CN109895131B - 一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，包括中央部分和抓手部分，所述中央部分周边均布若干所述抓手部分，所述抓手部分为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分施加交变磁场，使抓手部分产生弯曲。任一所述抓手部分为双层结构，上层结构为双网络交联水凝胶，下层结构为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分施加交变磁场，使所述下层结构形变量大于上层结构形变量。本发明可以通过磁编程技术在其中加入磁性纳米颗粒，当磁编程温敏水凝胶置于磁场中时由于磁效应使水凝胶内部温度发生变化，利用抓手部分两层变形量不相等控制水凝胶的形变。

Description

一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人。

背景技术

软体机器人作为一个新兴的技术领域，越来越受到青睐。相较于传统的刚性机器人，软体机器人拥有更高的自由度，能实现任意方向的形变。软体机器人按运动方式主要分为蠕动、爬行、跳跃、游动、抓取软体机器人。按驱动方式主要分为流体驱动、形状记忆合金驱动、化学驱动、电驱动、磁驱动、温度驱动几大类。其中蠕动、爬行软体机器人和流体驱动、形状记忆合金驱动软体机器人研究较为广泛，其余运动方式和驱动方式的软体机器人目前还少有涉及。水凝胶软体机器人具有较强的生物亲和能力，在医学领域定向靶心送药方面具有广阔的应用前景，目前大多数软体机器人都是采用软硬结合的方式，这种结构方式极大的限制了软体机器人在医学上的应用。鉴于该种原因，本文提出了一种一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，采用纯软体结构，能实现对目标物体的抓取和释放。

中国专利公开了一种带有多种快换转接头的柔性夹爪。该专利利用气体驱动，将两个硅胶抓手镶嵌于机械结构上，并在抓手末端配有卡槽，该卡槽可放置不同形状的快换转接头，以适应抓取不同形状的物体。该专利将软体材料和机械结构结合起来，能对抓取物体起到一定的保护作用，虽然硅胶相较于刚性材料较为柔软，但其本身也有一定的硬度，在抓取易脆材料的过程中效果并不好。

中国专利公开了一种软体吸附缠绕抓持器。该软体吸附缠绕抓持器本体采用气体驱动，在本体上设置有多个吸盘控制系统。通过本体缠绕以及抽空吸盘控制系统于物体间的气体来实现抓取。此项发明由于要制造吸盘于物体之间的真空，靠大气压力来抓持物体，适用于物体表面光滑的物体，对于表面不规则物体，制造真空条件较为困难。

中国专利公开了一种可实现等长运动的变刚度气动软体机械手。该发明本体为手掌形状，内置气管，通过控制电磁阀和比例阀来调节气体的充入和放出，进而控制本体的形态变化。由于该专利采用气体驱动的方式，故必须带有“尾巴”，本文中提到的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人由于采用磁控的方式，摆脱了“尾巴”的限制。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，利用温敏水凝胶在不同温度下的形变的特性，通过磁编程技术在其中加入磁性纳米颗粒，当磁编程温敏水凝胶置于磁场中时由于磁效应使水凝胶内部温度发生变化，利用抓手部分两层变形量不相等控制水凝胶的形变。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，包括中央部分和抓手部分，所述中央部分周边均布若干所述抓手部分，所述抓手部分为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分施加交变磁场，使抓手部分产生弯曲。

进一步，任一所述抓手部分为双层结构，上层结构为双网络交联水凝胶，下层结构为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分施加交变磁场，使所述下层结构形变量大于上层结构形变量。

进一步，所述下层结构底部设有棘齿结构，所述棘齿结构为三角形齿，所述三角形齿的前角呈45°，所述三角形齿的后角呈90°。

进一步，所述下层结构为加入磁性纳米颗粒的温度响应水凝胶，且对加入磁性纳米颗粒的温度响应水凝胶进行磁编程处理，使磁性纳米颗粒在温度响应水凝胶内部矩形阵列布置。

进一步，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒在温度响应水凝胶内部在X方向排布密集，在Y方向排布稀疏。

进一步，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒在温度响应水凝胶内部在X方向排布稀疏，在Y方向排布密集。

进一步，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒在温度响应水凝胶内部在Y方向由稀疏向密集渐变排布，在X方向均匀排布。

进一步，所述磁编程处理为：将磁性纳米颗粒加入温度响应水凝胶，将混合物的凝胶过程放置均匀磁场环境中。

进一步，所述磁编程处理为：将磁性纳米颗粒加入温度响应水凝胶，将混合物的凝胶过程放置梯度磁场环境中，所述梯度磁场在沿Y方向磁场强度逐渐升高，在沿X方向磁场强度保持均匀不变。

进一步，所述中央部分为正多边形，所述正多边形的中央部分周边均布若干所述抓手部分，所述抓手部分为等腰三角形。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，利用温敏水凝胶在不同温度下的形变的特性，通过磁编程技术在其中加入磁性纳米颗粒，当磁编程温敏水凝胶置于磁场中时由于磁效应使水凝胶内部温度发生变化，利用抓手部分两层变形量不相等控制水凝胶的形变。

2.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，采用磁场驱动水凝胶变形，实现了无线控制，更加便捷。

3.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，采用磁编程温敏水凝胶作为本体，在抓取脆性易碎物体方面表现更加优异，在控制方面容错率更高。

4.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，抓手部分棘齿结构的设计，增大了抓取摩擦力，使得抓取更稳定。

附图说明

图1为本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人结构图。

图2为本发明所述的中央部分与抓手部分具体结构图。

图3为本发明所述的棘齿结构的结构图。

图4为本发明所述的抓取机器人抓手变形图。

图5为本发明所述的磁性纳米颗粒X方向稀疏磁编程排布方式。

图6为本发明所述的磁性纳米颗粒X方向密集磁编程排布方式。

图7为本发明所述的磁性纳米颗粒Y方向梯度磁编程排布方式。

图8为本发明所述的磁性纳米颗粒Z方向斜向排列。

图9为本发明所述的三抓手软体抓取机器人。

图10为本发明所述的五抓手软体抓取机器人。

图中：

1-中央部分；2-抓手部分；3-下层结构；4-上层结构；5-磁性纳米颗粒；6-棘齿结构。

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和图2所示，本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，包括中央部分1和抓手部分2，所述中央部分1周边均布若干所述抓手部分，所述抓手部分2为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分2施加交变磁场，使抓手部分2产生弯曲。任一所述抓手部分2为双层结构，上层结构4为双网络交联水凝胶，下层结构3为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分2施加交变磁场，使所述下层结构3形变量大于上层结构4形变量。

如图1和图2所示，中央部分1为一个边长50mm的正方形，四周分布有4个边长为50mm的正三角形抓手部分2。所述正三角形抓手部分2为上下双层结构，其中上层结构4为无磁性的双网络交联水凝胶，厚度为2mm。下层结构3为加入纳米四氧化三铁的磁性颗粒的聚N-异丙基丙烯酰胺(Poly(N-isopropylacrylamide),PNIPAM)型温度响应水凝胶，厚度为2mm。如图3所示，所述下层结构3底部设有棘齿结构6，所述棘齿结构6为三角形齿，所述三角形齿的前角呈45°，所述三角形齿的后角呈90°。

所述下层结构3为加入磁性纳米颗粒5的温度响应水凝胶，且对加入磁性纳米颗粒5的温度响应水凝胶进行磁编程处理，使磁性纳米颗粒5在温度响应水凝胶内部矩形阵列布置。如图5所示，其中磁性纳米颗粒5在X方向上排布较为稀疏，在Y方向上排布密集，当达到相变温度后，其在X方向的变形量小于在Y方向上的变形量。如图6所示，其中磁性纳米颗粒5在X方向上排布较为密集，在Y方向上排布稀疏，当达到相变温度后，其在X方向的变形量大于在Y方向上的变形量。结合图1和图5所示，X轴为抓手部分2宽度方向，Y方向为抓手部分2长度方向，或者可以理解为Y方向为抓手部分2从弯曲到平整延伸的方向。上面这2中的磁编程处理为，将加入四氧化三铁的磁性纳米颗粒5的温敏水凝胶在制作过程中放置在竖直磁场环境下，即磁场方向平行于Z轴，当凝胶完成时，温敏水凝胶中加入的纳米四氧化三铁颗粒就会呈竖直排列。磁场环境还可以是磁场方向与Z轴呈一定夹角，一般不超过30°。如图8所示，在凝胶过程中加入的磁场方向与X轴呈60°到120°的角度范围，凝胶完成后磁性纳米颗粒排布也在这个角度范围之内。

如图7所示，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒5在温度响应水凝胶内部在Y方向由稀疏向密集渐变排布，在X方向均匀排布。所述磁编程处理时加入的竖直磁场环境为梯度磁场，磁场强度在X方向上为6mT的均匀磁场。磁场强度在Y方向上的最小强度为10mT，且沿Y方向逐渐升高，磁场梯度为1T/m。温敏水凝胶中加入的纳米四氧化三铁颗粒在X方向上均匀分布，在Y方向上沿Y轴正方向逐渐密集。

工作过程：如图4所示，在室温情况下，所述机器人4个抓手部分2正常铺展呈水平状态，如图1所示状态；当所述机器人放置于竖直交变磁场环境下，机器人4个抓手部分2的下层结构3由于进行了磁编程处理，其中的纳米四氧化三铁颗粒在交变磁场下由于电磁感应产生热量，当温度超过33℃时其水平方向缩短，图7中的Y方向上缩短，由于4个抓手上层结构4为无磁性的双网络交联水凝胶胶，这使得机器人4个抓手的两层变形量不相等，故机器人4个抓手会向下弯曲，抓取物体，如图4所示抓取状态。当撤掉交变磁场后机器人抓手部分2温度降低，当达到温敏水凝胶相变温度低于33℃时，机器人抓手下层结构3的磁编程温敏水凝胶层恢复到初始状态，使得抓手恢复水平状态，即图1状态，松开被抓取的物体。

如图9和图10所述，本发明的2个实施例，本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，所述中央部分1为正三角形或者正五边形，这样所述中央部分1四周分布与边长数量相同的正三角形抓手部分2。

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 (3)

1.一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，其特征在于，包括中央部分(1)和抓手部分(2)，所述中央部分(1)周边均布若干所述抓手部分(2)，所述抓手部分(2)为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分(2)施加交变磁场，使抓手部分(2)产生弯曲；所述中央部分(1)为正多边形，所述正多边形的中央部分(1)周边均布若干所述抓手部分(2)，所述抓手部分(2)为等腰三角形；任一所述抓手部分(2)为双层结构，上层结构(4)为双网络交联水凝胶，下层结构(3)为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，通过对所述抓手部分(2)施加交变磁场，使所述下层结构(3)形变量大于上层结构(4)形变量；所述下层结构(3)为加入磁性纳米颗粒(5)的温度响应水凝胶，且对加入磁性纳米颗粒(5)的温度响应水凝胶进行磁编程处理，使磁性纳米颗粒(5)在温度响应水凝胶内部矩形阵列布置；

所述下层结构(3)底部设有棘齿结构(6)，所述棘齿结构(6)为三角形齿，所述三角形齿的前角呈45°，所述三角形齿的后角呈90°；

矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(5)在温度响应水凝胶内部在X方向排布密集，在Y方向排布稀疏，或矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(5)在温度响应水凝胶内部在X方向排布稀疏，在Y方向排布密集，或矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(5)在温度响应水凝胶内部在Y方向由稀疏向密集渐变排布，在X方向均匀排布。

2.根据权利要求1所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，其特征在于，所述磁编程处理为：将磁性纳米颗粒(5)加入温度响应水凝胶，将混合物的凝胶过程放置均匀磁场环境中。

3.根据权利要求1所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，其特征在于，所述磁编程处理为：将磁性纳米颗粒(5)加入温度响应水凝胶，将混合物的凝胶过程放置梯度磁场环境中，所述梯度磁场在沿Y方向磁场强度逐渐升高，在沿X方向磁场强度保持均匀不变。

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