CN111301551B - 一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人及其磁控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人及其磁控方法。传统机器人灵活度不够。本发明控机器人包括中心连接块、磁棒和三个以上行走组件；行走组件包括基体、分支连接块、柔性关节一、柔性关节二和柔性关节三；分支连接块与三个基体分别通过柔性关节连接，除该三个基体外的另一个基体与该三个基体的其中一个通过柔性关节连接；每个行走组件中不和分支连接块连接的基体与中心连接块通过柔性关节连接；中心连接块在与各基体连接位置处底部均固定有限位块；分支连接块在与各基体连接位置处底部均固定有限位块。本发明能实现平面内任意自由度的平移和旋转，可根据运动要求改变基体上磁棒的布置方向及磁棒磁极方向，对外形成特定磁场。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人及其磁控方法。
背景技术
折纸艺术不仅是一种简单的手工活动，也蕴含着复杂的数学运算和空间几何原理，航天器的太阳能电池板、降落伞等科技产品都存在跨维度折纸现象。
随着机器人技术的发展,机器人在各个行业领域的广泛应用，使得人类从各种繁重危险的工作中解脱出来。随着机器人在各个行业应用的深入,对机器人的要求也逐步提高。传统机器人目前一般采用的是电机驱动、机械传动等有源控制，导致成本较高,体积大、柔性不足、灵活度不够，无法实现全方位任意自由度的动作。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人及其磁控方法。本发明受折纸艺术(纸张从二维平面到三维的立体构型)的启发而提出；是一种仿折纸艺术的可变化到预设形态，并可以迅速回复到初始平面状态的折叠机器人；是一种利用微磁棒排列密度以及磁棒磁极方向的布置形式来建立特定外围磁场空间的磁驱动机器人；是一种机器人本身磁场具有可调性，可调节其自身性能的磁控机器人；是一种以复合材料为基体，基体以柔性关节连接的拥有一定强度和自由度的拓扑型机器；是一种在仿雪花分形结构基础上构建的仿生机器人。
本发明一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，包括中心连接块、磁棒和沿中心连接块的中心周向均布的三个以上行走组件；所述的行走组件包括基体、分支连接块、柔性关节一、柔性关节二和柔性关节三；行走组件中，分支连接块与沿分支连接块中心周向均布的三个基体分别通过柔性关节一连接，除该三个基体外的另一个基体与该三个基体的其中一个通过柔性关节二连接；每个行走组件中不和分支连接块连接的基体与中心连接块通过柔性关节三连接；中心连接块在与各基体连接位置处底部均固定设有限位块，与中心连接块连接的基体相对水平面向下的最大偏转角为60°；分支连接块在与各基体连接位置处底部均固定设有限位块，与分支连接块连接的基体相对水平面向下的最大偏转角为60°。所有基体上均可拆卸固定有磁场强度相等的磁棒；与中心连接块连接的各基体上磁棒沿中心连接块的中心周向均布，且与中心连接块连接的各基体上磁棒正对中心连接块中心的磁极极性相同；与分支连接块连接的各基体上磁棒沿分支连接块的中心周向均布，且与分支连接块连接的各基体上磁棒正对分支连接块中心的磁极极性相同；通过柔性关节二连接的两个基体上磁棒不同极性的磁极相对设置。
进一步，所述的行走组件有六个，所述的中心连接块呈正六边形，分支连接块呈三角形，基体呈正方形。
进一步，所述的基体采用复合材料，使得本发明拥有一定的强度以应对磁场作用时相对较大的作用力和外界环境的影响。
进一步，所述的中心连接块、基体和分支连接块均采用PVC材料。
进一步，所述的磁棒呈直径为0.1a、长度为0.8a的圆柱形；a为基体的边长，取值为10mm。
进一步，初始状态下，各基体与水平面平行。
进一步，与中心连接块连接的各基体上磁棒沿均布的圆周径向布置，与分支连接块连接的各基体上磁棒沿均布的圆周径向布置，中心连接块上各磁棒磁极方向也沿均布的圆周径向布置。
进一步，所述的中心连接块上可拆卸固定与行走组件数量相等的磁棒，且中心连接块上各磁棒布置方向以及磁极极性方向和与中心连接块连接的各基体上磁棒布置方向以及磁极极性方向一一对应；中心连接块上磁棒的磁场强度与基体上磁棒的磁场强度相等。
进一步，相邻两个基体之间的相互作用力，采用两个永磁体之间的力计算公式计算如下：
式中，Bg为磁棒的磁化强度，Ag为两个基体上磁棒的相对面积，Lg为两个基体上磁棒的间隙值。
该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的磁控方法，具体如下：
将圆形磁铁和与中心连接块连接的基体上磁棒正对中心连接块中心的磁极极性相反的那端靠近中心连接块，则所有基体因基体上的磁棒受圆形磁铁磁力作用而同步向下翻折；当圆形磁铁靠近中心连接块到随圆形磁铁靠近而所有基体均不向下翻折时，各基体向下翻折到偏转角处于最大位置；圆形磁铁远离时所有基体在柔性关节一、柔性关节二或柔性关节三的回复力作用下同步向上翻折到中间平衡位置；圆形磁铁远离到不再对磁棒产生磁力时，各基体向上翻折并在限位块限位作用下回复初始位置。
该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的移动过程如下：所有基体处于中间平衡位置时，在水平方向上，将圆形磁铁偏离中心连接块向某个行走组件靠近，同时在竖直方向上将圆形磁铁向该行走组件靠近，则由于其余行走组件受圆形磁铁的磁力小于该行走组件，该行走组件的基体向下翻折角度比其余行走组件的基体向下翻折角度大，中心连接块沿圆形磁铁偏离方向蠕动。
该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的旋转过程如下：所有基体处于中间平衡位置时，首先在水平方向上，将圆形磁铁移动到某两个行走组件之间位置，然后在竖直方向和水平方向上同时将圆形磁铁向该两个行走组件中的一个靠近，则由于靠近圆形磁铁的行走组件比另一个行走组件受圆形磁铁的磁力大，靠近圆形磁铁的行走组件的基体比另一个行走组件的基体向下翻折角度大，中心连接块沿靠近圆形磁铁的行走组件方向旋转。
本发明具有的有益效果：
1、本发明机器人基于折纸艺术，在柔性关节、本身特定磁场和外界磁场的作用下，在不改变自身连接方式的情况下可以由普通平面状态转变为具有特殊作用的立体状态，同时在撤除外部磁场后，又可以回复到平面状态，利于机器人的运输和存储。本发明通过外界磁场的位置变化，就能实现平面内任意自由度的平移和旋转动作。
2、本发明可根据不同柔性关节所需的运动要求改变基体上磁棒的布置方向及磁棒磁极方向，从而改变各基体处的磁场，在所有基体上磁棒的耦合作用下，机器人对外形成某种特定磁场。
附图说明
图1为本发明的结构俯视图。
图2为本发明中磁棒的布置方向示意图。
图3为本发明受外界磁场作用下处于中间平衡位置的立体图。
图4为本发明受外界磁场作用下各基体向下翻折到偏转角处于最大位置的立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述
如图1所示，一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人,包括中心连接块6、磁棒和沿中心连接块6的中心周向均布的三个以上行走组件；行走组件包括基体5、分支连接块1、柔性关节一2、柔性关节二3和柔性关节三4；作为优选实施例，行走组件有六个，中心连接块6呈正六边形，分支连接块1呈三角形，基体5呈正方形，且中心连接块6、基体5和分支连接块1均采用PVC材料；六个行走组件沿周向的结构是模仿雪花晶体的六角形结构，属于仿生中的仿形，使得本发明在不同面上均拥有较高的稳定性，每个行走组件单独控制可实现本发明对各方向的移动要求，中心连接块的六边形结构避免各足之间发生干涉；行走组件中，分支连接块1的三条边与沿分支连接块1中心周向均布的三个基体5分别通过柔性关节一2连接，除该三个基体5外的另一个基体与该三个基体5的其中一个通过柔性关节二3连接；每个行走组件中不和分支连接块1连接的基体5与中心连接块6的一条边通过柔性关节三4连接；中心连接块6在与各基体5连接位置处底部均固定设有限位块，限制基体5扭转时相对水平面向下的最大偏转角为60°；分支连接块1在与各基体5连接位置处底部均固定设有限位块，限制基体5扭转时相对水平面向下的最大偏转角为60°；作为优选实施例，初始状态下，各基体5与水平面平行。各柔性关节既可以满足该机器人变形时的折叠要求，又可以利用弹性恢复功能在撤除外界磁场时及时、准确地回复到初始状态；而各限位块避免本发明在外界磁场突变时发生过度折叠的现象。
如图2所示，所有基体5上均可拆卸固定有磁场强度相等的磁棒；与中心连接块6连接的各基体5上磁棒沿中心连接块6的中心周向均布，且与中心连接块6连接的各基体5上磁棒正对中心连接块6中心的磁极极性相同；与分支连接块1连接的各基体5上磁棒沿分支连接块1的中心周向均布，且与分支连接块1连接的各基体5上磁棒正对分支连接块1中心的磁极极性相同；通过柔性关节二3连接的两个基体5上磁棒不同极性的磁极相对设置。中心连接块6上根据情况也可以可拆卸固定与行走组件数量相等的磁棒，且中心连接块6上各磁棒布置方向以及磁极极性方向和与中心连接块6连接的各基体5上磁棒布置方向以及磁极极性方向一一对应；中心连接块6上磁棒的磁场强度与基体5上磁棒的磁场强度相等。
各磁棒与所在位置圆周径向的夹角具体布置方式、磁极方向以及磁场强度，可以根据需要进行调整。作为优选实施例，与中心连接块6连接的各基体5上磁棒沿均布的圆周径向布置，与分支连接块1连接的各基体5上磁棒沿均布的圆周径向布置，中心连接块6上各磁棒磁极方向也沿均布的圆周径向布置。
作为优选实施例，磁棒呈直径为0.1a、长度为0.8a的圆柱形；a为基体的边长，取值为10mm。
如图3所示，该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的磁控方法，具体如下：
将圆形磁铁和与中心连接块6连接的基体5上磁棒正对中心连接块6中心的磁极极性相反的那端靠近中心连接块6，则所有基体因基体上的磁棒受圆形磁铁磁力作用而同步向下翻折；如图4所示，当圆形磁铁靠近中心连接块6到随圆形磁铁靠近而所有基体均不向下翻折时，各基体向下翻折到偏转角处于最大位置，达到完全激发状态；圆形磁铁远离时所有基体在柔性关节一、柔性关节二或柔性关节三的回复力作用下同步向上翻折到中间平衡位置；圆形磁铁远离到不再对磁棒产生磁力时，各基体向上翻折并在限位块限位作用下回复初始位置。圆形磁铁若为同极性磁极方向相同但磁场强度不同的多个磁铁块拼合而成，则可以实现对不同行走组件进行不同的动作控制。
该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的移动过程如下：所有基体处于中间平衡位置时，在水平方向上，将圆形磁铁偏离中心连接块6向某个行走组件靠近，同时在竖直方向上将圆形磁铁向该行走组件靠近，则由于其余行走组件受圆形磁铁的磁力小于该行走组件，该行走组件的基体向下翻折角度比其余行走组件的基体向下翻折角度大，中心连接块6沿圆形磁铁偏离方向蠕动。
该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的旋转过程如下：所有基体处于中间平衡位置时，首先在水平方向上，将圆形磁铁移动到某两个行走组件之间位置，然后在竖直方向和水平方向上同时将圆形磁铁向该两个行走组件中的一个靠近，则由于靠近圆形磁铁的行走组件比另一个行走组件受圆形磁铁的磁力大，靠近圆形磁铁的行走组件的基体比另一个行走组件的基体向下翻折角度大，中心连接块6沿靠近圆形磁铁的行走组件方向旋转。
Claims (7)
1.一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，包括中心连接块、磁棒和沿中心连接块的中心周向均布的三个以上行走组件，其特征在于：所述的行走组件包括基体、分支连接块、柔性关节一、柔性关节二和柔性关节三；行走组件中，分支连接块与沿分支连接块中心周向均布的三个基体分别通过柔性关节一连接，除该三个基体外的另一个基体与该三个基体的其中一个通过柔性关节二连接；每个行走组件中不和分支连接块连接的基体与中心连接块通过柔性关节三连接；中心连接块在与各基体连接位置处底部均固定设有限位块，与中心连接块连接的基体相对水平面向下的最大偏转角为60°；分支连接块在与各基体连接位置处底部均固定设有限位块，与分支连接块连接的基体相对水平面向下的最大偏转角为60°；所有基体上均可拆卸固定有磁场强度相等的磁棒；与中心连接块连接的各基体上磁棒沿中心连接块的中心周向均布，且与中心连接块连接的各基体上磁棒正对中心连接块中心的磁极极性相同；与分支连接块连接的各基体上磁棒沿分支连接块的中心周向均布，且与分支连接块连接的各基体上磁棒正对分支连接块中心的磁极极性相同；通过柔性关节二连接的两个基体上磁棒不同极性的磁极相对设置；
所述的行走组件有六个，所述的中心连接块呈正六边形，分支连接块呈三角形，基体呈正方形；
所述的基体采用复合材料；
所述的中心连接块、基体和分支连接块均采用PVC材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，其特征在于：所述的磁棒呈直径为0.1a、长度为0.8a的圆柱形；a为基体的边长，取值为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，其特征在于：初始状态下，各基体与水平面平行。
4.根据权利要求1所述的一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，其特征在于：与中心连接块连接的各基体上磁棒沿均布的圆周径向布置，与分支连接块连接的各基体上磁棒沿均布的圆周径向布置，中心连接块上各磁棒磁极方向也沿均布的圆周径向布置。
5.根据权利要求1所述的一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，其特征在于：所述的中心连接块上可拆卸固定与行走组件数量相等的磁棒，且中心连接块上各磁棒布置方向以及磁极极性方向和与中心连接块连接的各基体上磁棒布置方向以及磁极极性方向一一对应；中心连接块上磁棒的磁场强度与基体上磁棒的磁场强度相等。
6.根据权利要求1所述的一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人，其特征在于：相邻两个基体之间的相互作用力，采用两个永磁体之间的力计算公式计算如下：
式中，Bg为磁棒的磁化强度，Ag为两个基体上磁棒的相对面积，Lg为两个基体上磁棒的间隙值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的磁控方法，其特征在于：该方法具体如下：
将圆形磁铁和与中心连接块连接的基体上磁棒正对中心连接块中心的磁极极性相反的那端靠近中心连接块，则所有基体因基体上的磁棒受圆形磁铁磁力作用而同步向下翻折；当圆形磁铁靠近中心连接块到随圆形磁铁靠近而所有基体均不向下翻折时，各基体向下翻折到偏转角处于最大位置；圆形磁铁远离时所有基体在柔性关节一、柔性关节二或柔性关节三的回复力作用下同步向上翻折到中间平衡位置；圆形磁铁远离到不再对磁棒产生磁力时，各基体向上翻折并在限位块限位作用下回复初始位置；
该基于折纸艺术的磁棒架构全磁控机器人的移动过程如下：所有基体处于中间平衡位置时，在水平方向上，将圆形磁铁偏离中心连接块向某个行走组件靠近，同时在竖直方向上将圆形磁铁向该行走组件靠近，则由于其余行走组件受圆形磁铁的磁力小于该行走组件，该行走组件的基体向下翻折角度比其余行走组件的基体向下翻折角度大，中心连接块沿圆形磁铁偏离方向蠕动；
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