胶球内而形成。橡胶球在网上能够直接购买，橡胶球上面有一个凹进去的结构，用针筒抽磁流体往凹进去的结构(也叫注入口)注入磁流体，注满了之后橡胶球从原本的φ50mm膨胀到约φ70mm。由于TPE橡胶的超弹性，当针筒拔出注入口后橡胶球会自动密封，这就解决了磁流体的密封问题，不需要使用其他密封方法就能够将磁流体密封于橡胶球中。由于TPE能够轻易发生变形，也具有强大的恢复性，当磁流体被吸引时，对电磁铁方向的硅胶内壁产生压力，推动软球机器人的本体移动，重心偏移，使得软球机器人往电磁铁方向移动。X、Y轴电机通过PWM控制，使得磁流体软球机器人能够准确且稳定的跟着电磁铁运动；当Z方向的电机转动时，移动平台9沿Z轴移动，使得磁流体软球机器人能够受到不同大小的磁吸引力，产生不一样的变形。
静平台由铝板制作而成，软球机器人能在静平台上面活动。软球机器人由于电磁铁通电，电磁铁附近产生磁场导致磁流体软球机器人定向移动。也就是说，当移动平台9在XY平面移动时磁流体软球机器人能够跟着移动，由于电机是用PC机发指令到Arduino平台上控制，能够通过PC机精确的控制电机的转动，换而言之能够控制精确的控制磁流体小球的滚动。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理机器、功效和优点，本发明不受上述的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，包括框架、设置在框架上的移动平台和安装在框架上方的静平台，软球机器人位于静平台上；
框架上设有X轴移动组件、Y轴移动组件、Z轴移动组件、X轴电机、Y轴电机及Z轴电机，X轴电机驱动X轴移动组件运动，Y轴电机驱动Y轴移动组件运动，Z轴电机驱动Z轴移动组件运动；移动平台上设有电磁铁，移动平台通过Z轴移动组件与Z轴电机连接，Z轴电机串接在X轴移动组件上，X轴移动组件的两端串接在Y轴移动组件上。
2.根据权利要求1所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述Y轴移动组件包括沿所述框架的长度方向设置的一对光轴，以及设置在所述框架的长度方向并平行于所述光轴的Y轴皮带；Y轴皮带与Y轴电机连接。
3.根据权利要求2所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述X轴移动组件包括移动轴及X轴皮带，Z轴电机的安装基座串接在移动轴及X轴皮带上，移动轴及X轴皮带的两端通过安装板套在Y轴移动组件上；所述安装板上设有轴承，移动平台通过轴承套在光轴上。
4.根据权利要求1所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述X轴移动组件包括移动轴及X轴皮带，Z轴电机的安装基座串接在移动轴及X轴皮带上，移动轴及X轴皮带的两端通过安装板套在Y轴移动组件上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述Z轴移动组件包括丝杆和T型螺栓，丝杆连接在电磁铁和T型螺栓之间，移动平台通过T型螺栓与Z轴电机连接。
6.根据权利要求1所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述框架通过若干根立柱支撑，每根立柱的底端装有万向轮。
7.根据权利要求1所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述框架由铝型材搭建而成，静平台由铝板制作而成。
8.根据权利要求1所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述软球机器人由磁流体注入热塑性弹性体橡胶TPE制成的橡胶球内而形成。
9.根据权利要求1所述的基于磁流体的软球机器人的控制平台，其特征在于，所述X轴电机、Y轴电机及Z轴电机均受控于PC机。
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