CN110216667A - 一种磁控软体机器人的可控磁化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控软体机器人的可控磁化系统，实现空间和时间均可控的磁场设计，包括：阵列式分布微型线圈和磁性纳米颗粒均匀分布固化于所述水凝胶基底构成磁控软体机器人；所述水凝胶基底的形状根据预设需求设定；所述阵列式分布微型线圈中的微型线圈可连接外部励磁装置，以对微型线圈施加脉冲电流，使得微型线圈内部产生满足所述磁性纳米颗粒充磁要求的磁场；通过控制所述脉冲电流的方向控制所述磁性纳米颗粒的磁化分布方向；在磁性纳米颗粒充磁完成后，通过在水凝胶基底外部施加预设方向的驱动磁场控制所述磁控软体机器人按预设行动轨迹运动。本发明解决了当前软体机器人整体充磁下磁化分布单一的问题，可实现局部磁化以及精准磁化控制。

Description

一种磁控软体机器人的可控磁化系统

技术领域

本发明涉及磁控软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁控软体机器 人的可控磁化系统。

背景技术

传统机器人技术基于硬质材料和刚性结构连接，广泛应用于重复性高、 快速、精确的控制领域。但是在非结构化、狭窄和复杂环境中，通常会受 限于运动灵活性和环境适应能力。为此，研究者们提出了基于仿生原理的 软体机器人。早期软体机器人多采用有缆驱动技术或者化学驱动技术，前 者便于形成闭环反馈且能量供应简便充足，但往往结构较繁琐，在狭小曲 折的环境中难以实现特定行走路线和运动距离，灵活性大大受限；后者驱动自由度较高，且机器人本体辅助元件少，但是化学燃料或者催化剂在机 器人执行任务期间通常具有毒性，安全性无法得到保障。水凝胶作为一种 可快速响应、制备简单、生物相容性高的新型材料，在软体机器人领域具 有重要的应用价值。

磁场作为一种安全高效的控制策略也愈加受到研究者们的青睐，其无 缆驱动方式保证了软体机器人的运动灵活性，同时核磁共振等成熟的医疗 手段证明特定量级的磁场可以无损穿透生物组织。2018年初德国马普智能 研究所Sitti课题组首次提出将磁性纳米颗粒与硅胶材料相结合，利用卷绕 法对机器人本体进行充磁，同时利用三轴亥姆霍兹线圈产生磁场进行实时 控制的方法，开创了磁控软体机器人领域的先河。同年，麻省理工学院赵 选贺教授课题组基于3D打印技术，通过控制喷头和磁场方向在打印过程中 对磁性复合油墨进行磁畴排布设计，并提出借此实现软体机器人进行靶向 治疗的构想。但是上述两种软体机器人的磁化方式都具有一定局限性，卷 绕法只能实现单一整体的磁化分布，无法对局部进行操控，且磁化分布类 型有限。基于3D打印的磁化方式需要复杂的算法支持以及特定的打印设备 与技术。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现阶段软体机器人难以 局部或者整体可控充磁的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种磁控软体机器人的可控磁化系统， 包括：阵列式分布微型线圈、水凝胶基底以及磁性纳米颗粒；

所述阵列式分布微型线圈和磁性纳米颗粒均匀分布固化于所述水凝胶 基底构成磁控软体机器人；所述水凝胶基底的形状根据预设需求设定；

所述阵列式分布微型线圈中的微型线圈可连接外部励磁装置，以对微 型线圈施加脉冲电流，使得微型线圈内部产生满足所述磁性纳米颗粒充磁 要求的磁场；通过控制所述脉冲电流的方向控制所述磁性纳米颗粒的磁化 分布方向；

在所述磁性纳米颗粒充磁完成后，通过在水凝胶基底外部施加预设方 向的驱动磁场控制所述磁控软体机器人按预设行动轨迹运动。

可选地，所述磁性纳米颗粒与未固化的水凝胶按照预设比例混合调配 成混合体；

所述阵列式分布微型线圈按照预设排布置于所述混合体，所述混合体 的形状决定所述水凝胶基底的形状；所述水凝胶固化后，得到所述磁控软 体机器人；每个微型线圈具有引出线，用于连接外部励磁装置。

可选地，对所述磁性纳米颗粒可以进行整体或者局部充磁；

所述磁性纳米颗粒具有高剩磁特性，所述驱动磁场可进行远程操控。

具体地，高剩磁特性为在撤掉充磁装置提供的外加磁场后，钕铁硼磁 性颗粒仍能保持较高的剩磁强度，从而便于后续的无线控制。

可选地，对所述磁性纳米颗粒充磁时，通过充磁同时进行实现其磁化 方向可控。

可选地，所述水凝胶基底作为磁控软体机器人的柔性载体，同时水凝 胶固化后对微型线圈起到固定作用。

可选地，所述水凝胶基底为长条形时，通过对微型线圈的充磁控制， 使得磁性纳米颗粒在水凝胶基底中磁化方向呈多段相反趋势分布；通过垂 直方向的均匀磁场使磁控软体机器人产生变形，同时施加水平方向梯度场 进行牵引，使得其爬行行走。

可选地，所述水凝胶基底为十字形时，其十字形中心无磁性纳米颗粒， 仅起连接作用，通过对微型线圈的充磁控制，使得磁性纳米颗粒在十字形 的四条边的每条边的磁化方向呈相反趋势分布；通过磁场对磁控软体机器 人的四条边进行控制，使得其完成抓取、负载或释放动作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有 以下有益效果：

本发明所述的磁控软体机器人磁化系统可以更加灵活地控制机器人内 部的磁化分布，相比于卷绕法磁化角单一固定，微型线圈的磁化方向基本 是任意可调的。

本发明所述的磁控软体机器人磁化系统不需要复杂的路线设计和定位 系统，相比于基于3D打印设计磁畴分布的方法，本发明不涉及复杂算法进 行探头定位的问题，只要在埋设封装微型线圈时保证充磁组件的预设精度， 即可保证充磁方向的精度。

本发明可同时满足局部磁化和整体磁化的需求，可以对软体机器人内 部群体磁性颗粒进行分布式控制，若采用全局控制的磁场信号，则软体机 器人将会以耦合的方式运动，且各磁性颗粒之间会产生吸引力和排斥力， 从而使磁化分布受到限制。

本发明可以实现软体机器人局部或者整体失磁后的再次充磁。由于永 磁材料磁性颗粒在高温或者碰撞条件下可能会出现失磁现象，可以通过微 型线圈的引出线再次对失磁部分进行磁化，提高磁控软体机器人的使用寿 命。

本发明所述的基于可控微型线圈阵列的磁控软体机器人磁化系统，通 过使用永磁材料磁性颗粒、无磁性水凝胶材料以及微型线圈，同时实现了 软体机器人的灵活性、机动性和可控性。

附图说明

图1为本发明提供的磁控软体机器人的实际操作流程图；

图2a为本发明提供的磁控软体机器人磁化系统未加磁场前磁性颗粒乱 序排布示意图；

图2b为本发明提供的磁控软体机器人磁化系统磁化后磁性颗粒分布轴 线与微型线圈的中轴线基本重合示意图；

图3a为本发明提供的外部励磁装置产生脉冲电流原理示意图；

图3b为本发明提供的外部励磁装置产生的充磁电流示意图；

图4为本发明提供的用于仿生磁控软体机器人的磁化实例示意图；

图5为本发明提供的仿生磁控软体机器人在磁场控制下出现的响应示 意图；

图6为本发明提供的用于抓取型磁控软体机器人的磁化实例示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中， 10为水凝胶溶液，11为磁性纳米颗粒，12～17为线圈，22～27为充磁磁场 的中轴线，30、31为两根引出线，32为微型线圈及所通励磁电流的方向； 33为微型线圈产生的充磁方向，34为水凝胶基底和磁性纳米颗粒的混合物， 40为无磁性水凝胶，42、43为两根引出线；41为微型线圈及所通励磁电流 的方向；44为微型线圈产生的充磁方向，45表示水凝胶基底和磁性纳米颗 粒的混合物。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

本发明提出了一种基于可控微型线圈阵列的磁控软体机器人磁化系统， 解决了现阶段软体机器人难以局部或者整体可控充磁的难题，为磁控软体 机器人提供一种新的结构和思路。

本发明还提供了几种可行的软体机器人内部磁化分布设计及实施方案， 旨在为进一步的科研工作提供可能性和便利性。

如图1所示，本发明提供一种基于可控微型线圈阵列的磁控软体机器 人磁化系统，磁控软体机器人磁化系统包括阵列式分布微型线圈、水凝胶 基底、高剩磁磁性纳米颗粒以及脉冲励磁装置；其中所述阵列式分布微型 线圈的匝数和直径可根据所需磁化强度进行调整，接入外部励磁装置后相 当于“电磁铁”，将一个脉冲电流加载在微型线圈上，在线圈的内部产生满 足充磁要求的磁场，且充磁方向可调并与设计磁化分布方向一致。

具体地，外部励磁装置是在微型线圈已在固化的水凝胶基底中封装完 成后再进行连接。

进一步地，充磁结束后，所述永磁材料磁性颗粒高剩磁特性保证了剩 磁强度，后续驱动磁场只需毫特量级即可。

进一步地，在实际致动过程中，所述磁控软体机器人与所述外部励磁 装置的连接已断开，从而可实现远程无线控制。整个操作流程示意图如图1 所示。

本发明提供一种基于微型线圈的磁控软体机器人磁化系统及实现该方 法的组件。

第一实施例关于磁化系统组件的制作与构成。

首先按照需要的磁场强度预制一系列匝数和直径确定的微型线圈备用。 将磁性纳米钕铁硼颗粒按照一定比例与未固化的水凝胶溶液进行均匀混合， 倒入预制的模具基板。图2a展示了所述磁性纳米颗粒11在未加磁场前无 序混乱地分布在水凝胶溶液10中。按照设计的磁化分布将微型线圈以一定 距离和角度埋设在水凝胶溶液中，如图2b所示，白色箭头方向代表预设的 磁化分布，线圈12、13、14、15、16、17按照图中所示的位置进行排布，并在常温下等待水凝胶基底固化从而实现微型线圈的封装和固定，其中， 每个微型线圈具备两根引出线用以连接脉冲励磁装置，微型线圈产生的充 磁磁场方向如图2b中标注的N极和S极方向所示，充磁磁场的中轴线为图 2b中标注的22～27，其与预设的磁化分布方向相同，充磁完成后，将引出 线与外部励磁装置的连接断开，从而可以实现进一步的磁场无线调控。

图3a为本发明提供的外部励磁装置产生脉冲电流原理示意图，其中C 为脉冲电容器，初始电压为U_c，充当放电回路的电源，整个放电回路可以等 效为二阶RLC电路，其中R和L为考虑线路参数及微型线圈电阻和电感的 等效值，二极管D和续流电阻R_D构成续流回路，保证开关K闭合后，不 会出现电流反向，从而使正向的脉冲电流通过微型线圈；

图3b为本发明提供的外部励磁装置产生的充磁电流示意图，由于图3a 中的续流回路，所以保证充磁电流方向不会改变，脉冲电流的峰值和上升 时间由电容值、线圈匝数和体积等共同决定，脉宽由续流电阻决定；

第二实施例

基于自然界中毛毛虫行走姿态的启发，本发明提出一种基于本发明所 述磁化系统的仿生模型，并预测了在给定磁场控制下的运动模式。如图4 所示，仿生模型由六段磁化方向相反的部分组成，其中每段包括30、31两 根引出线连接至外部励磁装置；32表示微型线圈及所通励磁电流的方向； 33为微型线圈产生的充磁方向，同时也是微型线圈的轴线方向；34表示水 凝胶基底和磁性纳米颗粒的混合物。按照图4中每段所示的通流方向进行 励磁后，相邻两段形成相反的磁化分布，再利用亥姆霍兹线圈产生如图5 所示的外加均匀磁场进行控制，从而产生类似毛毛虫的形态，并施加梯度 场进行牵引，使仿生软体机器人可以像毛毛虫一样行走，可应用于狭窄弯 曲的环境中。

第三实施例

靶向药物治疗成为近些年的研究热点，故提出一种基于本发明所述磁 化系统的磁控软体机器人模型，理论上其可以完成药物抓取、负载和释放 等动作。如图6所示40为无磁性水凝胶，起到连接作用，其余部分均采取 如第二实施例所述的磁化方式进行磁化，其中每段包括42、43两根引出线 连接至外部励磁装置；41表示微型线圈及所通励磁电流的方向；44为微型 线圈产生的充磁方向，同时也是微型线圈的轴线方向；45表示水凝胶基底 和磁性纳米颗粒的混合物。当外部环境导致磁控软体机器人部分失磁时， 可通过失磁部分的引出线再次连接到外部励磁装置进行重复充磁。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，包括：阵列式分布微型线圈、水凝胶基底以及磁性纳米颗粒；

所述阵列式分布微型线圈和磁性纳米颗粒均匀分布固化于所述水凝胶基底构成磁控软体机器人；所述水凝胶基底的形状根据预设需求设定；

所述阵列式分布微型线圈中的微型线圈可连接外部励磁装置，以对微型线圈施加脉冲电流，使得微型线圈内部产生满足所述磁性纳米颗粒充磁要求的磁场；通过控制所述脉冲电流的方向控制所述磁性纳米颗粒的磁化分布方向；

在所述磁性纳米颗粒充磁完成后，通过在水凝胶基底外部施加预设方向的驱动磁场控制所述磁控软体机器人按预设行动轨迹运动。

2.根据权利要求1所述的磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，所述磁性纳米颗粒与未固化的水凝胶按照预设比例混合调配成混合体；

所述阵列式分布微型线圈按照预设排布置于所述混合体，所述混合体的形状决定所述水凝胶基底的形状；所述水凝胶固化后，得到所述磁控软体机器人；每个微型线圈具有引出线，用于连接外部励磁装置。

3.根据权利要求2所述的磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，对所述磁性纳米颗粒可以进行整体或者局部充磁；

所述磁性纳米颗粒具有高剩磁特性，所述驱动磁场可进行远程操控。

4.根据权利要求2所述的磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，对所述磁性纳米颗粒充磁时，通过充磁同时进行实现其磁化方向可控。

5.根据权利要求2所述的磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，所述水凝胶基底作为磁控软体机器人的柔性载体，同时水凝胶固化后对微型线圈起到固定作用。

6.根据权利要求1至5任一项所述的磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，所述水凝胶基底为长条形时，通过对微型线圈的充磁控制，使得磁性纳米颗粒在水凝胶基底中磁化方向呈多段相反趋势分布；通过垂直方向的均匀磁场使磁控软体机器人产生变形，同时施加水平方向梯度场进行牵引，使得其爬行行走。

7.根据权利要求1至5任一项所述的磁控软体机器人的可控磁化系统，其特征在于，所述水凝胶基底为十字形时，其十字形中心无磁性纳米颗粒，仅起连接作用，通过对微型线圈的充磁控制，使得磁性纳米颗粒在十字形的四条边的每条边的磁化方向呈相反趋势分布；通过磁场对磁控软体机器人的四条边进行控制，使得其完成抓取、负载或释放动作。