CN112809661B - 一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，包括：永磁体、直线电机以及升降台；升降台用于承载磁性软体机器人；永磁体置于直线电机上；所述直线电机置于升降台下方，可以带动所述永磁体沿其导轨移动；永磁体在磁性软体机器人下方提供驱动磁场；所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；所述直线电机通过改变驱动磁铁与磁性软体机器人的相对位置，调控软体机器人下方动态磁场的大小与方向，软体机器人两侧内部磁矩受到非对称的磁转矩作用，综合考虑受力情况，单侧足在地面上固定，另一侧足被拖动或抬起并向前移动，实现模拟尺蠖“推‑拉”行走步态的运动模式。本发明磁性软体机器人运动速度快。

Description

一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置

技术领域

本发明属于磁控仿生软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置。

背景技术

与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有优异的灵活性、柔韧性以及无限的自由度，适用于复杂的非结构化环境和安全的人机交互，在生物医学以及仿生学领域引起广泛关注。由于尺蠖的爬行机制简单且易实现，衍生了大量仿尺蠖型软体机器人研究。迄今为止，典型的控制策略包含气动、液压、形状记忆合金、光、电压、磁场控制等，其中磁场控制具备无接触、穿透性强、能量转化效率高等优点而备受青睐。

同时，传统的软体机器人驱动方法，往往受到有线束缚、自身携带供能装置或者响应速度的制约，造成软体机器人本身或者控制系统十分笨重、运动速度较慢的缺点，如何通过简化驱动装置及方法提高软体机器人运动灵活性及速度亟待进一步研究。

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仿尺蠖运动的驱动装置，旨在解决现阶段软体机器人驱动灵活性受限、运动速度较慢的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，包括：永磁体、直线电机以及升降台；

所述升降台用于承载磁性软体机器人；

所述永磁体置于直线电机上；所述直线电机置于升降台下方，可以带动所述永磁体沿其导轨移动；

所述永磁体在磁性软体机器人下方提供驱动磁场，所述驱动磁场的磁力线呈中心聚集，四周发散状；所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩趋于向所述驱动磁场的方向偏转从而产生磁转矩；所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；

所述直线电机第一次移动所述永磁体，将其从相对偏离所述磁性软体机器人的一侧的位置，朝向接近所述磁性软体机器人一侧的方向行进，直至所述永磁体的磁场中心正对所述磁性软体机器人的中心；此过程中，所述永磁体作用在所述磁性软体机器人的磁转矩使得磁性软体机器人一侧的端点被固定，另一侧被拖动，最后整个磁性软体机器人呈弓起状态；所述磁性软体机器人一侧内部磁性粒子的磁矩方向与其另一侧内部磁场粒子的磁矩方向相反；

所述直线电机第二次移动所述永磁体，将其从正对所述磁性软体机器人中心的位置，朝向与第一次移动相反的方向行进，直至偏离所述磁性软体机器人的一侧；此过程中，所述永磁体作用在所述磁性软体机器人的磁转矩使得磁性软体机器人一侧被抬起，最后整个磁性软体机器人朝向所述永磁体的方向移动，所述磁性软体机器人移动的过程与尺蠖的运动模式相似。

可选地，所述永磁体相对偏离所述磁性软体机器人的一侧的位置为：永磁体作用在磁性软体机器人上的磁场方向与磁性软体机器人平行；

所述永磁体的磁场中心正对所述磁性软体机器人的中心时，其作用在磁性软体机器人上的磁场方向与磁性软体机器人垂直；

所述直线电机第一次移动永磁体的过程中，所述永磁体作用于磁性软体机器人的磁场的方向从平行于磁性软体机器人到垂直于磁性软体机器人逐渐变化；

所述直线电机第二次移动永磁体的过程中，所述永磁体作用于磁性软体机器人的磁场的方向从垂直于磁性软体机器人到平行于磁性软体机器人逐渐变化；

所述永磁体用于磁性软体机器人的方向由其在距离驱动磁场最近的磁性软体机器人位置处的磁场方向决定。

可选地，所述直线电机第一次移动永磁体的距离为第一距离，第二次移动所述永磁体距离为第二距离；所述第二距离大于第一距离；

如此，直线电机循环往复移动所述永磁体，使得所述磁性软体机器人在永磁体第二次移动的方向产生净位移。

可选地，设所述直线电机第一次移动所述永磁体和第二次移动所述永磁体之后，所述磁性软体机器人的移动距离为第三距离；所述第二距离等于第一距离和第三距离之和。

可选地，所述直线电机包括：直线电机动子、直线电机定子以及导轨；

所述永磁体放置在所述直线电机动子上；

所述直线电机定子通以三相交流电流产生行波磁场，直线电机动子在行波磁场电磁力的推动下带动永磁体沿所述导轨产生可控位移。

可以理解的是，永磁体放置在所述直线电机动子上，指的是永磁体放置在直线电机动子上的位移台，位移台是非导磁材料，如铝合金，其相比直线电机动子有一定高度，使得直线电机动子磁场对磁性软体机器人的影响可以忽略不计。

可选地，所述升降台可以垂直升降，以调节磁性软体机器人和永磁体之间的距离；

所述磁性软体机器人的移动速度由磁性软体机器人与永磁体的垂直距离和直线电机动子的速度共同决定。

可选地，所述磁性软体机器人由柔性材料与磁性粒子均匀混合固化制成，通过外部磁化实现所述磁性粒子磁矩重新排列，呈中心对称分布。

可选地，所述磁性软体机器人有多个臂，各个臂的分布呈轴对称状，包括至少一个对称轴；

所述直线电机位于磁性软体机器人其中一个对称轴的正下方，带动永磁体在该对称轴下方往复运动，使得磁性软体机器人沿着该对称轴方向移动。

可选地，当所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称的发散分布时，所述永磁体的中心磁场方向垂直于所述磁性软体机器人向下；

当所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称的汇聚分布时，所述永磁体的中心磁场方向垂直于所述磁性软体机器人向上。

可选地，所述直线电机和永磁体均包括多组；

每组分别设置在磁性软体机器人各个对称轴正下方，各个直线电机分别控制各个永磁体在磁性软体机器人各个对称轴正下方移动，使得所述磁性软体机器人可以沿各个对称轴移动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，磁性软体机器人的驱动装置与磁性软体机器人独立，相比气动、液压等驱动方式，软体机器人自身无需携带供能装置，软体机器人本体可以实现更轻薄和灵活的结构设计，且可进行远程无线操控，大幅缩短了响应时间，提高了运动速度。

本发明提供了一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，磁性软体机器人驱动装置结构简单，适应性广，通过调整辅助轴向平台的高度、驱动永磁体的尺寸以及直线电机定子所输入交流电流的幅值和频率，适用于不同尺度和形状下的尺蠖型软体机器人，并实现灵活的控制。

本发明提供了一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，磁性软体机器人驱动方法具有更高的响应速度和可控性，相比在软体机器人内部嵌入磁铁，再利用永磁体梯度力的直接拖拽，本发明基于磁转矩偏转作用，利用磁性软体机器人两侧对动态磁场的非对称响应，实现模拟尺蠖“推-拉”行走步态的规律性周期运动。

附图说明

图1为本发明提供的第一实施例中长条形磁性软体机器人特征示意图；

图2为本发明实施例提供的磁性软体机器人驱动装置示意图；

图3为本发明实施例提供的磁性软体机器人驱动原理流程示意示意图；

图4为本发明提供的第二实施例中双轴“X”型磁性软体机器人结构示意图；

图5为本发明实施例提供的磁性软体机器人不同磁矩分布情况图；

图6为本发明实施例提供的磁性软体机器人不同数量对称轴的分布情况图；

图7为本发明实施例提供的磁性软体机器人第一种磁矩分布情况下的合成磁场分布图；

图8为本发明实施例提供的磁性软体机器人第二种磁矩分布情况下的合成磁场分布图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，10为柔性材料，11为磁性粒子磁矩，12为调节转轮，13为辅助轴向升降台丝杆及其外壳，14为支撑平板，15为升降台基座；16为直线电机动子，17为水平位移台，18为位置传感器，19为永磁体；20为磁性软体机器人；21为直线电机定子，22为直线电机导轨。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种仿尺蠖磁性软体机器人的驱动装置，实现软体机器人速度和方向可控的往复运动。其中，所述磁性软体机器人为磁性粒子与柔性材料复合物，充磁后具有中心对称的内部磁化分布；所述驱动装置包含：辅助轴向升降台，驱动永磁体和直线电机。所述驱动方法简述如下：通过直线电机控制策略驱动永磁体在磁性软体机器人下方产生可控的动态磁场，利用所述磁性软体机器人两侧对动态磁场的非对称响应，实现模拟自然界尺蠖“推-拉”行走步态的运动模式，本发明解决了传统驱动模式下软体机器人与驱动装置体积较大、结构复杂、且运动速度较慢等缺点。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现阶段软体机器人驱动灵活性受限、运动速度较慢等问题。

图1为本发明提供的第一实施例中长条形磁性软体机器人特征示意图；如图1所示，磁性软体机器人由柔性材料10与磁性粒子均匀混合固化制成，利用磁化设备对其内部磁矩11进行调控，形成中心对称的磁化分布。

图2为本发明实施例提供的一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，如图2所示，包括：直线电机动子16，直线电机定子21，直线电机导轨22；调节转轮12，辅助轴向升降台丝杆及其外壳13，支撑平板14，升降台基座15；水平位移台17，位置传感器18以及永磁体19。

辅助轴向升降台丝杆及其外壳13连接支撑平板14，并固定于升降台基座15上，由调节转轮控制丝杆带动支撑平板14改变垂直高度。永磁体19位于支撑平板14下方，固定于直线电机水平位移台17上并保持与软体机器人的中轴线重合。其中，水平位移台17为非导磁材料，如铝合金，用于排除动子磁场的影响。直线电机动子16嵌入水平位移台17下端中部，并与直线电机定子21保持平行。导轨22底部与定子21连接固定，位移传感器18固定于导轨22外侧。

概括而言，磁性软体机器人的驱动装置包括：辅助轴向升降台，驱动永磁体和直线电机。其中辅助轴向升降台用于调整永磁体与磁性软体机器人的垂直距离，并提供软体机器人运动所需的空间平台。驱动永磁体本身具备静态磁场，通过直线电机控制策略驱动永磁体在软体机器人下方产生动态磁场；

具体地，磁性粒子与柔性材料按比例均匀混合后倒入定制的模具，固化并脱模得到长条形磁性软体机器人。经过磁化程序，软体机器人内部磁矩按照中心对称的排列重新定向。将磁化后的软体机器人20放置于图2所示驱动装置的支撑平板14上。驱动永磁体19固定于直线电机水平位移台17上并保持与软体机器人的中轴线重合。直线电机定子21通入三相交流电产生行波磁场，驱动直线电机动子16在电磁力推动下沿导轨22产生可控位移并进行周期性往复运动，其中位置传感器18位于导轨外侧，用于永磁体的定位并进行位移反馈，旋转调节转轮12改变驱动永磁体与软体机器人的垂直距离。

可选地，直线电机动子在一个周期内移动的第一距离与第二距离大小不同，从而产生沿第二次移动方向的净位移。

进一步地，磁性软体机器人移动速度由软体机器人与驱动永磁体垂直距离和直线电机动子速度共同决定。

所述磁性软体机器人的驱动方法，基于磁对齐原理，磁性软体机器人内部磁矩趋于向外界磁场方向偏转从而产生磁转矩。具体地，磁性软体机器人内部粒子磁矩定义为m，外部磁场为B，其受到的磁转矩表述为τ_m＝m×B。

具体地，通过改变驱动磁铁与磁性软体机器人的相对位置，调控软体机器人下方动态磁场的大小与方向，软体机器人两侧内部磁矩受到非对称的磁转矩作用，综合考虑受力情况，单侧足在地面上固定，另一侧足被拖动或抬起并向前移动，实现模拟尺蠖“推-拉”行走步态的运动模式。

进一步地，所述磁性软体机器人在动态磁场下的位移基于磁转矩调控下的变形，具有响应速度快、可远程操控等优点。

如图3所示，当永磁体位于驱动距离以外，对应驱动磁场方向与机器人右侧磁性粒子的磁矩方向相同，故忽略磁对齐效应，软体机器人无明显变形(状态一)。当永磁体沿-x方向移动，驱动磁场幅值增强并且磁场方向超前于右侧磁性粒子磁矩偏转方向δ(δ>θ)，从而产生顺时针方向的磁转矩，其等效力F₁垂直作用在磁矩单元两侧，向软体机器人右足施加向下的压力，进一步增加与地面接触点的静摩擦力，导致软体机器人右足固定，左侧由于右侧变形的拖曳效应而向x方向运动(状态二)。当永磁体移动到机器人正下方时，对应机器人中心区域的驱动磁场约等于-90°。此时，机器人两侧的磁响应达到对称，实现了第一阶段位移(状态三)。之后永磁体沿x方向移动，机器人右侧磁性粒子磁矩偏转方向δ滞后于驱动磁场方向θ(δ<θ)，从而产生逆时针方向的磁转矩，其等效力F₂在机器人的右足施加向上的推力，减小相应的静摩擦力，从而使机器人右侧抬起并向前伸平(状态四)。随着永磁体最终远离软体机器人，机器人重新恢复到初始状态。通过模拟尺蠖“推-拉”行走步态，基于直线电机控制策略改变永磁体的运动方向，从而控制软体机器人的爬行方向，实现连续的双向运动。其中，-x方向指的是X轴负轴方向，x方向指的是X轴正轴方向。

可选地，所述磁性软体机器人形状还可设计为双轴“X”型，实现二维平面任意目标点移动。为了实现更灵活的运动控制，本发明在传统类比尺蠖的长条形软体机器人基础上，采用和第一实施例相同的制备模式和磁化方法，软体机器人内部磁化排列呈中心对称分布，“X”型软体机器人具有两条结构对称轴，分别对应图4中方向1和方向2，当驱动永磁体19的中轴线与机器人任意对称轴重合时，机器人将在直线电机控制策略下沿该对称轴方向移动，从而实现软体机器人到达二维平面内任意目标点。

本发明提出了一种仿尺蠖磁性软体机器人的驱动装置和方法，解决了传统驱动模式下软体机器人与驱动装置体积较大、结构复杂、且运动速度较慢等缺点，实现了仿尺蠖磁性软体机器人速度和方向可控的往复运动。如图1和图4所示。驱动装置包括辅助轴向升降台，驱动永磁体和直线电机。驱动永磁体在直线电机驱动下改变与软体机器人相对位置，软体机器人两侧内部磁矩如图3状态二和状态四所示受到非对称的磁转矩作用，从而表现出非对称的动态特征，实现模拟尺蠖“推-拉”行走步态的运动模式。

可以理解的是，当磁性软体机器人前脚和后脚，即前臂和后臂，或者对称轴一侧的臂与对称轴另一侧的臂受到的磁转矩大小不同或者无法相互抵消时，则磁性软体机器人受到的磁转矩具有非对称性。

具体地，磁性软体机器人位于辅助轴向升降台支撑平板上，驱动永磁体放置于其下方并且保持两者中轴线重合，调节辅助轴向升降台高度改变软体机器人与驱动永磁体之间垂直距离，从而改变软体机器人的变形幅度，进一步影响软体机器人的移动速度。

进一步地，驱动永磁体固定于直线电机水平位移台上，在直线电机动子驱动下和水平位移台一起沿导轨做周期性往复运动，其中直线电机动子与定子之间存在气隙，无接触摩擦，因此具备高加速度、高速度、高灵敏性和良好的随动性。

进一步地，改变驱动永磁体与磁性软体机器人的相对位置，产生对应尺蠖移动规律的不同变形特征。

进一步地，驱动永磁体在一个周期内相对位移不变，但正向行程与负向行程距离不等，因而在一个周期内产生指定方向的净位移，通过位置传感器精确反馈位置信息，实现驱动永磁体根据设定的正向与负向行程稳定前进。

具体地，本发明磁性软体机器人无需携带供能装置以及无线操控，减小了机器人的重量并简化了结构，不再“笨重”且不需要比如气体输送的时间或者其他信号通路传输的时间，磁场响应的速度远大于传统驱动方式，提高了机器人的运动速度。

图5为本发明实施例提供的磁性软体机器人的不同磁矩分布情况图；如图5中的(a)和(b)可知，磁性软体机器人的磁矩方向可以呈中心汇聚或者中心发散。

图6为本发明实施例提供的磁性软体机器人不同数量对称轴的分布情况图；图6中仅以磁矩中心汇聚为例进行说明，若磁矩呈中心发散，同样适用。如图6中的(a)、(b)以及(c)可知，磁性软体机器人的臂可以有偶数条，各条臂沿着磁性软体机器人的中心呈中心对称且轴对称分布；磁性软体机器人包括至少一个对称轴，图6中的虚线表示对称轴。当磁性软体机器人包括两条臂时，其对称轴为磁性软体机器人两条臂所在的直线。当磁性软体机器人包括四条臂，即图6中(b)，即对应为图4中的“X”型软体机器人。

图7为本发明实施例提供的磁性软体机器人第二种磁矩分布情况下的永磁体磁场分布图；如图7所示，当磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称的汇聚分布时，所述永磁体磁场方向垂直所述磁性软体机器人所在平面的向上。

图8为本发明实施例提供的磁性软体机器人第一种磁矩分布情况下的永磁体磁场分布图；如图8所示，当磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称的发散分布时，所述永磁体磁场方向垂直所述磁性软体机器人所在平面向下。

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 (9)

1.一种磁性软体机器人仿尺蠖运动的驱动装置，其特征在于，包括：永磁体、直线电机以及升降台；

所述升降台用于承载磁性软体机器人；

所述永磁体置于直线电机上；所述直线电机置于升降台下方，可以带动所述永磁体沿其导轨移动；

所述永磁体在磁性软体机器人下方提供驱动磁场，所述驱动磁场的磁力线呈中心聚集，四周发散状；所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩趋于向所述驱动磁场的方向偏转从而产生磁转矩；所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；

所述直线电机第一次移动所述永磁体，将其从相对偏离所述磁性软体机器人的一侧的位置，朝向接近所述磁性软体机器人一侧的方向行进，直至所述永磁体的磁场中心正对所述磁性软体机器人的中心；此过程中，所述永磁体作用在所述磁性软体机器人的磁转矩使得磁性软体机器人一侧的端点被固定，另一侧被拖动，最后整个磁性软体机器人呈弓起状态；所述磁性软体机器人一侧内部磁性粒子的磁矩方向与其另一侧内部磁场粒子的磁矩方向相反；

所述直线电机第二次移动所述永磁体，将其从正对所述磁性软体机器人中心的位置，朝向与第一次移动相反的方向行进，直至偏离所述磁性软体机器人的一侧；此过程中，所述永磁体作用在所述磁性软体机器人的磁转矩使得磁性软体机器人一侧被抬起，最后整个磁性软体机器人朝向所述永磁体的方向移动，所述磁性软体机器人移动的过程与尺蠖的运动模式相似；

所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称的发散分布时，所述永磁体的中心磁场方向垂直于所述磁性软体机器人向下；所述磁性软体机器人内部磁性粒子的磁矩呈中心对称的汇聚分布时，所述永磁体的中心磁场方向垂直于所述磁性软体机器人向上；所述永磁体在直线电机的带动下在磁性软体机器人下方产生动态的磁场，所述动态的磁场未移动到正对所述磁性软体机器人中心的位置时，其在磁性软体机器人两端的磁场方向不同。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述永磁体相对偏离所述磁性软体机器人的一侧的位置为：永磁体作用在磁性软体机器人上的磁场方向与磁性软体机器人平行；

所述永磁体的磁场中心正对所述磁性软体机器人的中心时，其作用在磁性软体机器人上的磁场方向与磁性软体机器人垂直；

所述直线电机第一次移动永磁体的过程中，所述永磁体作用于磁性软体机器人的磁场的方向从平行于磁性软体机器人到垂直于磁性软体机器人逐渐变化；

所述直线电机第二次移动永磁体的过程中，所述永磁体作用于磁性软体机器人的磁场的方向从垂直于磁性软体机器人到平行于磁性软体机器人逐渐变化；

所述永磁体用于磁性软体机器人的方向由其在距离驱动磁场最近的磁性软体机器人位置处的磁场方向决定。

3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述直线电机第一次移动永磁体的距离为第一距离，第二次移动所述永磁体距离为第二距离；所述第二距离大于第一距离；

如此，直线电机循环往复移动所述永磁体，使得所述磁性软体机器人在永磁体第二次移动的方向产生净位移。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，设所述直线电机第一次移动所述永磁体和第二次移动所述永磁体之后，所述磁性软体机器人的移动距离为第三距离；所述第二距离等于第一距离和第三距离之和。

5.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述直线电机包括：直线电机动子、直线电机定子以及导轨；

所述永磁体放置在所述直线电机动子上；

所述直线电机定子通以三相交流电流产生行波磁场，直线电机动子在行波磁场电磁力的推动下带动永磁体沿所述导轨产生可控位移。

6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述升降台可以垂直升降，以调节磁性软体机器人和永磁体之间的距离；

所述磁性软体机器人的移动速度由磁性软体机器人与永磁体的垂直距离和直线电机动子的速度共同决定。

7.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述磁性软体机器人由柔性材料与磁性粒子均匀混合固化制成，通过外部磁化实现所述磁性粒子磁矩重新排列，呈中心对称分布。

8.根据权利要求1至7任一项所述的驱动装置，其特征在于，所述磁性软体机器人有多个臂，各个臂的分布呈轴对称状，包括至少一个对称轴；

所述直线电机位于磁性软体机器人其中一个对称轴的正下方，带动永磁体在该对称轴下方往复运动，使得磁性软体机器人沿着该对称轴方向移动。

9.根据权利要求8所述的驱动装置，其特征在于，所述直线电机和永磁体均包括多组；

每组分别设置在磁性软体机器人各个对称轴正下方，各个直线电机分别控制各个永磁体在磁性软体机器人各个对称轴正下方移动，使得所述磁性软体机器人可以沿各个对称轴移动。

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