CN111015683A - 一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人及其步态控制方法 - Google Patents

Abstract

一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人及其步态控制方法，涉及微机器人及其控制领域。本发明是为了解决现有微机器人在固体表面运动形式单一、驱动方式复杂的问题。本发明所述的微机器人，是具有双腿的片状结构。微机器人的步态控制方法，利用三对正交的亥姆霍兹线圈产生震荡磁场，驱动微机器人在固体表面站立行走。线圈在竖直方向产生恒定磁场使微机器人站立，水平方向上的摆动磁场驱动微机器人行走。通过调整水平磁场的摆动方向，可以改变微机器人的行走方向，通过改变磁场的摆动幅值和频率，可以改变微机器人的行进速度。本发明适用于医疗、微操作等领域。

Description

一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人及其步态控制方法

技术领域

本发明涉及双腿站立行走磁微机器人及其步态控制方法，属于微机器人及其控制领域。

背景技术

随着微纳米技术的发展，以及人们在微纳制造、靶向医疗、精密科学实验等方面需求的增加，微机器人近年来得到广泛关注和快速发展。面向体内医疗、化学分析等领域的需求，液体内游动微机器人的研究已开展很多，不同尺寸、结构的游动微机器人被提出，基于它们的驱动方式和控制策略得以广泛研究，相关应用也得到进一步的拓展。然而在狭小空间内，游动微机器人很容易接触或碰撞固体表面，极大降低其运动效率。相比游动微机器人，贴近固体表面运动的微机器人具有更高的运动效率，目前此类机器人也有很多，多以翻滚或粘-滑的方式运动，阻力较大，而且运动方式单一，不够灵活。

文献号为CN107179780A的现有技术，提供了一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，包括一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈、一对Y轴赫姆霍兹线圈、一对Y轴麦克斯韦线圈、一对Z轴赫姆霍兹线圈和一对Z轴麦克斯韦线圈，上述每对线圈均平行设置，一对X轴赫姆霍兹线圈位于一对X轴麦克斯韦线圈内侧，一对Y轴赫姆霍兹线圈位于一对Y轴麦克斯韦线圈内侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈位于一对Z轴麦克斯韦线圈内侧，三对赫姆霍兹线圈轴向方向两两正交，三对麦克斯韦线圈轴向方向两两正交，六对线圈轴向方向共同指向的中间区域为微机器人驱动的工作空间。该发明产生的均匀磁场和均匀梯度磁场的值在一定范围内可控可调；可以对微机器人进行三维空间的无缆驱动。但现有技术对双腿站立行走磁微机器人如何进行步态控制，没有给出说明。

发明内容

本发明是为了解决现有固体表面运动的微机器人运动形式单一、驱动方式复杂、移动效率不高的问题，提供一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人及其步态控制方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

技术方案一：一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，所述机器人为具有双腿的对称片状结构，特征长度H小于等于1mm，厚度小于等于0.1mm。

所述机器人具有的双腿结构为，双腿相互平行或呈一定角度，两腿间留有空隙，双腿的底部均呈尖状。

所述机器人的双腿之间的距离L是特征长度H的0.7～1倍。

进一步地，所述机器人的材料为掺杂纳米磁性颗粒的聚乙二醇二丙烯酸酯，机器人通过紫外光光刻一体化制备；制备微机器人的混合液，将PEGDA和光引发剂混合并加入磁性四氧化三铁纳米粉末，磁粉浓度高于等于30wt％；紫外光刻过程，将混合液注入透明模具中，模具上覆盖掩膜版，紫外光透过掩膜版照射5到10秒，完成微机器人的固化。

机器人的磁化轴与其对称轴平行，磁化方向由机器人底端指向头部。

技术方案二：上述双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，利用磁场驱动装置产生三维摆动磁场，驱动微机器人在固体表面站立行走；

所述磁场驱动装置由三组正交放置的亥姆霍兹线圈对及其驱动单元组成，Z线圈轴线交竖直，X、Y线圈轴线水平，三组线圈轴线交于一点，微机器人工作空间在磁场驱动装置中心区域。

Z线圈施加竖直方向的恒定磁场，使微机器人以两腿支撑站立起来；同时X和Y线圈产生摆动磁场，微机器人在磁力矩的作用下前后摆动，其两腿交替作为支撑而接触底面，另一腿则随机器人摆动离开底面并向前跨步，不断重复，类似人一般逐步向前行走。

微机器人在液体环境中行走，其所在的底面为液体中的固体表面，该面水平或有一定倾斜。

利用水平磁场摆动的方向，改变微机器人行走的方向；利用水平磁场的摆动幅度和频率，改变微机器人行走的速度。

驱动微机器人的摆动磁场由水平方向的摆动磁场和竖直方向的恒定磁场合成，其参数主要包括磁场强度B、摆动频率f、摆动幅度δ、方向角α、仰角θ；摆动幅度δ是磁场水平分量的摆动幅度角，方向角α是水平摆动磁场对称轴与设定的正方向的夹角，仰角θ是磁场与水平面的夹角；则X、Y、Z三个线圈各自产生的磁场随时间t变化的数学表达分别为

B_Z＝k·Bsinθ

式中i、j、k分别是三线圈轴线方向的单位向量，n为自然数；在磁力矩作用下，微机器人的磁化方向与磁场趋于平行，机器人前进方向与水平摆动磁场的对称轴重合，步行方向可以通过磁场方向角α控制，机器人的步行速率可表达为：

式中c_v是不大于1的无量纲常数，表示机器人腿部在固体表面滑动对速度的影响，L是机器人两腿间距离，步幅角β表示机器人每走一步其腿部摆动的角度；步幅角不超过磁场摆动幅度的2倍，并且随摆动幅度增加而增大，机器人的速度可通过磁场摆动的频率f和幅度δ控制。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明所述的微机器人，是具有双腿的片状结构。微机器人的步态控制方法，利用三对正交的亥姆霍兹线圈产生震荡磁场，驱动微机器人在固体表面站立行走。线圈在竖直方向产生恒定磁场使微机器人站立，水平方向上的摆动磁场驱动微机器人行走。通过调整水平磁场的摆动方向，可以改变微机器人的行走方向，通过改变磁场的摆动幅值和频率，可以改变微机器人的行进速度。本发明适用于医疗、微操作等领域。

本发明所述的双腿站立行走磁微机器人，结构简单，尺寸较小，可在狭小空间内工作。微机器人通过紫外光刻一体化制备，所需设备较少，加工过程简单，加工质量较好，制备成本较低。PEGDA属于水凝胶材料，无毒性且易降解，在生物医疗领域应用较多，可以使微机器人能够安全地应用于微创医疗、生物实验等领域。

本发明所述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，利用三组正交放置的亥姆霍兹线圈对产生摆动磁场，驱动微机器人在固体表面站立行走。磁驱动抗干扰能力强，生物兼容性好，利于微机器人在各种条件下行走。微机器人在磁场驱动下站立行走，减少了与底面的摩擦，提高了工作效率，丰富了在固体表面运动的微机器人的运动形式，利用水平磁场的摆动方向，可以改变微机器人行走的方向，利用水平磁场的摆动幅度和频率，可以改变微机器人行走的速度，控制策略简单高效，可根据需要对其进行轨迹规划。

附图说明

图1是几种双腿微机器人形状示意图；

图2是双腿微机器人站立行走原理图；图中a)表示微机器人站立状态，b)和c)表示一个周期内微机器人站立行走的过程，各阶段中上图表示水平方向观察视图，下图为俯视观察视图，坐标系中箭头B指示磁场方向。

图3是磁场各参数及它们对双腿机器人行走状态影响的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，具有双腿的对称片状结构，特征长度H(特征长度是指微机器人的高度)小于等于1mm，厚度小于等于0.1mm。该尺寸保证微机器人能在1厘米以下狭小空间内灵活运动，保证其工作效率。

具体实施方式二：所述机器人具有的双腿结构为，双腿相互平行或呈一定角度，两腿间留有空隙，双腿的底部均呈尖状，减小机器人与所在表面的接触面积。降低它们间的相互作用力，提高运动效率。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：所述机器人的双腿之间的距离L是特征长度H的0.7～1倍，机器人形状细长，便于机器人开展微操作等工作。其他与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：所述机器人的材料为掺杂纳米磁性颗粒的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，机器人通过紫外光光刻一体化制备；

制备微机器人的混合液，将PEGDA和光引发剂混合并加入磁性四氧化三铁纳米粉末，磁粉浓度高于等于30wt％；

紫外光刻过程，将上述混合液注入透明模具中，模具内腔的厚度与机器人厚度相同，在模具上覆盖掩膜版，紫外光透过掩膜版照射模具5到10秒，模具内被紫外光照射到的混合液固化形成微机器人。拆开模具，依次使用无水乙醇和去离子水清洗机器人，洗去其表面杂质并保存。

具体实施方式五：所述机器人的磁化轴与其对称轴平行，磁化方向由机器人底端指向头部，保证机器人站立时微双腿着地。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：上述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法为，利用磁场驱动装置产生三维摆动磁场，驱动微机器人在固体表面站立行走；磁场强度不小于2mT，使作用在机器人的磁力矩大于其行走时受到的阻力矩，保证机器人行走的稳定；

所述磁场驱动装置由三组正交放置的亥姆霍兹线圈对及其驱动单元组成，Z线圈轴线交竖直，X、Y线圈轴线水平，三组线圈轴线交于一点，微机器人工作空间在磁场驱动装置中心区域。

具体实施方式七：在所述双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法中，Z线圈施加竖直方向的恒定磁场，使微机器人以两腿支撑站立起来；

同时X和Y线圈产生摆动磁场，微机器人在磁力矩的作用下前后摆动，其两腿交替作为支撑而接触底面，另一腿则随机器人摆动离开底面并向前跨步，不断重复，类似人一般逐步向前行走。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：在所述双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法中，微机器人在液体环境中行走，其所在底面为液体中的固体表面，该面水平或有一定倾斜。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：在所述双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法中，利用水平磁场摆动的方向，改变微机器人行走的方向；利用水平磁场的摆动幅度和频率，改变微机器人行走的速度。其他与具体实施方式八相同。

实施例

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，所述微机器人为具有双腿的轴对称片状结构，双腿相互平行或呈一定角度，两腿间留有空隙，特征长度小于等于1mm，厚度不超过0.1mm。微机器人材料为聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，通过紫外光光刻方法一体化制备：将PEGDA液体与光引发剂以混合后加入磁性四氧化三铁纳米粉末，磁粉的浓度不小于30wt％，通过机械搅拌和超声搅拌将溶液混合均匀；将溶液注入扁平的透明模具内，将其放入磁化装置中，平行于腔体底面方向磁化；磁化后将模具上覆盖带有微机器人形状的掩膜版，调整掩膜版使微机器人对称轴与磁化方向平行，保证磁化方向由机器人底部指向顶部，用的紫外光照射掩膜版一段时间；拆开模具，用无水乙醇洗掉未固化的材料，用去离子水将粘附在模具壁面的成型微机器人冲洗下来。

上述双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，是利用三轴亥姆霍兹线圈系统产生的磁场控制机器人运动。由三组正交放置的亥姆霍兹线圈对及其驱动单元组成，Z线圈轴线交竖直，X、Y线圈轴线水平，三组线圈轴线交于一点，装有微机器人和液体的容器放在线圈中心位置，机器人下沉在容器底部。Z线圈施加竖直向上的恒定磁场，使微机器人以两腿支撑站立起来，同时X和Y线圈产生水平方向的摆动磁场，微机器人在磁力矩的作用下前后摆动，其两腿交替作为支撑而接触底面，不做支撑的另一腿则随机器人摆动离开底面并向前跨步，不断重复。利用水平磁场的摆动方向，可以改变微机器人行走的方向；利用水平磁场的摆动幅度和频率，可以改变微机器人行走的速度。微机器人在液体环境中行走，其所在底面为液体中的固体表面，该面可以水平或有一定倾斜。

驱动微机器人的摆动磁场由水平方向的摆动磁场和竖直方向的恒定磁场合成，其参数主要包括磁场强度B、摆动频率f、摆动幅度δ、方向角α、仰角θ。摆动幅度δ是磁场水平分量的摆动幅度角，方向角α是水平摆动磁场对称轴与设定的正方向的夹角，仰角θ是磁场与水平面的夹角。则X、Y、Z三个线圈各自产生的磁场随时间t变化的数学表达分别为

B_Z＝k·Bsinθ

式中i、j、k分别是三线圈轴线方向的单位向量，n为自然数。在磁力矩作用下，微机器人的磁化方向与磁场趋于平行，机器人前进方向与水平摆动磁场的对称轴重合，步行方向可以通过磁场方向角α控制。机器人的步行速率可表达为

式中c_v是不大于1的无量纲常数，表示机器人腿部在固体表面滑动对速度的影响，L是机器人两腿间距离，步幅角β表示机器人每走一步其腿部摆动的角度。步幅角不超过磁场摆动幅度的2倍，并且随摆动幅度增加而增大，因此机器人的速度可通过磁场摆动的频率f和幅度δ控制。

图1展示了几种不同形状的双腿微机器人，微机器人均为轴对称图形，双腿分布于对称轴两侧，双腿间留有空隙，便于在行走时跨过障碍物。双腿间可以有一定夹角，如图中a)和b)所示，也可以相互平行，如图中c)和d)所示，均可以实现站立行走。微机器人双腿以上部分的形状，可以根据需要设计对称图形，如图b)设计了头部，则微机器人行走时与人更相似，图d)在上部设计凹槽，便于微机器人推动货物时卡住目标。

结合图2说明微机器人站立行走的过程，图中以三角形微机器人为例，展示了它在水平中的玻璃基底上行走的过程，其他形状机器人的运动过程与它相同。图a)展示的是微机器人站立的过程，未施加磁场时，双腿微机器人在重力的作用下倒在固体表面，施加竖直向上的磁场，微机器人在磁力矩的作用下站立，双腿支撑在固体表面。图b)、c)展示的是微机器人在一个摆动磁场周期内的运动过程。图b)表示的是，当磁场摆向前进方向右侧时，微机器人在磁力矩的作用下跟随磁场向右摆动，此时微机器人的右腿支撑底面不动，左腿抬离底面向前迈步后落地，完成一步动作。图c)表示的是，当磁场摆向左侧时，两腿的运动状态互换，微机器人的左腿支撑底面不动，右腿向前迈步。在每个磁场摆动周期内，微机器人向前走两步，其行走频率与磁场摆动频率一致，可实现微机器人站立连续行走。

结合图3说明摆动磁场的参数和对机器人运动的影响。本专利中的摆动磁场由水平方向的摆动磁场和竖直方向的恒定磁场合成，以三对线圈的轴线为坐标轴建立坐标系描述该磁场。摆动幅度δ是磁场水平分量的摆动幅度角，方向角α是水平摆动磁场对称轴与X坐标轴正方向的夹角，仰角θ是磁场与XOY面的夹角。在磁力矩作用下，微机器人的磁化方向与磁场趋于平行，机器人站立时与水平面的夹角接近磁场仰角θ，可根据工作环境选择合适的磁场仰角，使机器人的运动状态达到最优。机器人的前进方向与水平摆动磁场的对称轴平行，通过磁场方向角α调整机器人的运动方向。微机器人的步幅角β随磁场摆动角δ增加而增大，且它的步频等于磁场频率f，机器人的速度可通过磁场的摆动幅度和频率控制。因此，可以通过磁场各参数控制微机器人站立行走的状态。

Claims (10)

1.一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，其特征在于，所述机器人为具有双腿的对称片状结构，特征长度H小于等于1mm，厚度小于等于0.1mm。

2.根据权利要求1所述的一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，其特征在于，所述机器人具有的双腿结构为，双腿相互平行或呈一定角度，两腿间留有空隙，双腿的底部均呈尖状。

3.根据权利要求2所述的一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，其特征在于，所述机器人的双腿之间的距离L是特征长度H的0.7～1倍。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，其特征在于，所述机器人的材料为掺杂纳米磁性颗粒的聚乙二醇二丙烯酸酯，

机器人通过紫外光光刻一体化制备；

制备微机器人的混合液，将PEGDA和光引发剂混合并加入磁性四氧化三铁纳米粉末，磁粉浓度高于等于30wt％；

紫外光刻过程，将混合液注入透明模具中，模具上覆盖掩膜版，紫外光透过掩膜版照射5到10秒，完成微机器人的固化。

5.根据权利要求4所述的一种外场驱动的双腿站立行走磁微机器人，其特征在于，机器人的磁化轴与其对称轴平行，磁化方向由机器人底端指向头部。

6.权利要求1、2、3、4或5所述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，其特征在于，利用磁场驱动装置产生三维摆动磁场，驱动微机器人在固体表面站立行走；

所述磁场驱动装置由三组正交放置的亥姆霍兹线圈对及其驱动单元组成，Z线圈轴线交竖直，X、Y线圈轴线水平，三组线圈轴线交于一点，微机器人工作空间在磁场驱动装置中心区域。

7.根据权利要求6所述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，其特征在于，Z线圈施加竖直方向的恒定磁场，使微机器人以两腿支撑站立起来；

同时X和Y线圈产生摆动磁场，微机器人在磁力矩的作用下前后摆动，其两腿交替作为支撑而接触底面，另一腿则随机器人摆动离开底面并向前跨步，不断重复，类似人一般逐步向前行走。

8.根据权利要求7所述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，其特征在于，微机器人在液体环境中行走，其所在的底面为液体中的固体表面，该面水平或有一定倾斜。

9.根据权利要求8所述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，其特征在于，利用水平磁场摆动的方向，改变微机器人行走的方向；利用水平磁场的摆动幅度和频率，改变微机器人行走的速度。

10.根据权利要求9所述的双腿站立行走磁微机器人的步态控制方法，其特征在于，驱动微机器人的摆动磁场由水平方向的摆动磁场和竖直方向的恒定磁场合成，其参数主要包括磁场强度B、摆动频率f、摆动幅度δ、方向角α、仰角θ；摆动幅度δ是磁场水平分量的摆动幅度角，方向角α是水平摆动磁场对称轴与设定的正方向的夹角，仰角θ是磁场与水平面的夹角；则X、Y、Z三个线圈各自产生的磁场随时间t变化的数学表达分别为

B_Z＝k·Bsinθ

式中i、j、k分别是三线圈轴线方向的单位向量，n为自然数；在磁力矩作用下，微机器人的磁化方向与磁场趋于平行，机器人前进方向与水平摆动磁场的对称轴重合，步行方向可以通过磁场方向角α控制，机器人的步行速率可表达为：

式中c_v是不大于1的无量纲常数，表示机器人腿部在固体表面滑动对速度的影响，L是机器人两腿间距离，步幅角β表示机器人每走一步其腿部摆动的角度；步幅角不超过磁场摆动幅度的2倍，并且随摆动幅度增加而增大，机器人的速度可通过磁场摆动的频率f和幅度δ控制。

Images