CN110783055A

CN110783055A - 一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法

Info

Publication number: CN110783055A
Application number: CN201911010537.5A
Authority: CN
Inventors: 曹全梁; 杜立蒙; 韩小涛; 巨雨薇; 李亮
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-02-11

Abstract

本发明公开了一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法，装置包括电源系统和励磁系统，电源系统用于为励磁系统提供脉冲电流，励磁系统通过脉冲电流控制磁性软体机器人的脉冲式充磁或减幅振荡式退磁。方法包括根据磁性软体机器人中的目标磁化路径，确定励磁单元的空间布局，设计与之对应的固定构件，并将励磁单元嵌入到固定构件中；在放电电容充电完毕的情况下，触发导通放电开关，产生空间磁化磁场，导致磁性软体机器人内部将发生充磁或退磁。本发明提供的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法通过改变励磁单元来控制空间磁化磁场的分布，从而实现了机器人内部磁化路径的调控，提高了磁性软体机器人磁化路径调控的灵活性。

Description

一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法

技术领域

本发明属于磁性软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法。

背景技术

软体机器人一般采用较低弹性模量(10⁴～10⁹Pa)的软材料制成，具有多自由度和连续变形性好等特征，与刚体机器人相比表现出更好的适应性和灵活性，在生物医学以及复杂环境探测等领域具有广泛的应用前景。

磁性软体机器人是通过将磁性微纳米颗粒内嵌至软体机器人内部(软体机器人固化前，将软物质材料与磁性微纳米颗粒充分混合)而形成的新型软体机器人，在外加磁场作用下表现出很好的磁响应性能，通过外加磁场大小、方向等可实现机器人多功能运动模式的调控。由于磁场具有非接触、生物组织穿透性好等优势，已成为软体机器人领域的研究热点。

磁性软体机器人在磁场下的响应特性，除了与外加激励磁场有关外，还与其内在的磁化特性有关。现有磁化技术主要有以下三种：单向磁化、卷绕法磁化及3D打印辅助式磁化。前两种磁化模式单一，最后一种虽可表现出多种磁化模式，但工艺复杂，对设备要求高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法，旨在提高机器人磁化特性的多样性和灵活性，为实现更多复杂运动功能的磁性软体机器人提供技术支撑。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置，包括电源系统和励磁系统，电源系统用于为励磁系统提供脉冲电流，脉冲电流控制磁性软体机器人的脉冲式充磁或减幅振荡式退磁；

励磁系统包括多个励磁单元和固定构件，每个励磁单元用于通入脉冲电流并产生空间磁化磁场，使得目标磁性软体机器人在该空间磁化磁场作用下发生磁化，固定构件用于固定励磁单元，提高励磁单元的机械强度，避免在磁化过程中励磁单元在电磁力作用下发生位移或变形。

优选地，每个励磁单元为一个长导线或一个螺线管线圈。每个励磁单元的类型、形状、通流大小、电流方向、每两个励磁单元之间的距离均可调，因此空间磁化磁场的分布可自由控制，从而实现磁性软体机器人磁化路径的调控。同时，通过调控励磁单元内的电流波形设计磁性软体机器人各局部区域的充退磁模式，使得不同的局部区域可以分别采用充磁状态或退磁状态，亦可进一步实现机器人磁化路径的调节。

优选地，电源系统包括放电电容、放电开关、保护电阻和续流支路；放电电容、放电开关、保护电阻和励磁系统组成放电回路；续流支路包括续流二极管和续流电阻；

放电电容用于储存电能并为励磁系统提供脉冲电流；

放电开关用于触发导通放电回路，使得由放电电容提供的脉冲电流能流入励磁单元；

保护电阻用于限制放电回路的脉冲电流峰值，避免放电回路中出现短路时脉冲电流峰值过高，导致放电开关和励磁系统损坏；

续流二极管用于当放电电容的电压反向时自动导通续流支路；

续流电阻用于调节流入励磁单元的放电电流过峰值后的衰减速度，从而控制励磁单元的温升和空间磁化磁场的衰减模式。在对磁性软体机器人进行磁化设计时，一方面可选用较大的续流电阻值使电路呈过阻尼状态，避免流入励磁单元的脉冲电流反向，从而实现磁性软体机器人的脉冲式充磁；另一方面可根据需要，通过调整续流电阻值以改变流入励磁单元的脉冲电流的振荡幅度，从而实现磁性软体机器人的减幅振荡式退磁。

按照本发明的另一方面，提供了一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控方法，包括以下步骤：

S1、根据磁性软体机器人中的目标磁化路径，选定励磁单元的空间布局；

S2、根据S1中励磁单元的空间布局，设计与之对应的固定构件，并将励磁单元嵌入到固定构件中；

S3、根据磁性软体机器人的磁化性能和目标磁化强度、励磁单元的空间布局选定电源系统中的电路参数；

S4、在放电电容充电完毕的情况下，触发导通放电开关，此时励磁单元将流过脉冲电流并在空间中产生空间磁化磁场，空间磁化磁场的分布取决于励磁单元的空间布局，在空间磁化磁场的作用下，磁性软体机器人内部将发生充磁或退磁，其充退磁路径取决于空间磁化磁场的分布，而充退磁强度由空间磁化磁场的强度和材料自身的磁化性能共同影响。

优选地，励磁单元的空间布局包括励磁单元的类型、形状、通流大小、电流方向以及各个励磁单元之间的距离。

优选地，电路参数包括放电电容值、保护电阻值和续流电阻值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法通过改变励磁单元的类型、形状、距离和通流方向来控制空间磁化磁场的分布，从而实现了机器人内部磁化路径的调控，提高了磁性软体机器人磁化路径调控的灵活性；

(2)与常规直流励磁相比，在本发明中空间磁化磁场由高幅值脉冲电流产生，磁性软体机器人磁化强度大，在此基础上，通过调节续流支路中的续流电阻值，一方面可产生非振荡磁场实现脉冲式充磁，另一方面可产生振荡磁场实现脉冲式退磁，进一步丰富了磁化特性的调控手段，磁化效率高；

(3)本发明提供的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置仅包括电源系统和磁化系统两部分，其中用于产生空间磁化磁场的励磁单元为普通长导线或螺线管线圈，其结构简单、易于取材。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置的三维结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的调控装置的励磁系统的二维剖面图；

图3是本发明实施例2提供的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置的三维结构示意图；

图4是本发明实施例2提供的调控装置的励磁系统的二维剖面图；

图5是本发明实施例3提供的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置的三维结构示意图；

附图标记：

1、放电电容，2、放电开关，3、保护电阻，4、续流二极管，5、续流电阻，6、磁性软体机器人，7、励磁单元，8、固定构件。

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不构成冲突就可以相互组合。

本发明一方面提供了一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置，包括电源系统和励磁系统，电源系统用于为励磁系统提供脉冲电流，脉冲电流控制磁性软体机器人的脉冲式充磁或减幅振荡式退磁；励磁系统包括多个励磁单元和固定构件，每个励磁单元用于通入脉冲电流并产生空间磁化磁场，使得目标磁性软体机器人在该空间磁化磁场作用下发生磁化，固定构件用于固定励磁单元，提高励磁单元的机械强度，避免在磁化过程中励磁单元在电磁力作用下发生位移或变形。

具体地，每个励磁单元为一个长导线或一个螺线管线圈。每个励磁单元的形状和电流方向、每两个励磁单元之间的距离均可调，因此空间磁化磁场的分布可自由控制，从而实现磁性软体机器人磁化路径的调控。同时，通过调控励磁单元内的电流波形设计磁性软体机器人各局部区域的充退磁模式，使得不同的局部区域可以分别采用充磁状态或退磁状态，亦可进一步实现机器人磁化路径的调节。

具体地，电源系统包括放电电容、放电开关、保护电阻和续流支路；放电电容、放电开关、保护电阻和励磁系统组成放电回路；续流支路包括续流二极管和续流电阻；放电电容用于储存电能并为励磁系统提供脉冲电流；放电开关用于触发导通放电回路，使得由放电电容提供的脉冲电流能流入励磁单元；保护电阻用于限制放电回路的脉冲电流峰值，避免放电回路中出现短路时脉冲电流峰值过高，导致放电开关和励磁系统损坏；续流二极管用于当放电电容的电压反向时自动导通续流支路；续流电阻用于调节流入励磁单元的放电电流过峰值后的衰减速度，从而控制励磁单元的温升和空间磁化磁场的衰减模式。在对磁性软体机器人进行磁化设计时，一方面可选用较大的续流电阻值使电路呈过阻尼状态，避免流入励磁单元的脉冲电流反向，从而实现磁性软体机器人的脉冲式充磁；另一方面可根据需要，通过调整续流电阻值以改变流入励磁单元的脉冲电流的振荡幅度，从而实现磁性软体机器人的减幅振荡式退磁。

本发明另一方面提供了一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控方法，包括以下步骤：

具体地，励磁单元的空间布局包括励磁单元的类型、形状、通流大小、方向以及各个励磁单元之间的距离。

具体地，电路参数包括放电电容值、保护电阻值和续流电阻值。

实施例1

图1为本实施例提供的一种磁性软体机器人磁化路径调控装置的系统三维图，包括电源系统、磁化系统和磁性软体机器人6。

电源系统由三个独立的放电电路组成，每一个放电电路均包括放电电容1、放电开关2、保护电阻3、续流二极管4和续流电阻5。

磁化系统中包括六个励磁单元，每个励磁单元均为一段圆形截面的长直导线，相邻两个励磁单元之间的距离相等。所有励磁单元均嵌入放置在固定构件8中，以保证在整个磁化过程中励磁单元不会在电磁力作用下发生位移或变形。其中，第一励磁单元7a和第二励磁单元7b组成第一励磁单元组，第三励磁单元7c和第四励磁单元7d组成第二励磁单元组，第五励磁单元7e和第六励磁单元7f组成第三励磁单元组。每个励磁单元组中的两个励磁单元的其中一侧通过导线直接相连，另一侧与电源系统中的一个放电电路相连构成回路。在此连接方式下，当放电电容1充电结束并触发放电开关2导通时，流经同一个励磁单元组中两个励磁单元的电流方向相反。在本实施例中，通过控制每一个放电回路中放电电容的电压和续流二极管的方向，使得放电电流从每一个励磁单元组的右侧励磁单元中流入、从左侧励磁单元中流出。

磁化系统和磁性软体机器人6沿截面S的二维剖视图如图2所示。第一、三、五励磁单元7a、7c、7e的电流方向垂直于纸面向内，它们在磁性软体机器人6中产生的空间磁化磁场方向为顺时针；第二、四、六励磁单元7b、7d、7f的电流方向垂直于纸面向外，它们在磁性软体机器人6中产生的空间磁化磁场方向为逆时针。在所有励磁单元的共同作用下，磁性软体机器人6中的磁化路径呈波浪状均匀分布，相邻波峰或相邻波谷之间的距离相等。

实施例2

图3为本实施例提供的一种磁性软体机器人磁化路径调控装置的系统三维图，包括电源系统、磁化系统和磁性软体机器人6。

电源系统由两个独立的放电电路组成，每一个放电电路均包括放电电容1、放电开关2、保护电阻3、续流二极管4和续流电阻5。

磁化系统中包括六个励磁单元，每个励磁单元均为一段圆形截面的长直导线，相邻两个励磁单元之间的距离不全相等。所有励磁单元均嵌入放置在固定构件8中，以保证在整个磁化过程中励磁单元不会在电磁力作用下发生位移或变形。其中，第一、二、三励磁单元7a、7b、7c组成第一励磁单元组，第四、五、六励磁单元7d、7e、7f组成第二励磁单元组。每个励磁单元组中三个励磁单元的同侧通过导线相连，并以并联方式接入到电源系统的一个放电电路中构成回路。在此连接方式下，当放电电容1充电结束并触发放电开关2导通时，流经同一个励磁单元组中三个励磁单元的电流方向相同。在本实施例中，通过控制两个放电回路中放电电容的电压和续流二极管的方向，使得流经两个励磁单元组中的电流方向相反。

磁化系统和磁性软体机器人6沿截面S的二维剖视图如图4所示。第一、二、三励磁单元7a、7b、7c的电流方向垂直于纸面向外，它们产生的空间磁化磁场方向为逆时针；第四、五、六励磁单元7d、7e、7f的电流方向垂直于纸面向内，它们产生的空间磁化磁场方向为顺时针。在所有励磁单元的共同作用下，磁性软体机器人6中的磁化路径呈左右对称的波浪状分布，但由于励磁单元之间的距离不全相等，使得磁化路径分布不均匀，相邻波峰或相邻波谷之间的距离不相等。

实施例3

图5为本发明提供的一种磁性软体机器人磁化路径调控装置的系统三维图，包括放电电路、励磁单元和磁性软体机器人6。

放电电路包括放电电容1、放电开关2、保护电阻3、续流二极管4和续流电阻5。励磁单元7为一个呈S形结构的螺线管线圈，线圈的两端与放电电路相连构成闭合回路。励磁单元7放置在磁性软体机器人6的上方，两者之间的距离为几毫米。在此连接方式下，对放电电容1进行充电，充电结束后触发放电开关2导通，此时脉冲电流从螺线管线圈右侧流入、左侧流出。由右手定则可知，螺线管线圈内部的磁场方向为从左往右，其路径与螺线管形状一致呈S形。在螺线管线圈外部磁场的作用下，磁性软体机器人6中位于螺线管线圈下方的区域将发生磁化，磁化路径与螺线管线圈内部磁场一致呈S形，磁化方向与螺线管线圈的通流方向一致，即从右往左。

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

1.一种磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置，其特征在于，包括电源系统和励磁系统，所述电源系统用于为所述励磁系统提供脉冲电流，所述励磁系统通过脉冲电流控制磁性软体机器人的脉冲式充磁或减幅振荡式退磁；

所述励磁系统包括多个励磁单元和固定构件，所述励磁单元用于通入脉冲电流并产生空间磁化磁场，使得目标磁性软体机器人在该空间磁化磁场作用下发生磁化，所述固定构件用于将励磁单元固定在磁性软体机器人上，提高励磁单元的机械强度，避免在磁化过程中励磁单元在电磁力作用下发生位移或变形。

2.根据权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述电源系统包括放电电容、放电开关、保护电阻和续流支路；所述放电电容、放电开关、保护电阻和励磁系统组成放电回路；所述续流支路包括续流二极管和续流电阻；

所述放电电容用于储存电能并为励磁系统提供脉冲电流；

所述放电开关用于触发导通放电回路，使得由放电电容提供的脉冲电流能流入励磁单元；

所述保护电阻用于限制放电回路的脉冲电流峰值，避免放电回路中出现短路时脉冲电流峰值过高，导致放电开关和励磁系统损坏；

所述续流二极管用于当放电电容的电压反向时自动导通续流支路；

所述续流电阻用于调节流入励磁单元的放电电流过峰值后的衰减速度，从而控制励磁单元的温升和空间磁化磁场的衰减模式。

3.根据权利要求1所述的调控装置，其特征在于，所述励磁单元为长导线或螺线管线圈。

4.根据权利要求3所述的调控装置，其特征在于，所述励磁单元的类型、形状、通流大小、电流方向、每两个励磁单元之间的距离均可调。

5.一种基于权利要求1至4任一项所述的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据磁性软体机器人中的目标磁化路径，确定励磁单元的空间布局；

S3、根据磁性软体机器人的磁化性能和目标磁化强度、励磁单元的空间布局确定电源系统中的电路参数；

S4、在放电电容充电完毕的情况下，触发导通放电开关，产生空间磁化磁场，在所述空间磁化磁场的作用下，磁性软体机器人内部将发生充磁或退磁。

6.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，所述励磁单元的空间布局包括励磁单元的类型、形状、通流大小、电流方向以及各个励磁单元之间的距离，所述励磁单元的类型、形状、通流大小、电流方向、每两个励磁单元之间的距离均可调。

7.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，所述电路参数包括放电电容值、保护电阻值和续流电阻值。

8.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，磁性软体机器人内部将发生充磁或退磁的充退磁路径取决于空间磁化磁场的分布，充退磁强度由空间磁化磁场的强度和材料自身的磁化性能共同决定。