CN110076749B - 一种仿水母磁控微型软体机器人及其制备方法和驱动方法 - Google Patents

一种仿水母磁控微型软体机器人及其制备方法和驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿水母磁控微型软体机器人，包括位于同一平面上的一个头部和五条均布在头部圆周方向上且呈辐射状布置的活动臂；其中，活动臂包括上臂、前臂和手部；头部、上臂、前臂和手部通过弹性筋依次连接；头部、上臂、前臂和手部均为具有不同磁场方向的刚性件，使五条活动臂能够在外加磁场的作用下发生多自由度运动并能在外部磁场的作用下能够弯曲抱合为一个类十二面体；该仿水母磁控微型软体机器人结构和制作工艺简单，且易于控制，在变换磁场的驱动下能实现包括夹持物体、爬行运动、滚动运动、水平拖动运动、螺旋式游泳运动以及张合式游泳运动六种运动模式，具有极高的生物形态模拟特性和重复使用特性。

Description

一种仿水母磁控微型软体机器人及其制备方法和驱动方法
技术领域
本发明涉及微型机器人技术领域，特别涉及一种仿水母磁控微型软体机器人及其制备方法和驱动方法。
背景技术
目前，国内对仿水母机器人研究较少，已有的一些仿水母机器人也都是厘米级别的，而且多采用内部能源供给的驱动方式，多只用于水下探测。已公开专利申请CN201810400089.9公开了一种多自由度仿生水母机器人，其包括基体、四条机械臂、生物膜；该机器人具有模拟生物形态，自由度多等特点，但是由于尺寸较大只适用于一些普通的工作环境。
微型机器人由于其结构尺寸微小、器件精密，可应用在复杂环境下其他机器人无法工作的场合，进行微定位和微操作等。微型机器人已成为现代化机器人技术发展的一个重要方向，在医疗、生物工程、健康领域取得了较大的进步，逐步从实验研究进入临床应用阶段。
近年来，随着微机电技术、传感技术、通讯及自动控制技术等领域的飞速进步，微型机器人取得了快速发展。已公开专利申请CN 201510547146.2公开了一种微型机器人胶囊，该微型机器人胶囊能够进行机械运动，实现标记功能，可经医护人员控制，进而实现疾病筛选和标记，也可进行靶位点投递药物；该机器人采用了内部能源供给的驱动方式，导致占用了大量内部空间增大了机器人尺寸，且有限的能量使得机器人的工作时间受到限制，此外刚性微型机器人有可能损伤人体内部组织，而以柔性软体材料制造的微型机器人是微型机器人发展的一个新方向。
另外，目前微型机器人的驱动方式主要由两种，有缆驱动和无缆驱动。但是由于微型机器人体积小，很难实现微型机器人的内置能量供给，无缆化是微型机器人发展的必然趋势。目前无缆微型机器人的驱动控制方式有光、电、热及磁场等。其中，磁场作为一种获取简单、调试方便、能够无损穿透生物组织的驱动方式，引起了国内外研究人员的广泛关注。已公开专利申请CN 201711287241.9公开了一种磁控定向快速移动的微纳米机器人，该机器人能够在雷诺数低的环境中进行弯曲和摆动，从而驱使机器人快速移动。但是，该机器人受限于结构设计，只能实现延磁场方向的快速移动，而没有其他的运动模式，功能较为单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在变换磁场的驱动下能实现多模式运动的仿水母磁控微型软体机器人。
本发明的另一目的是提供一种制备上述仿水母磁控微型软体机器人的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种驱动上述仿水母磁控微型软体机器人实现多自由度运动的方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种仿水母磁控微型软体机器人，包括位于同一平面上的一个头部和五条均布在头部圆周方向上且呈辐射状布置的活动臂；五条活动臂的结构完全相同，其包括上臂、前臂和手部；头部、上臂、前臂和手部通过弹性筋依次连接；头部、上臂、前臂和手部均为具有不同磁场方向的刚性件，其中，头部的磁场方向为沿轴向向上，上臂的磁场方向为以头部的磁场方向为基准逆时针转动不超过90°而形成的斜向向上的磁场方向，手部的磁场方向为沿轴向向下，前臂的磁场方向为以手部的磁场方向为基准逆时针转动不超过90°而形成的斜向向下的磁场方向，使五条活动臂能够在外加磁场的作用下发生多自由度运动并能在外部磁场的作用下能够弯曲抱合为一个类十二面体。
进一步地，头部由正五棱柱和位于正五棱柱顶部的半球一体成型构成，半球的底面压配在正五棱柱的顶面上，且其内接于正五棱柱的顶面内；上臂和前臂为具有片状结构的正五棱柱；手部为具有片状结构的正三棱柱，其边长与正五棱柱的边长一致、高度等于或略大于正五棱柱的高度。
进一步地，在每条活动臂的上臂和前臂的上表面同侧均形成有坡状凸起。
进一步地，头部、上臂、前臂和手部采用由重量比为1:1的I号硅橡胶与磁粉制成；筋采用高弹性的硅橡胶制成；其中，用于制备头部、上臂、前臂和手部的I号硅橡胶采用固化后具有3.9Mpa杨氏模量的PDMS橡胶，用于制备筋的II号硅橡胶采用固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶。
一种上述仿水母磁控微型软体机器人的制备方法，步骤如下：
S1、将I号液态硅橡胶与磁粉按比例混合得到的液态混合物注入模具中的头部、上臂、前臂和手部成型凹槽处，待混合物固化后取出，得到机器人的刚性部件；其中，I号硅橡胶为固化后具有3.9Mpa杨氏模量的PDMS橡胶；
S2、将经过步骤S1得到的各个刚性部件以不同的角度依次放入充磁机中，按照预设的磁场方向对每个刚性部件行充磁化；
S3、将经过步骤S2充磁的各个刚性部件按照步骤S1固化成型的方式放入至模具中间的机器人成型部分的对应的凹槽内，并在模具中余下的空槽内注入II号液态硅橡胶，把各个磁化后的刚性部件连结成一个整体；待液态硅橡胶固化成型后取出，即得到一个完整的仿水母磁控微型软体机器人；其中，II号硅橡胶为固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶。
该仿水母磁控微型软体机器人能够实现夹持物体、爬行运动、滚动运动、水平拖动运动、螺旋式游泳运动以及张合式游泳运动六种运动模式，具体地，
驱动该仿水母磁控微型软体机器人实现夹持物体的方法，步骤如下：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，并逐渐增强外加磁场的强度直至大于80Gs，使机器人的五条活动臂逐渐朝向同一个方向弯曲，直至达到完全闭合状态，实现机器人的夹持动作。
驱动该仿水母磁控微型软体机器人实现爬行运动的方法，步骤如下：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于60Gs并保持不变，使五条活动臂在液体中弯折并维持一定开合角，使机器人呈站立姿态；然后周期性地将磁场方向偏转一定角度，同时在40～45Gs范围内改变磁场强度的大小，实现机器人的爬行运动。
驱动该仿水母磁控微型软体机器人实现滚动运动的方法，步骤如下：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，并逐渐增强外加磁场的强度直至大于80Gs，使机器人的五条活动臂逐渐朝向同一个方向弯曲，直至达到完全闭合状态；然后改变外部磁场方向使其发生偏转并始终保持轴线方向上的磁场强度分量大于80Gs，实现机器人的滚动运动。
驱动该仿水母磁控微型软体机器人实现水平拖动运动的方法，步骤如下：沿机器人头部的轴线方向产生一个磁场强度始终大于80Gs的梯度磁场，机器人的五条活动臂朝向同一个方向弯曲直至完全闭合，并沿梯度磁场方向运动，实现机器人的水平拖动运动。
驱动该仿水母磁控微型软体机器人实现螺旋式游泳运动的方法，步骤如下：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于70Gs并保持不变，使五条活动臂在液体中弯折并维持一定开合角，然后在另外两个正交方向上合成旋转磁场，使机器人产生旋转运动进而向前游动，实现机器人的螺旋式游泳运动。
驱动该仿水母磁控微型软体机器人实现张合式游泳运动的方法，步骤如下：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于70Gs；然后保持磁场方向不变，而磁场强度在40～70Gs范围内进行周期性变化，使机器人产生往复的开、合运动，实现机器人的张合式游泳运动
与现有技术相比，该仿水母磁控微型软体机器人结构和制作工艺简单，且易于控制，在变换磁场的驱动下能实现包括夹持物体、爬行运动、滚动运动、水平拖动运动、螺旋式游泳运动以及张合式游泳运动六种运动模式，具有极高的生物形态模拟特性和重复使用特性。
附图说明
图1为本发明的仿水母磁控微型软体机器人的结构示意图；
图2为制作本发明的仿水母磁控微型软体机器人的充磁角度示意图；
图3为用于对本发明的仿水母磁控微型软体机器人的头部和前臂充磁的充磁模块及充磁过程中头部和前臂设置方向的示意图；
图4为用于对本发明的仿水母磁控微型软体机器人的手和上臂充磁的充磁模块及充磁过程中手和上臂设置方向的示意图；
图5(a)为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在夹持模式下夹持柱形物体的结构示意图；
图5(b)为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在夹持模式下夹持球形物体的结构示意图；
图6为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在爬行模式下的结构示意图；
图7为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在滚动模式下的结构示意图；
图8为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在水平拖动模式下的结构示意图；
图9为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在螺旋游泳模式下的结构示意图；
图10为本发明的仿水母磁控微型软体机器人在张合游泳模式下的结构示意图；
图11为制作本发明的仿水母磁控微型软体机器人的模具结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，该仿水母磁控微型软体机器人包括位于同一平面上的一个头部1和五条均布在头部1圆周方向上且呈辐射状布置的活动臂；五条活动臂的结构完全相同，均包括上臂2、前臂3和手部4；其中，头部1、上臂2、前臂3和手部4通过弹性筋5依次连接，且连接在上臂2上的两个弹性筋5位于上臂2上非相邻的两条边壁上；连接在前臂3上的两个弹性筋5位于前臂3上非相邻的两条边壁上。其中，
头部1、上臂2、前臂3和手部4采用刚性件制成，作为该仿水母磁控微型软体机器人的骨骼，具体地，头部1由一个边长为2mm，高度为0.1mm的正五棱柱以及一个位于正五棱柱顶部的半球一体成型构成，半球的底面压配在正五棱柱的顶面上，且半球的半径与正五棱柱的五边形顶面的内接圆的半径一致，使半球的底面内接于正五棱柱的顶面内；该半球的设置能够起到稳定机器人中心的作用；上臂2和前臂3同样为边长为2mm，高度为0.1m的正五棱柱结构，由于高度尺寸较小，因此整体呈片状；在每条活动壁的上臂2和前臂3的上表面均自中心线朝向同侧形成有轴向高度逐渐增大的坡状凸起6，该结构用于实现螺旋式游泳模式；手部4为边长2mm、高度为0.1～0.5mm的正三棱柱，整体呈片状或块状；
筋5由一种高弹性的硅橡胶制成，其宽度为0.2mm，厚度为0.1mm；筋5将各刚性件进行连接形成一个完整的机器人，同时其柔性结构特点与刚性部件结合使机器人具有多自由度变换的能力；
为了使机器人具有拟生物形态的性能，头部1、上臂2、前臂3和手部4为四种具有不同磁场方向的刚性件，如图2所示。为了满足不同方向的充磁，共设计了两种充磁模块；具体地，
如图3所示为用于头部1与上臂2的充磁模块，具体充磁方法为：将头部1置于水平面，上臂2放置于一个预先定义角度β(β＝116.57°)的斜面的斜平台，头部1和上臂2相连接的边壁保持相互平行，然后向头部1和上臂2进行充磁，充磁磁场方向为沿轴向向上；然后将头部1保持在原位置固定，单独将充磁模块顺时针旋转72°，将第二块上臂2同样以两个相连接的边壁相互平行的方式摆放在斜平台上进行充磁；再次将充磁模块顺时针旋转72°，将第三块上臂2之按照上述方法进行充磁，以此类推，完成五块上臂2的充磁。如图4所示为用于前臂3与手4的充磁模块，具体充磁方法为：将第一条活动臂的手部4置于水平面上、前臂3放置于一个预先定义角度β(β＝116.57°)的斜面的斜平台，且手部4和前臂3采用相连接的边壁相互平行的方式放置，向手部4和前臂3进行充磁，充磁磁场方向为沿轴向向下；然后将充磁模块顺时针旋转72°，并以相同的方式将第二条活动臂的手部4和前臂3分别放置在充磁模块的水平面和斜面上，向手部4和前臂3进行充磁；接着以此类推，对剩下三条活动臂的手部4和前臂3进行充磁，使五条活动臂能够在外加磁场的作用下发生多自由度运动，且当外加磁场的磁场强度足够大时，该机器人的五条活动臂能够弯曲抱合为一个类十二面体。
该仿水母磁控微型软体机器人的制备方法如下：
S1、根据仿水母磁控微型软体机器人的运动空间的限制，设计机器人各部件的尺寸，并利用高精度3D打印机打印出机器人所需的模具，如图11所示；
S2、将I号液态硅橡胶与磁粉按重量比为1:1的比例混合得到的液态混合物注入模具中的头部、上臂、前臂和手部成型凹槽处，待混合物固化后取出，得到机器人的刚性部件；
S3、将经过步骤S1得到的各个刚性部件以不同的角度依次放入充磁机中，按照预设的磁场方向对每个刚性部件行进行磁化；
S4、将经过步骤S2充磁的各个刚性部件按照步骤S1固化成型后，放置于模具中间的机器人成型凹槽内的对应位置，并在模具的各个凹槽内注入II号液态硅橡胶，待液态硅橡胶固化成型后取出，即得到一个完整的仿水母磁控微型软体机器人。在上述步骤中，I号液态硅橡胶为PDMS橡胶材料，磁粉为钕铁硼，II号液态硅橡胶为铂催化有机硅橡胶材料。
该仿水母磁控微型软体机器人能够实现夹持物体、爬行运动、滚动运动、水平拖动运动、螺旋式游泳运动以及张合式游泳运动六种运动模式，具体驱动方式如下：
I、一种驱动仿水母磁控微型软体机器人实现夹持物体的方法，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，并逐渐增强外加磁场的强度直至大于80Gs，使机器人的五条活动臂逐渐朝向同一个方向弯曲，直至达到完全闭合状态，实现机器人的夹持动作，如图5所示；
II、一种驱动仿水母磁控微型软体机器人实现爬行运动的方法，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于60Gs并保持不变，使五条活动臂在液体中弯折并维持一定开合角，使机器人呈站立姿态；然后周期性地将磁场方向偏转一定角度，同时在40～45Gs范围内改变磁场强度的大小，实现机器人的爬行运动，如图6所示；
III、一种驱动仿水母磁控微型软体机器人实现滚动运动的方法，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，并逐渐增强外加磁场的强度直至大于80Gs，使机器人的五条活动臂逐渐朝向同一个方向弯曲，直至达到完全闭合状态；然后改变外部磁场方向使其发生偏转并始终保持轴线方向上的磁场强度分量大于80Gs，实现机器人的滚动运动，如图7所示；
IV、一种驱动仿水母磁控微型软体机器人实现水平拖动运动的方法，沿机器人头部的轴线方向产生一个磁场强度始终大于80Gs的梯度磁场，机器人的五条活动臂朝向同一个方向弯曲直至完全闭合，并沿梯度磁场方向运动，实现机器人的水平拖动运动，如图8所示；
V、一种驱动仿水母磁控微型软体机器人实现螺旋式游泳运动的方法，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于70Gs并保持不变，使五条活动臂在液体中弯折并维持一定开合角，然后在另外两个正交方向上合成旋转磁场，使机器人产生旋转运动进而向前游动，实现机器人的螺旋式游泳运动，如图9所示；
VI、一种驱动仿水母磁控微型软体机器人实现张合式游泳运动的方法，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于70Gs；然后保持磁场方向不变，而磁场强度在40～70Gs范围内进行周期性变化，使机器人产生往复的开、合运动，实现机器人的张合式游泳运动，如图10所示。

Claims (9)

1.一种仿水母磁控微型软体机器人，其特征在于，包括位于同一平面上的一个头部(1)和五条均布在头部(1)圆周方向上且呈辐射状布置的活动臂；五条活动臂的结构完全相同，其包括上臂(2)、前臂(3)和手部(4)；头部(1)、上臂(2)、前臂(3)和手部(4)通过弹性筋(5)依次连接；头部(1)、上臂(2)、前臂(3)和手部(4)均为具有不同磁场方向的刚性件，其中，头部(1)的磁场方向为沿轴向向上，上臂(2)的磁场方向为以头部(1)的磁场方向为基准逆时针转动不超过90°而形成的斜向向上的磁场方向，手部(4)的磁场方向为沿轴向向下，前臂(3)的磁场方向为以手部(4)的磁场方向为基准逆时针转动不超过90°而形成的斜向向下的磁场方向，使五条活动臂能够在外加磁场的作用下发生多自由度运动并能在外部磁场的作用下能够弯曲抱合为一个类十二面体；
头部(1)由正五棱柱和位于正五棱柱顶部的半球一体成型构成，半球的底面压配在正五棱柱的顶面上，且其内接于正五棱柱的顶面内；上臂(2)和前臂(3)为具有片状结构的正五棱柱；手部(4)为具有片状结构的正三棱柱，其边长与正五棱柱的边长一致、高度等于或略大于正五棱柱的高度；
在每条活动臂的上臂(2)和前臂(3)的上表面同侧均形成有坡状凸起(6)。
2.根据权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人，其特征在于，头部(1)、上臂(2)、前臂(3)和手部(4)采用由重量比为1:1的I号硅橡胶与磁粉制成；筋(5)采用高弹性的硅橡胶制成；其中，用于制备头部(1)、上臂(2)、前臂(3)和手部(4)的I号硅橡胶采用固化后具有3.9Mpa杨氏模量的PDMS橡胶，用于制备筋(5)的II号硅橡胶采用固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶。
3.一种如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1、将呈液态状的I号硅橡胶与磁粉按比例混合得到的液态混合物注入模具中的头部、上臂、前臂和手部成型凹槽处，待混合物固化后取出，得到机器人的刚性部件；其中，I号硅橡胶为固化后具有3.9Mpa杨氏模量的PDMS橡胶；
S2、将经过步骤S1得到的各个刚性部件以不同的角度依次放入充磁机中，按照预设的磁场方向对每个刚性部件行进行磁化；
S3、将经过步骤S2充磁的各个刚性部件按照步骤S1固化成型的方式放入至模具中间的机器人成型部分的对应的凹槽内，并在模具中余下的空槽内注入呈液态状的II号硅橡胶，把各个磁化后的刚性部件连结成一个整体；待液态硅橡胶固化成型后取出，即得到一个完整的仿水母磁控微型软体机器人；其中，II号硅橡胶为固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶。
4.一种驱动如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人实现夹持物体的方法，其特征在于，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，并逐渐增强外加磁场的强度直至大于80Gs，使机器人的五条活动臂逐渐朝向同一个方向弯曲，直至达到完全闭合状态，实现机器人的夹持动作。
5.一种驱动如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人实现爬行运动的方法，其特征在于，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于60Gs并保持不变，使五条活动臂在液体中弯折并维持一定开合角，使机器人呈站立姿态；然后周期性地将磁场方向偏转一定角度，同时在40～45Gs范围内改变磁场强度的大小，实现机器人的爬行运动。
6.一种驱动如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人实现滚动运动的方法，其特征在于，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，并逐渐增强外加磁场的强度直至大于80Gs，使机器人的五条活动臂逐渐朝向同一个方向弯曲，直至达到完全闭合状态；然后改变外部磁场方向使其发生偏转并始终保持轴线方向上的磁场强度分量大于80Gs，实现机器人的滚动运动。
7.一种驱动如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人实现水平拖动运动的方法，其特征在于，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个磁场强度始终大于80Gs的梯度磁场，机器人的五条活动臂朝向同一个方向弯曲直至完全闭合，并沿梯度磁场方向运动，实现机器人的水平拖动运动。
8.一种驱动如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人实现螺旋式游泳运动的方法，其特征在于，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于70Gs并保持不变，使五条活动臂在液体中弯折并维持一定开合角，然后在另外两个正交方向上合成旋转磁场，使机器人产生旋转运动进而向前游动，实现机器人的螺旋式游泳运动。
9.一种驱动如权利要求1的仿水母磁控微型软体机器人实现张合式游泳运动的方法，其特征在于，具体步骤为：沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，且磁场强度小于70Gs；然后保持磁场方向不变，而磁场强度在40～70Gs范围内进行周期性变化，使机器人产生往复的开、合运动，实现机器人的张合式游泳运动。
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