CN110722545A - 一种磁控微型软体爬行机器人及其制备、应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁控微型软体爬行机器人，包括位于同一平面上的头部、尾部以及连接头部和尾部的关节；头部、尾部均被磁化，且头部被磁化方向为垂直机器人所在平面向上，尾部被磁化方向为垂直机器人所在平面向下，在外加磁场的作用下，关节能够弯曲成一个拱形；本发明还提供了磁控微型软体爬行机器人的制备和应用方法。本发明能够在交变磁场的驱动下实现爬行或转向运动。

Description

一种磁控微型软体爬行机器人及其制备、应用方法
技术领域
本发明属于微型机器人技术领域，尤其涉及一种磁控微型软体爬行机器人及其制备、应用方法。
背景技术
微型机器人作为机器人学科的一个重要分支，也是仿生领域的重要组成部分。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。
专利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；但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。
此外，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。专利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，该机器人依旧由金属材料制成，刚性结构也限制了该机器人的应用环境。
因此，基于这些问题，提供一种能够在交变磁场的驱动下实现爬行或转向运动的磁控微型软体爬行机器人及其制备、应用方法，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够在交变磁场的驱动下实现爬行或转向运动的磁控微型软体爬行机器人及其制备、应用方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种磁控微型软体爬行机器人，包括位于同一平面上的头部、尾部以及连接头部和尾部的关节；头部、尾部均被磁化，且头部被磁化方向为垂直机器人所在平面向上，尾部被磁化方向为垂直机器人所在平面向下，在外加磁场的作用下，关节能够弯曲成一个拱形。
进一步的，所述头部和尾部均采用由重量比为1:0.15的硅橡胶与磁粉制成；关节采用硅橡胶制成。
进一步的，所述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。
进一步的，所述头部、尾部、关节均为尺寸一致的长方体。
一种磁控微型软体爬行机器人的制备方法，包括如下步骤：
S1、将液态硅橡胶与磁粉按重量比为1:0.15的比例混合得到的液态混合物分别注入模具中的头部、尾部凹槽中，待混合物固化后取出；其中，磁粉为钕铁硼，硅橡胶为固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶；
S2、将经过步骤S1得到的头部和尾部同时放入充磁机中，按照预设的磁场方向对头部和尾部进行磁化；
S3、将经过步骤S2充磁后的头部和尾部，放置于模具中的机器人成型凹槽内的对应位置，并在模具的凹槽内注入液态硅橡胶，待液态硅橡胶固化成型后取出，即得到完整的磁控微型软体爬行机器人。
一种磁控微型软体爬行机器人的应用方法，包括如下步骤：
A、由机器人的头部侧沿机器人轴线方向施加外部磁场，外部磁场强度由零逐渐增大到拟定值，并且磁场与机器人初始所在平面夹角由零逐渐增加到30°，在此过程中，机器人由自然平放状态逐渐变到弯曲状态，当外部磁场达到最大值时机器人达到最大弯曲状态，完成收缩运动，该过程中头部顶点与底面相对静止，尾部顶点与底面相对滑动；
B、由机器人的头部侧施加外部磁场，磁场方向与机器人初始所在平面夹角由-30°逐渐到零，且外部磁场强度由步骤A中的拟定值逐渐变为零，在此过程中，机器人由弯曲状态逐渐变为自然平放状态，尾部顶点相对平面静止，而头部顶点相对滑动，完成伸展运动；
C、重复以上A、B的收缩、伸展运动，实现机器人连续爬行动作。
进一步的，所述机器人在爬行过程中还可以实现转向运动，具体的：当机器人弯曲成拱形状态时，机器人自身磁化方向与外加磁场方向存在一定的偏角，当施加的外部磁场在机器人所在平面的投影与机器人轴向存在一定夹角时，形成可以使机器人旋转的磁力矩，机器人也随着产生相应的转动，机器人完成转向运动。
本发明的优点和积极效果是：
本发明的机器人头部、尾部均被磁化，且磁化方向相反，关节连接头部和尾部，使机器人能够在外加磁场的作用下弯曲成一个拱形，通过控制外加磁场的方向及强度，机器人实现连续的弯曲或者伸展运动，并且通过变化外加磁场与机器人初始平面的夹角，还可以实现机器人的转向运动。与现有技术相比，该微型软体爬行机器人结构简单，易于制作；且仅需在三维亥姆赫兹线圈提供的交变磁场条件下便可实现在平面内朝任意方向爬行，更易于控制；同时基于硅橡胶这样的软材料，让机器人可以有更多的应用场景。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人的磁化方向的示意图；
图3为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人的制备模具结构示意图；
图4为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人完成收缩运动的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人完成伸展运动的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人实现转向动作的结构示意图；
图中：4、头部或/和尾部凹槽5、成型凹槽
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面就结合图1至图6来具体说明本发明。
实施例1
图1为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人的磁化方向的示意图；图3为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人的制备模具结构示意图；图4为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人完成收缩运动的结构示意图；图5为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人完成伸展运动的结构示意图；图6为本发明实施例提供的磁控微型软体爬行机器人实现转向动作的结构示意图；如图1～6所示，本实施例提供的一种磁控微型软体爬行机器人，包括位于同一平面上的头部1、尾部3以及连接头部和尾部的关节2；头部1、尾部2均被磁化，且头部1被磁化方向为垂直机器人所在平面向上，尾部2被磁化方向为垂直机器人所在平面向下，在外加磁场的作用下，关节3能够弯曲成一个拱形。
需要说明的是，所述头部1和尾部3均采用由重量比为1:0.15的硅橡胶与磁粉制成；关节2采用硅橡胶制成；并且，所述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。
为了制备方便，可以考虑，所述头部1、尾部3、关节2均为尺寸一致的长方体；在本实施例中，头部1、尾部3、关节2均为长3mm、宽3mm、高0.45mm的长方体。
一种磁控微型软体爬行机器人的制备方法，包括如下步骤：
S1、将液态硅橡胶与磁粉按重量比为1:0.15的比例混合得到的液态混合物分别注入模具中的头部、尾部凹槽中，待混合物固化后取出；其中，磁粉为钕铁硼，硅橡胶为固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶；
S2、将经过步骤S1得到的头部和尾部同时放入充磁机中，按照预设的磁场方向对头部和尾部进行磁化；
S3、将经过步骤S2充磁后的头部和尾部，放置于模具中的机器人成型凹槽内的对应位置，并在模具的凹槽内注入液态硅橡胶，待液态硅橡胶固化成型后取出，即得到完整的磁控微型软体爬行机器人。
具体的，如图3所示，模具中开设有头部和尾部凹槽4，用来实现制备头部、尾部，并且还有机器人成型凹槽5，将头部和尾部放置于模具中的机器人成型凹槽内的两侧位置，然后在其中间位置注入液态硅橡胶，固话成型，即可得到磁控微型软体爬行机器人；模具根据磁控微型软体爬行机器人的运动空间的限制和机器人各部件的尺寸设计，并利用高精度3D打印机打印出即可；
需要说明的是，在对头部和尾部进行磁化时，只需将头部和尾部放入充磁设备中进行磁化即可。
一种磁控微型软体爬行机器人的应用方法，包括如下步骤：
A、由机器人的头部侧沿机器人轴线方向施加外部磁场，外部磁场强度由零逐渐增大到拟定值，在本实施例中，外部磁场的拟定值为80GS，并且磁场与机器人初始所在平面夹角由零逐渐增加到30°，在此过程中，机器人由自然平放状态逐渐变到弯曲状态，当外部磁场达到最大值时机器人达到最大弯曲状态，完成收缩运动，该过程中头部顶点与底面相对静止，尾部顶点与底面相对滑动；该过程中由于磁场方向与机器人初始平面夹角为正，因此，头部所受到的磁力矩大于尾部受到的磁力矩，所以，头部顶点对于平面的压力大于尾部顶点对于地面的压力，导致头部顶点处的摩擦力大于尾部顶点处的摩擦力，所以在此过程中，头部顶点与底面相对静止，尾部顶点与底面相对滑动；
B、由机器人的头部侧施加外部磁场，磁场方向与机器人初始所在平面夹角由-30°逐渐到零，且外部磁场强度由步骤A中的拟定值逐渐变为零，在此过程中，机器人由弯曲状态逐渐变为自然平放状态，尾部顶点相对平面静止，而头部顶点相对滑动，完成伸展运动；该过程中由于磁场方向与机器人初始所在平面夹角为负，因此，头部所受到的磁力矩小于尾部受到的磁力矩，所以，头部顶点对于平面的压力小于尾部顶点对于地面的压力，导致头部顶点处的摩擦力小于尾部顶点处的摩擦力，所以，在此过程中，尾部顶点相对平面静止，而头部顶点相对滑动；
C、重复以上A、B的收缩、伸展运动，实现机器人连续爬行动作。
进一步的，所述机器人在爬行过程中还可以实现转向运动，具体的：当机器人弯曲成拱形状态时，机器人自身磁化方向与外加磁场方向存在一定的偏角，当施加的外部磁场在机器人所在平面的投影与机器人轴向存在一定夹角时，形成可以使机器人旋转的磁力矩，机器人也随着产生相应的转动，机器人完成转向运动，如图6所示；
以上机器人的前进或者转向运动，可以通过将该磁控微型软体爬行机器人置于三维亥姆赫兹线圈中的平面内，三维亥姆赫兹线圈可以产生xyz三个方向的任意均匀磁场。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种磁控微型软体爬行机器人，其特征在于：包括位于同一平面上的头部(1)、尾部(3)以及连接头部和尾部的关节(2)；头部(1)、尾部(2)均被磁化，且头部(1)被磁化方向为垂直机器人所在平面向上，尾部(2)被磁化方向为垂直机器人所在平面向下，在外加磁场的作用下，关节(3)能够弯曲成一个拱形。
2.根据权利要求1所述的一种磁控微型软体爬行机器人，其特征在于：所述头部(1)和尾部(3)均采用由重量比为1:0.15的硅橡胶与磁粉制成；关节(2)采用硅橡胶制成。
3.根据权利要求2所述的一种磁控微型软体爬行机器人，其特征在于：所述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。
4.根据权利要求1所述的一种磁控微型软体爬行机器人，其特征在于：所述头部(1)、尾部(3)、关节(2)均为尺寸一致的长方体。
5.权利要求1-4任一项所述的一种磁控微型软体爬行机器人的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将液态硅橡胶与磁粉按重量比为1:0.15的比例混合得到的液态混合物分别注入模具中的头部、尾部凹槽中，待混合物固化后取出；其中，磁粉为钕铁硼，硅橡胶为固化后具有0.1Mpa杨氏模量的铂催化有机硅橡胶；
S2、将经过步骤S1得到的头部和尾部同时放入充磁机中，按照预设的磁场方向对头部和尾部进行磁化；
S3、将经过步骤S2充磁后的头部和尾部，放置于模具中的机器人成型凹槽内的对应位置，并在模具的凹槽内注入液态硅橡胶，待液态硅橡胶固化成型后取出，即得到完整的磁控微型软体爬行机器人。
6.权利要求1-4任一项所述的一种磁控微型软体爬行机器人的应用方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、由机器人的头部侧沿机器人轴线方向施加外部磁场，外部磁场强度由零逐渐增大到拟定值，并且磁场与机器人初始所在平面夹角由零逐渐增加到30°，在此过程中，机器人由自然平放状态逐渐变到弯曲状态，当外部磁场达到最大值时机器人达到最大弯曲状态，完成收缩运动，该过程中头部顶点与底面相对静止，尾部顶点与底面相对滑动；
B、由机器人的头部侧施加外部磁场，磁场方向与机器人初始所在平面夹角由-30°逐渐到零，且外部磁场强度由步骤A中的拟定值逐渐变为零，在此过程中，机器人由弯曲状态逐渐变为自然平放状态，尾部顶点相对平面静止，而头部顶点相对滑动，完成伸展运动；
C、重复以上A、B的收缩、伸展运动，实现机器人连续爬行动作。
7.权利要求5所述的一种磁控微型软体爬行机器人的应用方法，其特征在于：所述机器人在爬行过程中还可以实现转向运动，具体的：当机器人弯曲成拱形状态时，机器人自身磁化方向与外加磁场方向存在一定的偏角，当施加的外部磁场在机器人所在平面的投影与机器人轴向存在一定夹角时，形成可以使机器人旋转的磁力矩，机器人也随着产生相应的转动，机器人完成转向运动。
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