CN110733057A - 一种磁控光驱软体机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁控光驱软体机器人，涉及机器人技术领域。包括底座、机械臂一、机械臂二、机械臂三、机械臂四、液晶弹性体层、光热转换试剂层以及磁流体层，所述底座的顶部依次设置有机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四，所述机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四分别粘接设置在底座上表面的四周。该磁控光驱软体机器人，控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制，而传统控制方式需要把信号对准在不同位置，实现不同的运动方向控制，具有非接触式特点，控制与驱动分别采用磁场和光源，无需导线，适用于复杂场合，如人体靶向给药、复杂地形探测等；该软体机器人改变移动方向时，无需转动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种磁控光驱软体机器人。
背景技术
磁控软体机器人，德国马普智能系统研究所研发的机器人，从外面上看，磁控软体机器人像一片普通的黑色塑料，但在磁场控制下，这片塑料就能“成精”，像软体动物一样运动，它能在水下或水面游动、卷成圆圈滚动、跳过障碍物以及在细管中爬行，灵活切换运动形式，胜任各种液体或固体地形，此外，机器人还能进行装货、运货和卸货操作，据论文介绍，这是一段长3.7毫米、宽1.5毫米、厚185微米的长方体机器人，主体材料为硅胶，内嵌具有磁性的钕铁硼微颗粒，颗粒平均直径为5微米，机器人表面防水，可以被处理成生物相容材料，德国马普智能系统研究所的一个团队在《Nature》杂志上报告了一种毫米尺度的磁控软体机器人，能改变自身形态，模拟毛毛虫、尺蠖以及水母等多种软体动物的运动模式，堪称“铁人三项”选手，由于机器人的运动纯由磁场驱动，可以轻松而无伤地穿透生物组织和合成材料，有望应用于微工程和健康医疗领域，如靶向药物递送或微创手术。
机器人事先被设定成单波长谐波磁剖面，可以在随时间变化的磁场控制下改变自身的形态，向不同的方向牵引，尤其产生不同的运动模式，具体视机器人面临的场地而定，当完全浸没在水中时，机器人可以在C形和V形间变换，泳姿与水母相似，靠近岸边后，机器人可以保持C形旋转滚离水面，滚动也是规则表面上的最快运动方式，毛毛虫就是如此逃离捕食者的，当处于不规则地面上时，机器人会模拟尺蠖的步伐，先用前端支地，调整角度后拉动后端前移，再用后端支地，重新舒展前端，如果要钻进狭小的管道，机器人会像毛毛虫一样波形振动，爬进去，在水面上游动时，机器人也会采用同样的波动方式，最后，如果机器人遇到很高的障碍物，爬行和滚动都很费时，机器人就会像线虫一样形变跳跃，而传统的光驱软体机器人控制方式需要把信号对准在不同位置，实现不同的运动方向控制，调控较为复杂，导致使用效果一般。而且传统的光驱软体机器人适用场合比较单一，为此，提出一种磁控光驱软体机器人来解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种磁控光驱软体机器人，具备控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制、非接触式以及软体机器人改变移动方向时无需转动的优点，以解决传统的光驱软体机器人控制方式需要把信号对准在不同位置，实现不同的运动方向控制，调控较为复杂的问题。
为实现控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制、非接触式以及软体机器人改变移动方向时无需转动的目的，本发明提供如下技术方案：一种磁控光驱软体机器人，包括底座、机械臂一、机械臂二、机械臂三、机械臂四、液晶弹性体层、光热转换试剂层以及磁流体层，所述底座的顶部依次设置有机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四，所述机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四分别粘接设置在底座上表面的四周；
所述机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四均由液晶弹性体层、光热转换试剂层以及磁流体层三层构成，所述液晶弹性体层、光热转换试剂层以及磁流体层是由下往上分布设置。
作为本发明的一种优选技术方案，所述磁流体层位于机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四的顶层，所述机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四顶层的磁流体层材料以及尺寸均相同。
作为本发明的一种优选技术方案，所述光热转换试剂层位于机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四的中部，且机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四中部的光热转换试剂层尺寸相同，但材料不同。
作为本发明的一种优选技术方案，所述液晶弹性体层位于机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四的底层，所述机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四底层的液晶弹性体层尺寸以及材料均相同。
作为本发明的一种优选技术方案，所述该磁控光驱软体机器人顶部的磁流体层具有高剩磁特性，驱动磁场可进行远程操控，磁场控制下该磁控光驱软体机器人可以改变自身的形态，向不同的方向牵引，尤其产生不同的运动模式。
作为本发明的一种优选技术方案，所述机械臂一、机械臂二、机械臂三以及机械臂四顶部的磁流体层材料以及尺寸均一致，利用磁场可以对该光驱软体机器人进行控制，具体为：所述磁流体层在施加H1磁场时的透射谱中，下陷波长为λ1，有一定带宽；所述磁流体层在施加H2磁场时的透射谱中，下陷波长为λ2，有一定带宽；所述磁流体层在施加H3磁场时的透射谱中，下陷波长为λ3，有一定带宽；所述磁流体层在施加H4磁场时的透射谱中，下陷波长为λ4，有一定带宽。
作为本发明的一种优选技术方案，所述机械臂一内部的光热转换试剂层对λ1波段的光敏感，所述机械臂二内部的光热转换试剂层对λ2波段的光敏感，所述机械臂三内部的光热转换试剂层对λ3波段的光敏感，所述机械臂四内部的光热转换试剂层对λ4波段的光敏感。
作为本发明的一种优选技术方案，该光驱软体机器人的控制机制中，驱动源为周期性的λ1、λ2,、λ3、λ4共4个波段光源；4个方向的控制信号为H1、H2、H3、H4共四种不同大小的磁场，驱动源也可选为周期性的波段光源；4个方向的控制信号也可为四种不同大小的周期性磁场。
作为本发明的一种优选技术方案，该磁控光驱软体机器人控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制。
作为本发明的一种优选技术方案，该磁控光驱软体机器人的控制与驱动分别采用磁场和光源，不需要使用导线进行控制与驱动。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种磁控光驱软体机器人，具备以下有益效果：
1、该磁控光驱软体机器人，控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制，而传统控制方式需要把信号对准在不同位置，实现不同的运动方向控制，调控较为复杂。
2、该磁控光驱软体机器人，具有非接触式特点，控制与驱动分别采用磁场和光源，无需导线，适用于复杂场合，如人体靶向给药、复杂地形探测等；该软体机器人改变移动方向时，无需转动。
3、该磁控光驱软体机器人，方向控制信号和驱动信号不同，有利于得到快速驱动效果，而施加强度较大的λ1、λ2,、λ3、λ4波段光源进行驱动，用周期性的较小磁场强度的H1进行方向控制，可以实现大驱动位移，如果采用传统的单信号进行不同方向的驱动，因为信号除作为驱动源还具有方向控制功能，故需要周期性切换以实现控制方向变化，信号无法实现较大的峰值切换。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明分层拆分结构示意图；
图3为本发明四臂磁流体层的光透射谱示意图；
图4为本发明软体机器人移动示意图。
图中：1、底座；2、机械臂一；3、机械臂二；4、机械臂三；5、机械臂四；6、液晶弹性体层；7、光热转换试剂层；8、磁流体层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明公开了一种磁控光驱软体机器人，包括底座1、机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4、机械臂四5、液晶弹性体层6、光热转换试剂层7以及磁流体层8，所述底座1的顶部依次设置有机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5，所述机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5分别粘接设置在底座1上表面的四周；
所述机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5均由液晶弹性体层6、光热转换试剂层7以及磁流体层8三层构成，所述液晶弹性体层6、光热转换试剂层7以及磁流体层8是由下往上分布设置。
请参阅图2，所述磁流体层8位于机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5的顶层，所述机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5顶层的磁流体层8材料以及尺寸均相同，所述光热转换试剂层7位于机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5的中部，且机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5中部的光热转换试剂层7尺寸相同，但材料不同，所述液晶弹性体层6位于机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5的底层，所述机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5底层的液晶弹性体层6尺寸以及材料均相同。
具体的，所述该磁控光驱软体机器人顶部的磁流体层8具有高剩磁特性，驱动磁场可进行远程操控，磁场控制下该磁控光驱软体机器人可以改变自身的形态，向不同的方向牵引，尤其产生不同的运动模式。
请参阅图3，所述机械臂一2、机械臂二3、机械臂三4以及机械臂四5顶部的磁流体层8材料以及尺寸均一致，利用磁场可以对该光驱软体机器人进行控制，具体为：所述磁流体层8在施加H1磁场时的透射谱中，下陷波长为λ1，有一定带宽；所述磁流体层8在施加H2磁场时的透射谱中，下陷波长为λ2，有一定带宽；所述磁流体层8在施加H3磁场时的透射谱中，下陷波长为λ3，有一定带宽；所述磁流体层8在施加H4磁场时的透射谱中，下陷波长为λ4，有一定带宽，所述机械臂一2内部的光热转换试剂层7对λ1波段的光敏感，所述机械臂二3内部的光热转换试剂层7对λ2波段的光敏感，所述机械臂三4内部的光热转换试剂层7对λ3波段的光敏感，所述机械臂四5内部的光热转换试剂层7对λ4波段的光敏感。
请参阅图4，该光驱软体机器人的控制机制中，驱动源为周期性的λ1、λ2,、λ3、λ4共4个波段光源；4个方向的控制信号为H1、H2、H3、H4共四种不同大小的磁场，驱动源也可选为周期性的波段光源；4个方向的控制信号也可为四种不同大小的周期性磁场。
具体的，该磁控光驱软体机器人控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制，该磁控光驱软体机器人的控制与驱动分别采用磁场和光源，不需要使用导线进行控制与驱动。
请参阅图4，对软体机器人同时施加周期性的λ1、λ2,、λ3、λ4共4个波段光源照射，当施加H1磁场时，λ1波段的光无法到达软体机器人的四个臂，因为此时臂上的磁流体层8起到光开关的作用；
λ2,、λ3、λ4共3个波段的光到达光热转换试剂层7时，因四个臂的光热转换试剂层7对不同波段的光敏感，会造成机械臂二3、机械臂三4和机械臂四5吸热，从而让底层的液晶弹性体层6弯曲形变，如图4所示，在光源周期性照射下，推动软体机器人朝机械臂一2方向移动；
类似的，施加H2磁场时，软体机器人朝机械臂二3方向移动；施加H3磁场时，软体机器人朝机械臂三4方向移动；施加H4磁场时，软体机器人朝机械臂四5方向移动。
在本软体机器人控制机制中，驱动源为周期性的λ1、λ2,、λ3、λ4共4个波段光源；4个方向的控制信号为H1、H2、H3、H4共四种不同大小的磁场，分析可知，驱动源也可选为周期性的波段光源；4个方向的控制信号也可为四种不同大小的周期性磁场，如表1所示：
表1软体机器人运动的控制信号与驱动源
| 方向控制信号 | 驱动源 | 臂的弯曲(周期) | 运动方向 |
| H1 | λ1、λ2，、λ3、λ4(周期) | 臂2、臂3、臂4 | 臂1 |
| H2 | λ1、λ2，、λ3、λ4(周期) | 臂1、臂3、臂4 | 臂2 |
| H3 | λ1、λ2，、λ3、λ4(周期) | 臂1、臂2、臂4 | 臂3 |
| H4 | λ1、λ2，、λ3、λ4(周期) | 臂1、臂2、臂3 | 臂4 |
| H1(周期) | λ1、λ2，、λ3、λ4 | 臂2、臂3、臂4 | 臂1 |
| H2(周期) | λ1、λ2，、λ3、λ4 | 臂1、臂3、臂4 | 臂2 |
| H3(周期) | λ1、λ2，、λ3、λ4 | 臂1、臂2、臂4 | 臂3 |
| H4(周期) | λ1、λ2，、λ3、λ4 | 臂1、臂2、臂3 | 臂4 |
备注：臂1指的是机械臂一；臂2指的是机械臂二；臂3指的是机械臂三；臂4指的是机械臂四。
综上所述，该磁控光驱软体机器人，控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制，而传统控制方式需要把信号对准在不同位置，实现不同的运动方向控制，调控较为复杂；具有非接触式特点，控制与驱动分别采用磁场和光源，无需导线，适用于复杂场合，如人体靶向给药、复杂地形探测等；该软体机器人改变移动方向时，无需转动；方向控制信号和驱动信号不同，有利于得到快速驱动效果，而施加强度较大的λ1、λ2，、λ3、λ4波段光源进行驱动，用周期性的较小磁场强度的H1进行方向控制，可以实现大驱动位移，如果采用传统的单信号进行不同方向的驱动，因为信号除作为驱动源还具有方向控制功能，故需要周期性切换以实现控制方向变化，信号无法实现较大的峰值切换。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种磁控光驱软体机器人，包括底座(1)、机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)、机械臂四(5)、液晶弹性体层(6)、光热转换试剂层(7)以及磁流体层(8)，其特征在于：所述底座(1)的顶部依次设置有机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)，所述机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)分别粘接设置在底座(1)上表面的四周；
所述机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)均由液晶弹性体层(6)、光热转换试剂层(7)以及磁流体层(8)三层构成，所述液晶弹性体层(6)、光热转换试剂层(7)以及磁流体层(8)是由下往上分布设置。
2.根据权利要求1所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：所述磁流体层(8)位于机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)的顶层，所述机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)顶层的磁流体层(8)材料以及尺寸均相同。
3.根据权利要求1所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：所述光热转换试剂层(7)位于机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)的中部，且机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)中部的光热转换试剂层(7)尺寸相同，但材料不同。
4.根据权利要求1所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：所述液晶弹性体层(6)位于机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)的底层，所述机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)底层的液晶弹性体层(6)尺寸以及材料均相同。
5.根据权利要求1所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：所述该磁控光驱软体机器人顶部的磁流体层(8)具有高剩磁特性，驱动磁场可进行远程操控，磁场控制下该磁控光驱软体机器人可以改变自身的形态，向不同的方向牵引，尤其产生不同的运动模式。
6.根据权利要求5所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：所述机械臂一(2)、机械臂二(3)、机械臂三(4)以及机械臂四(5)顶部的磁流体层(8)材料以及尺寸均一致，利用磁场可以对该光驱软体机器人进行控制，具体为：所述磁流体层(8)在施加H1磁场时的透射谱中，下陷波长为λ1，有一定带宽；所述磁流体层(8)在施加H2磁场时的透射谱中，下陷波长为λ2，有一定带宽；所述磁流体层(8)在施加H3磁场时的透射谱中，下陷波长为λ3，有一定带宽；所述磁流体层(8)在施加H4磁场时的透射谱中，下陷波长为λ4，有一定带宽。
7.根据权利要求6所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：所述机械臂一(2)内部的光热转换试剂层(7)对λ1波段的光敏感，所述机械臂二(3)内部的光热转换试剂层(7)对λ2波段的光敏感，所述机械臂三(4)内部的光热转换试剂层(7)对λ3波段的光敏感，所述机械臂四(5)内部的光热转换试剂层(7)对λ4波段的光敏感。
8.根据权利要求7所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：该光驱软体机器人的控制机制中，驱动源为周期性的λ1、λ2,、λ3、λ4共4个波段光源；4个方向的控制信号为H1、H2、H3、H4共四种不同大小的磁场，驱动源也可选为周期性的波段光源；4个方向的控制信号也可为四种不同大小的周期性磁场。
9.根据权利要求8所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：该磁控光驱软体机器人控制信号与驱动源施加位置、方向与角度无严格限制。
10.根据权利要求9所述的一种磁控光驱软体机器人，其特征在于：该磁控光驱软体机器人的控制与驱动分别采用磁场和光源，不需要使用导线进行控制与驱动。
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2019
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