CN112809724A - 一种多臂微型磁控软体机器人及其运动监测和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁控软体机器人领域，更具体地，涉及一种多臂微型磁控软体机器人及其运动监测和运动控制方法。该机器人呈铺展状态时，其包括一个中心头部和均匀分布在该头部圆周方向上呈辐射状布置的若干条手臂；所述中心头部和若干条手臂被制作为一个整体；该机器人每条手臂均被径向磁化，其中心头部不具有轴向磁化方向。该机器人反面贴有多个无线微型压力传感器，可实时监测机器人的运动状态；在外加磁场作用下，机器人可以实现携带物体翻滚前进、原地转向、翻越障碍、定点放物功能。该机器人结构简单，制备方便，无需分散组装或分步充磁；远程控制，运动灵活，易于监测，可在封闭、复杂环境中执行精准运输任务。

Description

一种多臂微型磁控软体机器人及其运动监测和控制方法

技术领域

本发明属于磁控软体机器人领域，更具体地，涉及一种多臂微型磁控软体机器人及其运动监测和运动控制方法。

背景技术

微型软体机器人作为机器人仿生学科的一个新分支，近年来取得了飞速发展。传统大尺寸刚性机器人的运动自由度和生物亲和性都较低，难以在狭小、复杂和脆弱环境中执行精密任务。而微型软体机器人具有尺寸微小、自由度高、环境适应性强等优点，在靶向送药、血栓清除、细胞培养等生物医学领域具有极大应用价值。软体机器人的驱动方式主要包括压电驱动、化学驱动、磁场驱动、湿度驱动、形状记忆合金驱动等几种类型，运动方式主要包括爬行、翻滚、蠕动、拖动、跳跃、游泳等等。其中磁场驱动方式具有可远程无线控制、能无损穿透生物组织、调控灵活性高的优点，受到了研究人员的广泛关注。目前，国内外各项研究已经能够利用磁场控制软体机器人实现以上所有形式的运动，引人瞩目。

专利CN 201910235304.9公开了一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，包括中央部分和抓手部分。其中抓手部分为双层结构，通过对其施加交变磁场使下层结构形变量大于上层结构形变量，从而弯曲变形。但该机器人仅能完成抓取动作，功能单一，且抓手部分的双层结构制备较为复杂。

专利CN 201910503103.2公开了一种仿水母磁控微型软体机器人，包括一个头部和五条均布在头部圆周方向上的活动臂。该机器人能够在外加磁场作用下弯曲抱合为类十二面体，并实现持物、爬行、滚动、拖动、游泳等多种运动模式。但该机器人的机械结构和磁化方向较为复杂，需要分散组装，分步充磁，不利于大批量快速制备。此外该机器人变形后为类球形封闭结构，与地面接触面积较小，难以使用压力传感器对其运动姿态进行远程监测和明确解读；此外当类球形机器人被障碍物阻拦时，由于二者之间接触面积较小，机器人缺乏稳固支撑点来克服自身重力以翻越障碍物；另外其机器人活动臂分成磁化方向不同的头部、上臂和前臂多个部分，采用充磁机进行分步磁化，不仅磁化步骤繁琐，而且当需要将物品定点投放时，由于头部区域具有轴向磁化方向，当外加磁场方向与头部磁化方向相反、所有手臂在磁转矩作用下松开物品的同时，整个机器人身体还会在头部轴向磁化区域所产生的磁转矩作用下瞬间翻滚180°，导致物品被机器人身体弹开并偏离目标位置，定点投放效果不好。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多臂微型磁控软体机器人及其运动监测和运动控制方法，通过对该机器人的结构和初始磁化方向进行设计，并逐步控制外部磁场方向以控制该机器人的运动姿态，旨在解决现有技术微型磁控机器人结构复杂、制备步骤繁琐、在外部磁场作用下实现某些运动姿态如翻越障碍或定点投放物体的控制效果不好的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多臂微型磁控软体机器人，该机器人呈铺展状态时，其包括一个中心头部和均匀分布在该头部圆周方向上呈辐射状布置的若干条手臂；所述中心头部和若干条手臂被制作为一个整体；

该机器人每条手臂均被磁化，其磁化方向与该机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行，且沿径向分布；其中心头部不具有轴向磁化方向。

优选地，该机器人在同一侧中心头部部位及手臂外端部均设置有无线微型压力传感器。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的多臂微型磁控软体机器人的制备方法，包括如下步骤：

S1、将磁性颗粒与软质材料按预设比例均匀混合得到的液态混合物倒入预设形状的模具中，待完全凝固后脱模取出；

S2、对经过步骤S1得到的机器人进行其所有手臂的磁化，使其磁化方向与该机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行，且沿径向分布。

优选地，步骤S2采用充磁机对所述机器人进行充磁，将所述机器人水平放入充磁机中，设置充磁机产生沿径向分布的脉冲磁场，将所有手臂磁化。

优选地，采用双线圈脉冲充磁系统对所述机器人的手臂进行径向充磁，该双线圈脉冲充磁系统包括双线圈模块，所述双线圈模块包括上下轴对称设置的第一线圈和第二线圈，将所述机器人置于该第一线圈和第二线圈之间，对所述第一线圈和第二线圈通入方向相反的脉冲电流，使得在所述机器人内部产生径向磁场，以此实现该机器人所有手臂的径向磁化。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的多臂软体机器人的运动状态监测方法，将所述机器人的一面标记为反面，在该反面其中心头部部位及手臂外端部依次贴上无线微型压力传感器；该机器人正面与所要运输的物体直接接触；当传感器所在部位的机器人身体与地面接触时，传感器受到该部位自身重力的挤压，输出电信号“1”；当传感器所在部位的机器人与地面不接触时，传感器未受到挤压，输出电信号“0”；传感器将电信号实时传输给无线接收装置，再对机器人的运动状态进行解读，并相应地调控驱动磁场，控制机器人完成指定动作。

按照本发明的另一个方面，提供了一种驱动所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体翻滚前进的方法，包括如下步骤：将物体平放在机器人中心头部部位；沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，使机器人的若干条手臂朝向一个方向弯曲，其中的若干个手臂将所述物体夹持住；然后改变外部磁场方向使其携带物体发生偏转，重复上述步骤，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体翻滚前进。

优选地，该方法具体包括如下步骤：

(1)将物体平放在机器人中心头部部位；沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；

(2)将该磁场旋转90°至机器人欲前进方向，所有手臂指向前方，其中后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；

(3)继续将该磁场旋转90°至竖直向下方向，机器人向前翻滚并倒立站起，所有手臂指向下方并夹持住物体；

(4)再将该磁场旋转90°至后退方向，机器人向前翻滚并倒下，所有手臂指向后方，前方若干条手臂夹持住物体，后方若干条手臂紧贴地面；

(5)再将该磁场旋转90°至竖直向上方向，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；

(6)按以上步骤周期性地旋转磁场方向，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体翻滚前进。

按照本发明的另一个方面，提供了一种驱动所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体原地转向的方法，包括如下步骤：将机器人水平放置，并将物体平放在机器人正面中心头部部位；沿机器人欲前进方向施加一个水平均匀磁场，所有手臂均指向该方向，后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；再将磁场水平旋转至机器人欲转向的新方向，所有手臂在磁转矩作用下转向该方向，同时后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；按以上方法水平旋转磁场方向，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体原地转向。

按照本发明的另一个方面，提供了一种驱动所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体翻越障碍的方法，包括如下步骤：机器人被障碍物阻拦时，沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；将该磁场在竖直平面内连续旋转360°，使该机器人先后经历所有手臂向上立起并将物体夹在中央的状态、前方手臂触碰到障碍物并紧贴其上表面且后方手臂倾斜夹持住物体的状态、翻上障碍物并倒立站在其上表面的状态，并最终翻下障碍物回到所有手臂向上立起并将物体夹在中央的状态，实现机器人携带物体翻越障碍。

优选地，该方法包括如下步骤：机器人被障碍物阻拦时，沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；将该磁场旋转90°至障碍物所在方向，所有手臂随之旋转，前方手臂触碰到障碍物并紧贴其上表面，后方手臂倾斜夹持住物体；继续将磁场旋转90°至竖直向下方向，机器人以前方手臂作为支撑，整个身体脱离地面并翻上障碍物，变为倒立站起状态；再将磁场旋转180°至竖直向上方向，机器人向前倒下并翻离障碍物。

按照本发明的另一个方面，提供了一种驱动所述的多臂微型磁控软体机器人实现定点放置物体的方法，包括如下步骤：机器人携带物体到达物体放置地点后，将磁场旋转至竖直向下方向，机器人倒立站起，所有手臂指向下方同时夹持住物体；再将磁场方向直接变为竖直向上，所有手臂指向上方同时放下物体；最后将磁场旋转180°至竖直向下方向，机器人翻滚脱离物体。

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：

(1)本发明提供的一种多臂微型磁控软体机器人，该机器人的整个身体均由同种磁性软体材料制成，中心头部和手臂被制为一个整体，每条手臂均被径向磁化，结构简单，制备方便，充磁便捷，无需分散组装或分步充磁，有利于大批量快速生产。

(2)本发明机器人在外加磁场作用下采用半封闭式结构运输物体。相较于类球形全封闭式结构机器人，本发明机器人的身体与地面具有更大接触面积，不同运动姿态的特征更加明确，有利于压力传感器灵敏感知机器人的运动状态并产生明确电信号，从而更加准确解读其运动姿态。

(3)本发明机器人运动灵活，易于控制，仅需使用三维亥姆霍兹线圈产生旋转磁场就可操控其携带物体翻滚前进、转变方向、翻越障碍、定点放物，可以在封闭、复杂的环境中(如人体内)执行精准运输任务。且由于本发明机器人特定的结构以及磁化特点，即所有手臂被径向磁化，而中心头部不进行轴向磁化，则使得其能够通过控制外部磁场方法实现物体的精准投放。而且本发明机器人在实现翻越障碍时，由于前方手臂能够先铺在障碍物上作为支撑，使得其在翻越障碍物的时候相对于类球形机器人更平稳。

(4)本发明优选实施例中采用双线圈充磁系统对多臂磁控软体机器人进行径向磁化，该双线圈充磁系统包含上下轴对称设置的第一线圈和第二线圈，对该第一线圈和第二线圈通入相反的脉冲电流，即可对置于二者之间的多臂软体机器人进行径向充磁，一次即可完成整个机器人的径向磁化，而且中心部位不被磁化，相对于现有技术的充磁机磁化方法简便而且高效。

附图说明

图1为本发明的多臂微型磁控软体机器人的二维结构和磁化方向示意图；

图2为本发明的多臂微型磁控软体机器人的无线微型压力传感器位置示意图；

图3为本发明双线圈脉冲磁化系统对机器人进行磁化的装置示意图；

图4为本发明的多臂微型磁控软体机器人在携带物体翻滚前进的一个周期内的动作示意图；

图5为本发明的多臂微型磁控软体机器人携带物体原地转向的动作示意图；

图6为本发明的多臂微型磁控软体机器人携带物体翻越障碍的的动作示意图；

图7为本发明的多臂微型磁控软体机器人定点放置物体的动作示意图。

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，1～6为六条手臂；7-中心头部；8-无线微型压力传感器；9-圆柱形药片；10-六条手臂的中轴线；11-障碍物；

21-放电电容；22-双线圈模块；23-续流回路；23-1-二极管；23-2-续流电阻；23-3-续流开关；24-放电开关；25-线路阻抗；25-1-线路电阻；25-2-电感。

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。

本发明提供的一种多臂微型磁控软体机器人，该机器人呈铺展状态时，其包括一个中心头部和均匀分布在该头部圆周方向上呈辐射状布置的若干条手臂；该中心头部和若干条手臂被制作为一个整体；该机器人每条手臂均被磁化，其磁化方向与该机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行，且沿径向分布；其中心头部未被磁化。本发明所述多臂磁控软体机器人包括至少2条手臂，优选包括4条以上的手臂。

一些实施例中，本发明所述磁控软体机器人由微米级及以下尺度永磁材料(如NdFeB磁性粒子)和软体材料(如硅胶、TPE材料、水凝胶等)构成。本发明所述多臂磁控软体机器人手臂为长条板状结构，该机器人呈铺展状态时，其整个横截面均与地面接触。

本发明所述“地面”为广义的“地面”的含义，可以指任意该机器人应用场景中的着陆面。本发明所述表示方位的“前方”、“后方”为以机器人前进方向为“前方”，与该方向相反的方向为“后方”。说明书中“竖直向上”、“向上、“竖直向下”、“竖直平面”等均为以该机器人呈铺展状态且平行于地面时所在的平面为水平方向，垂直于该水平方向向上为“竖直向上”或“向上，垂直与该水平方向向下为”竖直向下。

本发明所述机器人其中心头部不具有轴向磁化方向，以确保该机器人在外部磁场下能够完成定点放物等其他运动功能。其径向磁化区域可以延伸至中心头部区域。本发明机器人手臂径向磁化方向包括径向散射分布的磁化方向，也包括径向指向中心头部的方向，实际运动控制时可根据需要调节外加磁场的大小和方向。本发明机器人结构简单，制备方便，无需分散组装或分步充磁；远程控制，运动灵活，易于监测，可在封闭、复杂环境中执行精准运输任务。

本发明还提供了一种所述多臂微型磁控软体机器人的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将磁性颗粒与软质材料按预设比例均匀混合得到的液态混合物倒入预设形状的模具中，待完全凝固后脱模取出；

S2、对经过步骤S1得到的机器人进行其所有手臂的磁化，使其磁化方向与该机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行，且沿径向分布。

一些实施例中，步骤S2采用充磁机对所述机器人进行充磁，将所述机器人水平放入充磁机中，设置充磁机产生沿径向分布的脉冲磁场，将所有手臂磁化。

另一些实施例中，采用双线圈脉冲充磁系统对所述机器人的手臂进行径向充磁，该双线圈脉冲充磁系统包括双线圈模块，所述双线圈模块包括上下轴对称设置的第一线圈和第二线圈，将所述机器人置于该第一线圈和第二线圈之间，对所述第一线圈和第二线圈通入方向相反的脉冲电流，使得在所述机器人内部产生径向磁场，且中间区域仅产生极弱磁场，以此实现该机器人所有手臂的径向磁化，而中间头部几乎不发生磁化。采用上下轴对称设置的第一线圈和第二线圈对机器人进行充磁，可一次对机器人所有手臂实现径向磁化，而由于中心部位上下磁场抵消，磁场很弱，中心头部部位不会被磁化，满足本发明软体机器人的磁化需求。

一些实施例中，该双线圈脉冲充磁系统还包括脉冲电源模块，脉冲电源模块用于为双线圈磁化系统中的第一线圈和第二线圈提供脉冲电流，该脉冲电源模块包括放电电容、放电开关和续流回路；所述放电电容用于储存电能；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所述磁化线圈模块中；所述续流回路包括续流二极管和续流电阻，用于调节电流波形。

一些实施例中，对本发明所述多臂磁控软体机器人进行径向充磁时，首先将该机器人放置于第一线圈和第二线圈之间，且将该磁控软体机器人的目标磁化区域移至磁场作用区域，可以将该机器人与第一线圈和第二线圈同轴放置。将所述脉冲电源模块中续流回路电阻的大小调为0，将第一线圈和第二线圈反接，对脉冲电源模块中的放电电容进行充电，然后触发放电开关对第一线圈和第二线圈进行放电，在该磁控软体机器人手臂部位产生径向磁场，实现手臂部位的径向磁化，而中心头部不发生磁化。

本发明还提供了一种所述的多臂软体机器人的运动状态监测方法，包括如下步骤：将所述机器人的一面标记为反面，在该反面其中心头部部位及手臂外端部依次贴上无线微型压力传感器；该机器人正面与所要运输的物体直接接触；当传感器所在部位的机器人身体与地面接触时，传感器受到该部位自身重力的挤压，输出电信号“1”；当传感器所在部位的机器人身体与地面不接触时，传感器未受到挤压，输出电信号“0”；传感器将电信号实时传输给无线接收装置，再对机器人的运动状态进行解读，并相应地调控驱动磁场，控制机器人准确完成指定动作。

本发明还提供了一种驱动所述多臂微型磁控软体机器人实现携带物体翻滚前进的方法，包括如下步骤：将物体平放在机器人中心头部部位；沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，使机器人的若干条手臂朝向一个方向弯曲，其中的若干个手臂将所述物体夹持住；然后改变外部磁场方向使其携带物体发生偏转，实现机器人携带物体翻滚。

一些实施例中，该方法具体包括如下步骤：

(1)将物体平放在机器人中心头部部位；沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；

(2)将该磁场旋转90°至机器人欲前进方向，所有手臂指向前方，后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；

(3)继续将该磁场旋转90°至竖直向下方向，机器人向前翻滚并倒立站起，所有手臂指向下方并夹持住物体；

(4)再将该磁场旋转90°至后退方向，机器人向前翻滚并倒下，所有手臂指向后方，前方若干条手臂夹持住物体，后方若干条手臂紧贴地面；

(5)再将该磁场旋转90°至竖直向上方向，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；

(6)按以上步骤周期性地旋转磁场方向，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体翻滚前进。

本发明提供的一种所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体原地转向的方法，包括如下步骤：将物体平放在机器人正面中心部位；沿机器人欲前进方向施加一个水平均匀磁场，所有手臂均指向该方向，后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；再将磁场水平旋转至机器人欲转向的新方向，所有手臂在磁转矩作用下转向该方向，同时后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；按以上方法水平旋转磁场方向，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体原地转向。

本发明提供的一种驱动所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体翻越障碍的方法，包括如下步骤：机器人被障碍物阻拦时，沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；将该磁场在朝向障碍物的方向上的竖直平面内连续旋转360°，使该机器人先后经历所有手臂向上立起并将物体夹在中央的状态、前方手臂触碰到障碍物并紧贴其上表面且后方手臂倾斜夹持住物体的状态、翻上障碍物并倒立站在其上表面的状态，并最终翻下障碍物回到所有手臂向上立起并将物体夹在中央的状态，实现机器人携带物体翻越障碍。

一些实施例中，该机器人携带物体翻越障碍的方法包括如下步骤：机器人被障碍物阻拦时，沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；将该磁场旋转90°至障碍物所在方向，所有手臂随之旋转，前方手臂触碰到障碍物并紧贴其上表面，后方手臂倾斜夹持住物体；继续将磁场旋转90°至竖直向下方向，机器人以前方手臂作为支撑，整个身体脱离地面并翻上障碍物，变为倒立站起状态；再将磁场旋转180°至竖直向上方向，机器人向前倒下并翻离障碍物。

本发明提供的一种驱动所述的多臂微型磁控软体机器人实现定点放置物体的方法，包括如下步骤：机器人携带物体到达物体放置地点后，将磁场旋转至竖直向下方向，机器人倒立站起，所有手臂指向下方同时夹持住物体；再将磁场方向直接变为竖直向上，所有手臂指向上方同时放下物体；最后将磁场旋转180°至竖直向下方向，机器人翻滚脱离物体。

本发明可根据多臂磁控软体机器人的尺寸大小以及厚度选择采用合适的驱动磁场大小。

以下为具体实施例：

如图1所示，该多臂微型磁控软体机器人中心部位为一个边长4mm的正六边形7，周边均匀分布六条长10mm、宽4mm的条形手臂1～6；六边形和六条手臂被制作为一个整体，整个机器人均由直径5μm的钕铁硼颗粒与硅橡胶均匀混合并固化后形成的软体材料制成，厚度为0.8mm；每条手臂均被磁化，磁化方向与手臂所在平面平行，沿径向散射分布，中心多边形区域不磁化；

如图2所示，该多臂微型磁控软体机器人反面的中心部位7和手臂1～6的外端部共贴有七个无线微型压力传感器8，其主要部件包括无源天线、铁氧体薄膜及软织物夹层，具有极高灵敏度。

该多臂微型磁控软体机器人的制备方法如下：

S1、将直径5μm的钕铁硼颗粒与硅橡胶按1：1质量比均匀混合，将得到的液态混合物倒入预设形状的模具中，待完全凝固后脱模取出；

S2、将经过步骤S1得到的机器人水平放入如图3所示的双线圈脉冲充磁系统中进行径向充磁，将手臂1～6磁化；具体包括放电电容21、双线圈模块22、放电开关24、线路阻抗25(线路电阻25-1和电感25-2)、续流回路23(二极管23-1，续流电阻23-2和续流开关23-3)。放电前，闭合续流回路开关23-3，对电容21进行充电，后闭合放电开关24对双线圈脉冲充磁系统22进行放电。对于径向磁化模式，上铜线圈(第一线圈)的电流流向和下铜线圈(第二线圈)的电流流向相反。基于上述电流流向特征，样品区域的磁场以径向分量为主，从而可使得机器人的手臂均被径向磁化，而中心头部部位由于仅产生极弱磁场而不足以被磁化。

S3、将经过步骤S2得到的机器人的一面标记为反面，在其中心部位7及手臂1～6外端部依次贴上无线微型压力传感器8。

使用三维亥姆霍兹线圈产生一个在直径100mm球形空间内均匀分布的磁场，保持其强度为80mT不变，只改变其方向，从而控制该六臂微型磁控软体机器人实现携带一个直径8mm、高度3mm的圆柱形药片9，完成翻滚前进、转变方向、翻越障碍、定点放物一系列动作，具体驱动方式如下：

I、如图4所示，将药片9平放在机器人正面中心部位7；沿+z方向施加均匀磁场，1～6臂向上立起并将药片夹在中央；将磁场旋转90°至+y方向，1～6臂指向+y方向，其中4～6臂夹持住药片，1～3臂紧贴地面；继续将磁场旋转90°至-z方向，机器人向前翻滚并倒立站起，1～6臂指向下方并夹持住药片；再将磁场旋转90°至-y方向，机器人向前翻滚并倒下，1～6臂指向后方，1～3臂夹持住药片，4～6臂紧贴地面；再将磁场旋转90°至+z方向，1～6臂向上立起并将药片夹在中央。按以上方法施加YZ平面内的旋转磁场，控制机器人携带药片翻滚前进；

II、如图5所示，将药片9平放在机器人正面中心部位7；沿+y方向施加均匀磁场，1～6臂指向该方向，4～6臂夹持住药片，1～3臂紧贴地面；将磁场水平旋转60°至3臂中轴线所在方向，1～6臂在磁转矩作用下转向该方向，其中1、5、6三臂夹持住药片，2、3、4三臂紧贴地面。按以上方法施加XY平面内的旋转磁场并指向机器人任一臂中轴线10所在方向，控制机器人携带药片转向该方向；

III、如图6所示，机器人被一个4mm高的方形障碍物阻拦，沿+z方向施加均匀磁场，1～6臂向上立起并将药片9夹在中央；将磁场旋转90°至+y方向，1～6臂随之旋转，1～3臂触碰到障碍物并紧贴其上表面，4～6臂倾斜夹持住物体；继续将磁场旋转90°至-z方向，机器人以1～3臂作为支撑，整个身体脱离地面并翻上障碍物，变为倒立站起状态；再将磁场经-y方向旋转180°至+z方向，机器人向前倒下并翻离障碍物。按以上方法施加YZ平面内的旋转磁场，控制机器人携带药片翻越障碍；

IV、如图7所示，机器人携带药片到达放物地点后，将磁场旋转至-z方向，机器人倒立站起，1～6臂指向下方并夹持住药片；再将磁场直接变为+z方向，1～6手臂指向上方并放下药片；最后将磁场旋转180°至-z方向，机器人翻滚脱离药片。

该多臂微型磁控软体机器人的监测方法如下：

当无线微型压力传感器8所在部位的机器人身体与地面接触时，传感器受到该部位自身重力的挤压，输出电信号“1”；当传感器所在部位的机器人身体与地面不接触时，传感器未受到挤压，输出电信号“0”；以图3为例，平放状态时，1～7处信号均为“1”；正立状态时，7处信号为“1”，1～6处信号为“0”；前叠状态时，1、2、3、7处信号为“1”，4～6处信号为“0”；倒立状态时，1～7处信号均为“0”；后叠状态时，4～7处信号为“1”，1～3处信号为“0”；传感器将电信号实时传输给无线接收装置，再对机器人的运动状态进行解读，并相应地调控驱动磁场，控制机器人准确完成指定动作。

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 (10)

1.一种多臂微型磁控软体机器人，其特征在于，该机器人呈铺展状态时，其包括一个中心头部和均匀分布在该头部圆周方向上呈辐射状布置的若干条手臂；所述中心头部和若干条手臂被制作为一个整体；

该机器人每条手臂均被磁化，其磁化方向与该机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行，且沿径向分布；其中心头部不具有轴向磁化方向。

2.一种如权利要求1所述的多臂微型磁控软体机器人的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将磁性颗粒与软质材料按预设比例均匀混合得到的液态混合物倒入预设形状的模具中，待完全凝固后脱模取出；

S2、对经过步骤S1得到的机器人进行其所有手臂的磁化，使其磁化方向与该机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行，且沿径向分布。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S2采用充磁机对所述机器人进行充磁，将所述机器人水平放入充磁机中，设置充磁机产生沿径向分布的脉冲磁场，将所有手臂磁化。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用双线圈脉冲充磁系统对所述机器人的手臂进行径向充磁，该双线圈脉冲充磁系统包括双线圈模块，所述双线圈模块包括上下轴对称设置的第一线圈和第二线圈，将所述机器人置于该第一线圈和第二线圈之间，对所述第一线圈和第二线圈通入方向相反的脉冲电流，使得在所述机器人内部产生径向磁场，以此实现该机器人所有手臂的径向磁化。

5.一种如权利要求1所述的多臂软体机器人的运动状态监测方法，其特征在于，将所述机器人的一面标记为反面，在该反面其中心头部部位及手臂外端部依次贴上无线微型压力传感器；该机器人正面与所要运输的物体直接接触；当传感器所在部位的机器人身体与地面接触时，传感器受到该部位自身重力的挤压，输出电信号“1”；当传感器所在部位的机器人与地面不接触时，传感器未受到挤压，输出电信号“0”；传感器将电信号实时传输给无线接收装置，再对机器人的运动状态进行解读，并相应地调控驱动磁场，控制机器人完成指定动作。

6.一种驱动如权利要求1所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体翻滚前进的方法，其特征在于，包括如下步骤：将物体平放在机器人中心头部部位；沿机器人头部的轴线方向产生一个均匀的外部磁场，使机器人的若干条手臂朝向一个方向弯曲，其中的若干个手臂能够将所述物体夹持住；然后改变外部磁场方向使其携带物体发生偏转，重复上述步骤，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体翻滚前进。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

(1)将物体平放在机器人中心头部部位；沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；

(2)将该磁场旋转90°至机器人欲前进方向，所有手臂指向前方，其中后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；

(3)继续将该磁场旋转90°至竖直向下方向，机器人向前翻滚并倒立站起，所有手臂指向下方并夹持住物体；

(4)再将该磁场旋转90°至后退方向，机器人向前翻滚并倒下，所有手臂指向后方，前方若干条手臂夹持住物体，后方若干条手臂紧贴地面；

(5)再将该磁场旋转90°至竖直向上方向，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；

(6)按以上步骤周期性地旋转磁场方向，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体翻滚前进。

8.一种驱动如权利要求1所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体原地转向的方法，其特征在于，包括如下步骤：将机器人水平放置，并将物体平放在机器人正面中心头部部位；沿机器人欲前进方向施加一个水平均匀磁场，所有手臂均指向该方向，后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；再将磁场水平旋转至机器人欲转向的新方向，所有手臂在磁转矩作用下转向该方向，同时后方若干条手臂夹持住物体，前方若干条手臂紧贴地面；按以上方法水平旋转磁场方向，保持磁场强度不变，实现机器人携带物体原地转向。

9.一种驱动如权利要求1所述的多臂微型磁控软体机器人实现携带物体翻越障碍的方法，其特征在于，包括如下步骤：机器人被障碍物阻拦时，沿竖直向上方向施加一个均匀磁场，所有手臂向上立起并将物体夹在中央；将该磁场在朝向障碍物的方向上的竖直平面内连续旋转360°，使该机器人先后经历所有手臂向上立起并将物体夹在中央的状态、前方手臂触碰到障碍物并紧贴其上表面且后方手臂倾斜夹持住物体的状态、翻上障碍物并倒立站在其上表面的状态，并最终翻下障碍物回到所有手臂向上立起并将物体夹在中央的状态，实现机器人携带物体翻越障碍。

10.一种驱动如权利要求1所述的多臂微型磁控软体机器人实现定点放置物体的方法，其特征在于，包括如下步骤：机器人携带物体到达物体放置地点后，将磁场旋转至竖直向下方向，机器人倒立站起，所有手臂指向下方同时夹持住物体；再将磁场方向直接变为竖直向上，所有手臂指向上方同时放下物体；最后将磁场旋转180°至竖直向下方向，机器人翻滚脱离物体。

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