CN109866231A - 一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，包括至少2个相互连接的运动单元，所述运动单元包括第一水凝胶和第二水凝胶；一个运动单元的所述第一水凝胶一端与第二水凝胶粘接，一个运动单元的所述第一水凝胶另一端与另一个运动单元的第二水凝胶粘接；所述第一水凝胶和第二水凝胶均为磁控双网络交联水凝胶，且所述第一水凝胶的磁轴的方向与第二水凝胶的磁轴的方向相反；通过改变循环磁场周期大小，使第一水凝胶和第二水凝胶产生不同方向的形变。本发明通过编程磁控水凝胶中纳米四氧化三铁的分布方向，对磁控水凝胶软体机器人进行差异化的设计，极大的提升了磁控水凝胶软体机器人的灵活性，可以有效控制其不同部位的不同动作状态。

Description

一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人。

背景技术

软体机器人作为一个新兴的研究课题，以其相较于刚性机器人有更高的自由度，更强的灵活性，备受关注。软体机器人大多采用硅胶、水凝胶等作为其主要材料，因其具有高韧性、高弯曲强度，在复杂工作环境中表现出远胜于普通刚性结构机器人的优势。磁驱动软体机器人作为软体机器人的一种，在无线控制、动作复杂度和响应速度等方面又明显优于其他驱动形式的软体机器人，成为目前的研究热点。

在磁驱动软体机器人方面，中国发明专利公开了一种磁驱动的软体爬行机器人，该专利中通过将导电超弹性材料和柔性电磁铁嵌入聚合物弹性材料以及硅胶中，利用无线电收发控制由表皮弹性材料制成的腹足与地面之间的摩擦力实现爬行运动。该专利的磁性驱动模块只是简单的将柔性电磁铁简单的嵌入硅胶当中导致机器人自身重量较大，灵活性上会有所受限。

在磁驱动软体机器人方面，中国发明专利公开了一种利用磁力连接的模块化球形软体机器人。该发明专利本体由若干个软体球壳单元和关节驱动机构相互拼接而成。主动磁轮和被动磁轮分别放置在两个软体球壳当中，通过磁力吸引来拼接两个软体球壳。由于该专利每个软体球壳要放一个主动磁轮和一个被动磁轮，在多个软体球壳相互连接的过程中可能会发生磁轮排列错乱的现象，而且磁轮和软体球壳分离式的结构设计在控制方面也更加复杂。

在磁驱动软体机器人方面，中国发明专利公开了一种基于液态金属电磁致动的可变性柔性机器人。该专利主体由内部封装了液态金属线圈的柔性聚合物薄膜单元相互组合构成，构成的主体中固定有控制系统，其通过控制与液态金属线圈相互对应的电磁线圈进而控制整个装置的收缩、扩张和行走。该发明同样采用的嵌入式结构导致机器人自身重量较大，灵活性上会有所受限。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，通过编程磁控水凝胶中纳米四氧化三铁的分布方向，对磁控水凝胶软体机器人进行差异化的设计，极大的提升了磁控水凝胶软体机器人的灵活性，可以有效控制其不同部位的不同动作状态。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，包括至少2个相互连接的运动单元，所述运动单元包括第一水凝胶和第二水凝胶；一个运动单元的所述第一水凝胶一端与第二水凝胶粘接，一个运动单元的所述第一水凝胶另一端与另一个运动单元的第二水凝胶粘接；所述第一水凝胶和第二水凝胶均为磁控双网络交联水凝胶，且所述第一水凝胶的磁轴的方向与第二水凝胶的磁轴的方向相反；通过改变循环磁场周期大小，使第一水凝胶和第二水凝胶产生不同方向的形变。

进一步，所述第一水凝胶的磁轴与前进方向的夹角呈锐角，第二水凝胶的磁轴与后退方向的夹角呈锐角。

进一步，所述第一水凝胶的磁轴与前进方向的夹角α范围为45°＜α＜90°，第二水凝胶的磁轴与后退方向的夹角β范围为45°＜β＜90°。

进一步，任一所述运动单元内的所述第一水凝胶的磁轴与前进方向的夹角α和第二水凝胶的磁轴与后退方向的夹角β相等。

进一步，相邻所述运动单元之间设有变形缓冲段，所述变形缓冲段为非磁性的双网络交联水凝胶。

进一步，相邻所述运动单元中的第一水凝胶内磁轴的夹角不相同；相邻所述运动单元中的第一水凝胶内磁轴的夹角不相同。

进一步，任一所述运动单元内的所述第一水凝胶内的磁轴与前进方向的夹角α在45°＜α＜90°范围内逐渐变大；任一所述运动单元内的所述第二水凝胶的磁轴与后退方向的夹角β在45°＜β＜90°范围内逐渐变大。

进一步，所述磁控双网络交联水凝胶为加入纳米四氧化三铁颗粒并进行磁编程处理的双网络交联水凝胶。

进一步，所述磁轴夹角相同的所述磁编程处理为：将纳米四氧化三铁颗粒加入双网络交联水凝胶，将混合物的凝胶过程放置在与水平面成锐角的均匀磁场环境中。

进一步，所述磁轴夹角渐变的所述磁编程处理为：将纳米四氧化三铁颗粒加入双网络交联水凝胶，将混合物的凝胶过程放置在与水平面成锐角的均匀磁场环境中，将混合物分成若干小段，通过激光照射任一小段，使该小段先凝结成胶；改变均匀磁场角度，通过激光照射下一小段，使下一小段再次凝结成胶。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，通过编程磁控水凝胶中纳米四氧化三铁的分布方向，对磁控水凝胶软体机器人进行差异化的设计，极大的提升了磁控水凝胶软体机器人的灵活性，可以有效控制其不同部位的不同动作状态。

2.本发明所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，模块化，分段编程胶结组装，对磁控水凝胶软体机器人的不同动作区域进行分段磁编程，有效规避了多方向磁编程过程中对复杂磁场环境的要求，极大的降低了磁编程难度，提高了磁控水凝胶的磁编程效率。

3.本发明所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，巧妙利用水凝胶材料拉伸变形后表面积增大粘性增强的特点获得可控状态的有较大摩擦力的接触副。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人示意图。

图2为本发明实施例1磁编成后的磁控双网络交联水凝胶示意图。

图3为磁场进入阶段的实施例1磁控水凝胶软体机器人示意图。

图4为完全进入磁场中的实施例1磁控水凝胶软体机器人示意图。

图5为磁场推出阶段的实施例1磁控水凝胶软体机器人示意图。

图6为本发明实施例2所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人示意图。

图中：

1-磁控双网络交联水凝胶；1-1-磁轴；1-2-裁切线；2-翘头段；3-第一拱起段；4-变形缓冲段；5-第二拱起段；6-翘尾段；7-第一个接触副；8-第二个接触副。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所述，本发明所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，包括至少2个相互连接的运动单元，所述运动单元包括第一水凝胶和第二水凝胶；一个运动单元的所述第一水凝胶一端与第二水凝胶粘接，一个运动单元的所述第一水凝胶另一端与另一个运动单元的第二水凝胶粘接；所述第一水凝胶和第二水凝胶均为磁控双网络交联水凝胶，且所述第一水凝胶的磁轴1-1的方向与第二水凝胶的磁1-1的方向相反；通过改变循环磁场周期大小，使第一水凝胶和第二水凝胶产生不同方向的形变。所述第一水凝胶的磁轴1-1与前进方向的夹角呈锐角，第二水凝胶的磁轴1-1与后退方向的夹角呈锐角。所述第一水凝胶的磁轴1-1与前进方向的夹角α范围为45°＜α＜90°，第二水凝胶的磁轴1-1与后退方向的夹角β范围为45°＜β＜90°。所述磁控双网络交联水凝胶为加入纳米四氧化三铁颗粒并进行磁编程处理的双网络交联水凝胶。所述磁轴1-1夹角相同的所述磁编程处理为：将纳米四氧化三铁颗粒加入双网络交联水凝胶，将混合物的凝胶过程放置在与水平面成锐角的均匀磁场环境中。

实施例1如图1和图2所示，包括2个相互连接的运动单元，所述运动单元包括第一水凝胶和第二水凝胶；所述第一水凝胶为翘头段2和第二拱起段5，所述第二水凝胶为第一拱起段3和翘尾段6。即第一运动单元包括翘头段2和第一拱起段3，第二运动单元包括第二拱起段5和翘尾段6，所述第一拱起段3与第二拱起段5粘接。所述翘头段2、第一拱起段3、第二拱起段5和翘尾段6均为磁控双网络交联水凝胶，即加入纳米四氧化三铁颗粒并进行了相同磁编程处理的双网络交联水凝胶。

所述磁编程处理是将加入纳米四氧化三铁颗粒的双网络交联水凝胶的凝胶过程置于与水平面成60°角的均匀磁场环境下进行的操作，过程中双网络交联水凝胶内的纳米四氧化三铁颗粒按照所加磁场的磁感线方向即与水平面成60°角分布，该方向为磁轴1-1方向。凝胶完成后这种分布方式被水凝胶固定下来。所述磁编程处理可一次性制备得到大量相同编程方式的磁控双网络交联水凝胶1，使用时按照需要沿裁切线1-2裁切出不同的形状即可。所述翘头段2、第一拱起段3、第二拱起段5和所述翘尾段6均为从所述进行了相同磁编程处理的双网络交联水凝胶1上裁剪下来的磁轴1-1与水平面成60°夹角的长方体快。其中，所述翘头段2长5mm，宽15mm，厚3mm；所述第一拱起段3长10mm，宽15mm，厚3mm；所述第二拱起段5长10mm，宽15mm，厚3mm；所属翘尾段6长5mm，宽15mm，厚3mm。所述翘头段2和第二拱起段5的所述磁轴1-1方向与前进方向成60°夹角，所述第一拱起段3和翘尾段6的所述磁轴1-1方向与后退方向成60°夹角。在同一运动单元里面第二拱起段5和翘尾段6的磁轴1-1方向相同。实施例1中相邻运动单元的里第一拱起段3和翘尾段6的所述磁轴1-1方向是相同的。但是相邻运动单元的里第一拱起段3和翘尾段6的所述磁轴1-1方向也可以不相同。所用的所述编程磁控水凝胶的所述磁轴1-1方向均与水平面成45°到90°之间，且不包括45°和90°的夹角，这样的角度都可以有效利用磁轴趋向于磁感线方向的运动规律。为了使相邻运动单元平滑运动，避免出现尖角；相邻所述运动单元之间设有变形缓冲段4，所述变形缓冲段4为非磁性的双网络交联水凝胶。

所述翘头段2、第一拱起段3、第二拱起段5和翘尾段6在无磁场环境下，底部黏附粉尘进行表面去粘性处理。所述表面去粘性处理部分在受到拉伸力变形后去粘性效果下降，与地面摩擦力增强。

如图3、图4和图5所示，在未加外部磁场只受重力作用的情况下，所述磁控水凝胶软体机器人正常铺展呈长方体状。磁场进入阶段，垂直向上的均匀磁场从所述磁控水凝胶软体机器人头部向尾部移动，直至将所述磁控水凝胶软体机器人全部包含在该磁场中。由于磁场力作用磁轴1-1向趋近于所加磁场的方向运动，在磁场力与重力的共同作用下，首先进入磁场范围的所述翘头段2和第一拱起段3联合受力成翘头状态，该处与粗糙表面接触部分形成摩擦力较大的第一个接触副7；随后所述第一拱起段3、变形缓冲段4和第二拱起段5进入磁场范围并联合受力成拱起状态，由于此时所述磁驱动软体机器前部第一个接触副7已经形成，拱起动作会带动所述磁驱动软体机器尾部前移，并在尾部也进入磁场范围后所述第二拱起段5和翘尾段6成翘尾状态，形成摩擦力较大的第二个接触副8。磁场退出阶段，垂直向上的均匀磁场继续移动，所述磁控水凝胶软体机器人头部首先脱离磁场作用，直至整个所述磁控水凝胶软体机器人都脱离磁场。首先退出磁场范围的是所述翘头段2和第一拱起段3的部分，随即第一个接触副7消失，由于此时第二个接触副8还在，重力作用下回落的拱起部分带动所述磁驱动软体机器头部前移；待所述磁控水凝胶软体机器人全部脱离磁场，又回到正常铺展状态。

所述磁场进入阶段和所述磁场退出阶段共同组成一个磁场周期。所述磁控水凝胶软体机器人在一个磁场周期后，位置向前进方向移动一小段距离。循环施加相同的磁场周期，所述磁控水凝胶软体机器人即可不停蠕动前进。将所述磁场周期中的磁场移动方向调整为由所述磁控水凝胶软体机器人尾部向头部移动，即可实现所述磁控水凝胶软体机器人的后退运动。

任一所述运动单元内的所述第一水凝胶内的磁轴1-1与前进方向的夹角α在45°＜α＜90°范围内逐渐变大；任一所述运动单元内的所述第二水凝胶的磁轴1-1与后退方向的夹角β在45°＜β＜90°范围内逐渐变大。以实施例1为例，即翘头段2和第二拱起段5内部的磁轴1-1与前进方向的夹角α在45°＜α＜90°范围内逐渐变大；第一拱起段3和翘尾段6内部的磁轴1-1与后退方向的夹角β在45°＜β＜90°范围内逐渐变大。这样的设计可以让所述磁控水凝胶软体机器人的拱起、翘头和翘尾动作更为圆滑顺畅，只是提高了对编程过程的要求。所述磁轴(1-1)夹角渐变的所述磁编程处理为：将纳米四氧化三铁颗粒加入双网络交联水凝胶，将混合物的凝胶过程放置在与水平面成锐角的均匀磁场环境中，将混合物分成若干小段，通过激光照射任一小段，使该小段先凝结成胶；改变均匀磁场角度，通过激光照射下一小段，使下一小段再次凝结成胶。

实施例2如图6所示，图中包括4个相互连接的运动单元，即将两个实施例1首尾连接在一起，其运动的原理与实施例1一致。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，包括至少2个相互连接的运动单元，所述运动单元包括第一水凝胶和第二水凝胶；所述第一水凝胶一端与第二水凝胶粘接，所述第一水凝胶和第二水凝胶均为磁控双网络交联水凝胶，且所述第一水凝胶的磁轴(1-1)的方向与第二水凝胶的磁轴(1-1)的方向相反；通过改变循环磁场周期大小，使第一水凝胶和第二水凝胶产生不同方向的形变。

2.根据权利要求1所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，所述第一水凝胶的磁轴(1-1)与前进方向的夹角呈锐角，第二水凝胶的磁轴(1-1)与后退方向的夹角呈锐角。

3.根据权利要求2所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，所述第一水凝胶的磁轴(1-1)与前进方向的夹角α范围为45°＜α＜90°，第二水凝胶的磁轴(1-1)与后退方向的夹角β范围为45°＜β＜90°。

4.根据权利要求3所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，任一所述运动单元内的所述第一水凝胶的磁轴(1-1)与前进方向的夹角α和第二水凝胶的磁轴(1-1)与后退方向的夹角β相等。

5.根据权利要求1所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，相邻所述运动单元之间设有变形缓冲段(4)，所述变形缓冲段(4)为非磁性的双网络交联水凝胶。

6.根据权利要求1-5任一项所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，相邻所述运动单元中的第一水凝胶内磁轴(1-1)的夹角不相同；相邻所述运动单元中的第一水凝胶内磁轴(1-1)的夹角不相同。

7.根据权利要求1-5任一项所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，任一所述运动单元内的所述第一水凝胶内的磁轴(1-1)与前进方向的夹角α在45°＜α＜90°范围内逐渐变大；任一所述运动单元内的所述第二水凝胶的磁轴(1-1)与后退方向的夹角β在45°＜β＜90°范围内逐渐变大。

8.根据权利要求1所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，所述磁控双网络交联水凝胶为加入纳米四氧化三铁颗粒并进行磁编程处理的双网络交联水凝胶。

9.根据权利要求8所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，所述磁轴(1-1)夹角相同的所述磁编程处理为：将纳米四氧化三铁颗粒加入双网络交联水凝胶，将混合物的凝胶过程放置在与水平面成锐角的均匀磁场环境中。

10.根据权利要求8所述的分段磁编程的磁控水凝胶软体机器人，其特征在于，所述磁轴(1-1)夹角渐变的所述磁编程处理为：将纳米四氧化三铁颗粒加入双网络交联水凝胶，将混合物的凝胶过程放置在与水平面成锐角的均匀磁场环境中，将混合物分成若干小段，通过激光照射任一小段，使该小段先凝结成胶；改变均匀磁场角度，通过激光照射下一小段，使下一小段再次凝结成胶。