CN110053020A - 一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，包括第一运动体和第二运动体，所述第二运动体两端分别连接第一运动体，所述第二运动体为含有磁性颗粒的温度响应的水凝胶；通过对第二运动体施加交变磁场，使第一运动体和第二运动体产生形变。所述第二运动体为上下双层结构，所述上层为双网络交联水凝胶，所述下层为含有磁性的温度响应的水凝胶，通过对第二运动体施加交变磁场，使所述下层形变量大于上层形变量。本发明通过磁场驱动水凝胶变形，实现了无线控制，打破了有线的约束。

Description

一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人。

背景技术

经过亿万年的演化，自然界广泛孕育的蠕虫、蚯蚓、尺蠖、沙蚕等低等无脊椎软体动物通过身体的弯曲、收缩、伸长等变形行为来实现蠕动运动，具有令人惊叹的身体智能与环境适应能力，以其为灵感研制的仿生蠕动软体机器人在管道检测、微创手术等领域尤其是狭窄环境展现出无与伦比的优势。

近年来，随着材料学、机器人学、生物力学、传感与控制等学科的不断进步助力仿生蠕动软体机器人研发并实现了革命性的进步，各种智能材料与驱动方式的仿生蠕动软体机器人层出不穷，按驱动机理分类主要有气体驱动、形状记忆合金驱动以及智能水凝胶驱动等。然而，如何模仿自然界的软体动物实现灵活高效的可变形运动并达到预期效果仍是软体机器人发展的难点。

中国发明专利公布了一种多向蠕动软体机器人。该软体机器人将形状记忆合金丝嵌入主体柔性材料中，并在主体周围设置有多个静电吸附盘，通过对形状记忆合金丝施加电压改变其形状带动主体的变化，通过静电吸附膜产生的吸力使得该软体机器人于平面固定。由于该专利采用嵌入式结构，整体效果与磁编程水凝胶相比较差。本专利采用磁控驱动，实现了无线驱动。

中国发明专利公布了一种仿尺蠖攀爬的气动软体机器人。其主要结构为弯曲模块与夹持模块，其中弯曲模块可通过充气放气控制其弯曲变形，夹持模块为上下堆叠层状结构，主要提供机器人的吸附固定。该发明结构控制较为简便，但由于采用气体驱动无法实现无线控制，且由于其充气放气的过程故在水下环境工作时浮力变化较大，行为易受到影响。

中国发明专利公开了一种基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人。该机器人本体由上换向体和下换向体通过轴筒和封头拼接组装而成。通过电热驱动其中内嵌的双程形状记忆合金来控制机器人的前进和转向。该机器人能较稳定的完成直线行进以及转向，但由于其机械结构较为复杂，每部分之间的配合及传动会造成控制偏差较大。

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驱动蠕动软体机器人，磁场驱动水凝胶变形，实现了无线控制，打破了有线的约束。

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驱动蠕动软体机器人，包括第一运动体和第二运动体，所述第二运动体两端分别连接第一运动体，所述第二运动体为含有磁性颗粒的温度响应的水凝胶；通过对第二运动体施加交变磁场，使第一运动体和第二运动体产生形变。

进一步，所述第二运动体为上下双层结构，所述上层为双网络交联水凝胶，所述下层为含有磁性的温度响应的水凝胶，通过对第二运动体施加交变磁场，使所述下层形变量大于上层形变量。

进一步，所述第一运动体底部设有棘齿结构。

进一步，所述棘齿结构为三角形齿，所述三角形齿的前角呈30°，所述三角形齿的后角呈90°。

进一步，所述下层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均布。

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长度方向排布密集，在宽度方向排布稀疏。

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长度方向排布稀疏，在宽度方向排布密集。

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高度方向上与前进方向夹角在60°～120°之间。

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。

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驱动蠕动软体机器人，采用磁场驱动水凝胶变形，实现了无线控制，打破了有线的约束。

2.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，主体采用一体化结构，控制更加方便，形变效果更加稳定。

3.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，主体头部和尾部设计有棘齿结构，利用弯曲变形时头部和尾部摩擦力不相等的特性使得机器人向头部方向运动，摆脱了导轨的限制。

4.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，以水凝胶作为主体材料，能较好的适应水下环境。

5.本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，以蠕动作为行进方式，能较好的适应狭窄空间环境。

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驱动蠕动软体机器人示意图。

图2为本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人弯曲状态示意图。

图3为本发明所述的下层示意图。

图4为本发明所述的棘齿结构放大图。

图5为本发明所述的前进周期的步态示意图。

图6为本发明所述的磁性纳米颗粒长度方向密集排列。

图7为本发明所述的磁性纳米颗粒宽度方向密集排列。

图8为本发明所述的磁性纳米颗粒斜向排列。

图中：

1-头部；2-上层；3-下层；3-1-磁性纳米颗粒；4-尾部；5-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。

本发明所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，包括第一运动体和第二运动体，所述第二运动体两端分别连接第一运动体，所述第二运动体为含有磁性颗粒的温度响应的水凝胶；通过对第二运动体施加交变磁场，使第二运动体产生形变。所述第二运动体为上下双层结构，所述上层2为双网络交联水凝胶，所述下层3为含有磁性的温度响应的水凝胶，通过对第二运动体施加交变磁场，使所述下层3形变量大于上层2形变量。

具体实施例如图1所示，磁驱动蠕动软体机器人主体为长50mm，宽10mm，厚4mm的长方体片状结构。主体分为三个部分，包括头部1、腹部和尾部4，所述头部1和尾部4分别底部设有棘齿结构5。其中头部1和尾部4采用没有磁性的双网络交联水凝胶，其头部1和尾部4尺寸均为长10mm，宽10mm，厚4mm。腹部为上下双层结构，其中上层2为没有磁性的双网络交联水凝胶，尺寸为长30mm，宽10mm，厚2mm；下层3为加入纳米四氧化三铁颗粒的聚N-异丙基丙烯酰胺(Poly(N-isopropylacrylamide)，PNIPAM)型温度响应水凝胶，尺寸为长30mm，宽10mm，厚2mm。

在未加交变磁场情况下，所述磁驱动蠕动软体机器人正常铺展呈长方体片状形态，即图1所示状态；当所述磁驱动蠕动软体机器人放置于交变磁场环境下，机器人腹部下层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产生热量，使得其纵向缩短，由于腹部上层2为无磁性的双网络交联水凝胶胶，这使得下层形变量大于上层形变量，故机器人腹部会弯曲拱起，即图2所示状态。当撤掉交变磁场时，机器人逐步恢复到室温环境，腹部下层3的磁编程温敏水凝胶层恢复到初始状态，进而使得机器人腹部由弯曲恢复到图1所示的平铺状态。

如图5所示，所述磁驱动蠕动软体机器人蠕动一个周期分为三个步态，即A、B、C。蠕动开始时磁驱动蠕动软体机器人处于正常铺展状态，如图1所示状态，此时加入竖直交变磁场，在磁场作用下机器人会变为拱起状态，如图2所示状态，在此过程中头部1有向后运动的趋向故所受摩擦力向前(即A步态中的F1)，同理尾部4受到向后的摩擦力(即A步态中的F2)，由于头部1和尾部4的棘齿结构使得F1>F2，故此过程头部1位置保持不变，尾部4结构向前运动达到B步态。达到B步态后，撤去交变磁场，此过程磁驱动蠕动软体机器人会逐渐恢复初始铺展状态，如图1所示状态，在此过程中，头部1有向前运动趋势故会受到一个向后的摩擦力(即步态C中的F1)，尾部4有向后的运动趋势故会受到向前的摩擦力(即步态C中的F2)，由于头部1和尾部4的棘齿结构使得F1<F2，故此过程尾部4位置保持不变，头部1结构向前运动达到C步态。如图5所示，每一个前进周期机器人向前蠕动L的距离。周期性的加入交变磁场使所述机器人重复进行步态A、B、C过程，使得所述机器人不断向前蠕动运动。

如图4所示，所述头部和尾部的棘齿结构5为三角形齿结构，其中前角呈30°，后角呈90°，此结构设计能够实现形变过程中头部和尾部所受摩擦力不相等，从而使得机器人朝头部方向运动。

所述下层3为加入磁性纳米颗粒3-1的温度响应水凝胶，且对加入磁性纳米颗粒3-1的温度响应水凝胶进行磁编程处理，使磁性纳米颗粒3-1在温度响应水凝胶内部矩形阵列均布。如图6所示，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒3-1在温度响应水凝胶内部在长度方向排布密集，在宽度方向排布稀疏，此种排布方式下，磁编程温敏水凝胶在变形过程中长度方向变形量较大，宽度方向上变形量较小。图1的具体实施例就是采用这种磁性纳米颗粒排布方式。如图7所示，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒3-1在温度响应水凝胶内部在长度方向排布稀疏，在宽度方向排布密集，此种排布方式下，磁编程温敏水凝胶在变形过程中宽度方向变形量较大，长度方向上变形量较小。

矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(3-1)在温度响应水凝胶内部在高度方向上与前进方向夹角在60°～120°之间。如图3所示，所述磁编程处理是将加入纳米四氧化三铁颗粒的温敏水凝胶在制作过程中放置在竖直磁场，图3中的H环境下，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。在磁编程过程中可加入斜向磁场，如图8所示，磁场方向(H)与前进方向夹角范围60°～120°之间，在此种情况下，磁性纳米颗粒排布也与前进方向呈60°～120°角。图1的具体实施例采用的磁编程方式为竖直编程方式。

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 (9)

1.一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，包括第一运动体和第二运动体，所述第二运动体两端分别连接第一运动体，所述第二运动体为含有磁性颗粒的温度响应的水凝胶；通过对第二运动体施加交变磁场，使第二运动体产生形变。

2.根据权利要求1所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，所述第二运动体为上下双层结构，所述上层(2)为双网络交联水凝胶，所述下层(3)为含有磁性颗粒的温度响应的水凝胶，通过对第二运动体施加交变磁场，使所述下层(3)形变量大于上层(2)形变量。

3.根据权利要求1所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，所述第一运动体底部设有棘齿结构(5)。

4.根据权利要求3所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，所述棘齿结构为三角形齿，所述三角形齿的前角呈30°，所述三角形齿的后角呈90°。

5.根据权利要求2所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，所述下层(3)为加入磁性纳米颗粒(3-1)的温度响应水凝胶，且对加入磁性纳米颗粒(3-1)的温度响应水凝胶进行磁编程处理，使磁性纳米颗粒(3-1)在温度响应水凝胶内部矩形阵列均布。

6.根据权利要求5所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(3-1)在温度响应水凝胶内部在长度方向排布密集，在宽度方向排布稀疏。

7.根据权利要求5所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(3-1)在温度响应水凝胶内部在长度方向排布稀疏，在宽度方向排布密集。

8.根据权利要求5所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，矩形阵列的所述磁性纳米颗粒(3-1)在温度响应水凝胶内部在高度方向上与前进方向夹角在60°～120°之间。

9.根据权利要求5所述的基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动蠕动软体机器人，其特征在于，所述磁编程处理为：将磁性纳米颗粒(3-1)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。