CN112828877B - 一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置，包括：多组电磁驱动线圈，每组电磁驱动线圈在其轴向产生磁场，每组电磁驱动线圈的轴向可任意设置，以在间隔空间产生任意方向的合成磁场；磁性软体机器人被放置在间隔空间内，磁性软体机器人包括多条臂，各条臂沿着磁性软体机器人的中心对称且轴对称分布；其内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；控制通入每组电磁驱动线圈电流的变化趋势，使得合成磁场在垂直磁性软体机器人任意对称轴的平面内磁场方向顺时针或逆时针变化，以驱动磁性软体机器人沿其对称轴爬行运动。本发明使软体机器人对称轴两侧具有相反的磁化方向而在相同空间磁场作用下产生非对称的磁转矩响应，从而实现仿生爬行的动作模式。

Description

一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置

技术领域

本发明属于磁性软体机器人控制领域，更具体地，涉及一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置。

背景技术

相较于传统的刚体机器人，软体机器人具有无限自由度、强变形能力、高度适应性等优势，在工业柔性抓取、医疗康复、靶向运输等人机交互和非结构化环境的领域有着更为广阔的应用前景。目前已有研究表明，软体机器人的驱动方式主要包括电驱动、光驱动、热驱动、磁驱动等方式，其中由于磁场驱动具有无接触、驱动效率高、响应速度快以及较高的生物安全性等显著优势，得到国内外学者的诸多关注。

区别于传统的磁性刚体机器人，磁性软体机器人的运动模式丰富，尤其是面对复杂应用环境时，具有高灵活性的磁性软体机器人优势显著。在磁性软体机器人动力学行为研究方面，目前研究主要集中于通过调节磁性软体机器人内部磁化特性来实现磁性软体机器人的多运动模式，但对于外部驱动磁场的设计研究相对较少。事实上，由于磁性软体机器人的运动模式由其内部的磁化方向分布和其外部的驱动磁场共同来控制，如何针对软体机器人特定的操控需求来设计外部驱动磁场对于实现磁性软体机器人的精准和可控运动同样具有重要意义。

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电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置，旨在解决如何针对磁性软体机器人特定的操控需求来设计外部驱动磁场，以精准控制磁性软体机器人运动的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置，包括：多组电磁驱动线圈，其中，每组电磁驱动线圈包括两个同轴设置的线圈，两个同轴设置的线圈中间设有间隔空间；各组电磁驱动线圈包括的两个线圈均沿所述间隔空间同轴对称设置；

每组电磁驱动线圈的两个线圈通入相同大小的电流，在其轴向产生磁场，每组电磁驱动线圈的轴向可任意设置，以在所述间隔空间产生任意方向的合成磁场；

所述磁性软体机器人被放置在所述间隔空间内，所述磁性软体机器人包括多条臂，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；所述磁性软体机器人包括至少一个对称轴，其内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；当所述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；

通过控制通入每组电磁驱动线圈电流的大小及变化趋势，使得所述合成磁场在垂直磁性软体机器人任意对称轴的平面内磁场方向顺时针或者逆时针变化，以驱动所述磁性软体机器人沿其对称轴方向爬行运动；所述磁场方向顺时针或者逆时针的变化范围为：从与所述对称轴一侧呈锐角到与所述对称轴一侧呈钝角的任意角度范围。

在一个可选的实施例中，当所述磁性软体机器人包括两条臂时，所述电磁驱动线圈包括两组；

其中一组电磁驱动线圈的轴向平行于所述磁性软体机器人的对称轴，另一组电磁驱动线圈的轴向垂直于所述磁性软体机器人所在平面。

在一个可选的实施例中，当所述磁性软体机器人包括2M条臂时，M大于1；其有N条对称轴，2≤N≤M；N和M均为整数；

所述电磁驱动线圈包括至少三组，其中一组电磁驱动线圈的轴向垂直于所述磁性软体机器人所在平面，其他几组电磁驱动线圈的轴向均与所述磁性软体机器人所在平面平行，所述其他几组电磁驱动线圈的合成磁场方向可以沿着磁性软体机器人的任意对称轴。

在一个可选的实施例中，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，所述合成磁场方向朝向所述磁性软体机器人所在平面的下方；

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，所述合成磁场方向朝向所述磁性软体机器人所在平面的上方。

在一个可选的实施例中，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。

在一个可选的实施例中，当所述合成磁场的方向与磁性软体机器人对称轴一侧的磁矩呈锐角时，所述磁性软体机器人对称轴另一侧的臂弯曲，带动磁性软体机器人对称轴一侧的臂朝向所述对称轴的另一侧偏移；

当所述合成磁场的方向与磁性软体机器人对称轴一侧的磁矩垂直时，所述磁性软体机器人呈的弓起状态；

当所述合成磁场的方向与磁性软体机器人对称轴一侧的磁矩呈钝角时，所述磁性软体机器人整体朝向所述磁性软体机器人对称轴的另一侧偏移，实现了磁性软体机器人的爬行移动。

在一个可选的实施例中，周期性变化通入每组电磁驱动线圈电流，使得所述合成磁场的方向周期性变化，使得所述磁性软体机器人连续爬行运动。

在一个可选的实施例中，所述合成磁场的方向可以连续变化，也可以梯度变化。

在一个可选的实施例中，所述合成磁性为均匀磁场。

在一个可选的实施例中，还包括：承载台；

所述承载台置于所述线圈中间的间隔空间内，用于承载磁性软体机器人。

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：

本发明所提供的一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置，其“前脚”和“后脚”(对应左右半侧区域)因具有相反的磁化方向而在相同空间磁场作用下产生非对称的磁转矩响应，从而实现仿生爬行的动作模式。同时，可通过调节外部驱动磁场的动态驱动策略，可以实现连续的双向爬行。其内部磁化特性简单，呈对称的双向磁化特征，易于通过现有的磁化实现。相较于现有的永磁体驱动式磁性软体机器人，其控制简单、灵活且不需要额外的驱动部件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁性软体机器人的结构图；

图2是本发明实施例提供的为爬行动作完成所需要的电磁驱动装置图；

图3是本发明实施例提供的电流源向X方向线圈和Y方向线圈输出的电流波形图；

图4为本发明实施例提供的不同匀强磁场方向下条形磁性软体机器人的非对称的磁转矩响应图；

图5为本发明实施例提供的磁性软体机器人磁矩分布情况图；

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：1为磁性颗粒，2为软质材料，3为磁性软体机器人，4为电磁驱动线圈，5为控制开关，6为LED显示器，7为电流源，8为线圈引出线。

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。

本发明公开了一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置，磁性软体机器人是由充磁完成的磁性颗粒与软质材料混合固化后的软磁性复合材料组成，利用充磁装置使其具备以中心为原点径向相异的磁化方向。

电磁驱动装置主要由电源装置、组合电磁驱动线圈、通信及控制系统所组成。其中，电源装置为所述组合电磁驱动线圈提供动态电流；组合电磁驱动线圈由多线圈组合而成，用于在其中心领域内产生驱动磁场，进一步在磁性软体机器人中产生磁转矩以驱动机器人运动；通信及控制系统用于独立控制组合电磁驱动线圈中的每个线圈电流作用时序和类型，在三维空间中产生特定的动态匀强磁场。本发明提供的电磁驱动式磁性软体机器人在组合电磁驱动线圈的作用下，其“前脚”和“后脚”可产生非对称的磁转矩响应，从而实现仿生爬行的动作模式，为磁性软体机器人更好地适应非结构化环境提供了可能。相较于目前基于永磁体驱动式磁性软体机器人，其优势在于无需额外的运动部件来驱动永磁体运动，且电磁式响应更快、灵活性更高。

本发明的目的在于通过外加驱动磁场的设计来丰富磁性软体机器人的运动模式，为实现磁性软体机器人能在更为复杂的空间状况下完成预设运动路径提供了可能。

优选地，磁性软体机器人可按一定比例混合固化的软磁性复合材料根据预设运动需求确定目标形状且通过控制软体内部各异的磁化方向，本磁性软体机器人的内部磁化方向呈中心对称的特性。

优选地，电源装置包括电流源、LED显示器、控制开关；电流源用于向组合电磁驱动线圈提供动态电流。LED显示器用于显示此时电流源输出的电流大小，进而能够得到此时空间驱动磁场的大小以及方向。控制开关用于控制电流源是否输出动态电流。

优选地，组合电磁驱动线圈，所述组合电磁驱动线圈由多线圈组合而成，多线圈的组合形式包括但不局限于麦克斯韦线圈及亥姆霍兹线圈，多线圈的驱动形式包括一维、二维和三维电磁驱动。

优选地，通信及控制系统，所述通信及控制系统通过独立控制电源装置对每个线圈中的电流，从而使组合电磁驱动线圈在三维空间中产生不同特性的动态磁场。

本发明提供的第一实施例是关于电磁驱动式磁性软体机器人爬行动作的实现，具体如下：

以往的磁性软体机器人爬行动作主要利用步进电机搭载永磁体进行运动从而在空间产生变化磁场，这种方式对于步进电机的控制要求较高且很难实现精准的驱动。本实施例以磁控条状软体机器人为例，首先按照爬行动作的需求，由充磁完成的磁性颗粒与软质材料混合固化后的软磁性复合材料组成条形磁性软体机器人，利用充磁装置使其具备以中心为原点径向相异的磁化方向。图1为磁性软体机器人的结构图，磁性软体机器人由柔性材料2与磁性粒子1均匀混合固化制成。其中，柔性材料也叫做软质材料。

图2为爬行动作完成所需要的电磁驱动装置图。如图2所示，包括：多组电磁驱动线圈4，其中，每组电磁驱动线圈包括两个同轴设置的线圈，两个同轴设置的线圈中间设有间隔空间；各组电磁驱动线圈包括的两个线圈均沿所述间隔空间同轴对称设置；

每组电磁驱动线圈的两个线圈通入相同大小的电流，在其轴向产生磁场，每组电磁驱动线圈的轴向可任意设置，以在所述间隔空间产生任意方向的合成磁场；

磁性软体机器人3被放置在所述间隔空间内，所述磁性软体机器人包括多条臂，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；所述磁性软体机器人包括至少一个对称轴，其内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；当所述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；

通过控制通入每组电磁驱动线圈电流的变化趋势，使得所述合成磁场在垂直磁性软体机器人任意对称轴的平面内磁场方向顺时针或者逆时针变化，以驱动所述磁性软体机器人沿其对称轴方向爬行运动；所述磁场方向顺时针或者逆时针的变化范围为：从与所述对称轴一侧呈锐角到与所述对称轴一侧呈钝角的任意角度范围。

该驱动装置还包括：承载台；所述承载台置于线圈中间的间隔空间内，用于承载磁性软体机器人。

另外，电磁驱动线圈4通过线圈引出线8连接控制开关5、LED显示器6、通信控制系统以及电流源7。

在一个具体的实施例中，以多组电磁驱动线圈为两组为例进行说明，其中一组电磁驱动线圈的轴向磁场朝着X轴方向，将该组线圈简称为X方向线圈，另一组电磁驱动线圈的轴向磁场朝着Y轴方向，将该组线圈简称为Y方向线圈。图3为电流源向X方向线圈和Y方向线圈输出的电流波形图。受自然界中毛毛虫爬行动作模式的启发，条形磁性软体机器人的“前脚”和“后脚”在可控可调的空间匀强磁场产生非对称的磁转矩响应，从而实现仿生爬行的动作模式。

具体地，图3中以线圈电流梯度式变化，此时合成磁场也是梯度式变化，图3仅以此为例进行说明，本领域技术人员可以理解的是，线圈的电流也可以连续变化，使得合成磁场也是连续变化。

具体地将这种非对称的磁转矩响应分解为四步，图4为不同匀强磁场方向下条形磁性软体机器人的非对称的磁转矩响应图。

动作部分①：在X-和Y-方向组合磁场作用下，磁控条状软体机器人的“后脚”受到X+方向的磁转矩，此时磁转矩具有非对称性。由于软体具有连续性，因此“后脚”的弯曲同样影响部分“前脚”区域，从而使磁控条状软体机器人的中心向X+方向发生偏移。

具体地，磁转矩公式和磁场强度公式分别如下：

τ＝μ₀m×H_xy

其中H_xy是组合驱动线圈所产生的磁场强度，m是磁性软体机器人内部的磁化强度，μ₀是空气磁导率，τ表示磁转矩。

图4中τ_m1,τ_m2,τ′_m2,τ_m3分别指的是不同运动部分时“前脚”和“后脚”所受到的磁转矩大小及方向，B_xy指的是组合驱动线圈所产生空间磁场的磁感应强度大小及方向，α指的是组合线圈所产生空间磁场的磁感应强度方向与X+方向的夹角大小。

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。

动作部分②：在Y-方向组合磁场作用下，磁控条状软体机器人的“后脚”受到X+方向的磁转矩，同时其“前脚”受到X-方向的磁转矩，相互作用下磁控条状软体机器人中部呈现向上的运动趋势。

动作部分③：在X+和Y-方向组合磁场作用下，磁控条状软体机器人的“前脚”受到X+方向的磁转矩，此时磁转矩具有非对称性。相应地“前脚”的弯曲同样影响部分“后脚”区域，从而使磁控条状软体机器人的中心向X+方向发生偏移。

动作部分④：在X+方向组合磁场作用下，磁控条状软体机器人的“前脚”继续向X+方向发生偏转直至爬行运动完成。

其中，需要说明的是，X+和Y+方向分别指的是X轴正向和Y轴正向方向；X+-和Y-方向分别指的是X轴负向和Y轴负向方向。

在实际应用场合中，控制磁场方向使磁控条状软体机器人重复运动部分①-③，从而可以实现该机器人的连续运动，类似地，通过改变运动部分顺序，能够使其实现往复运动。

需要说明的是，本实施例利用有限元仿真软件模拟磁控条状软体机器人在二维动态磁场下实现爬行的过程，证明该控制过程的可行性。

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；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。

可见，当磁性软体机器人包括2M条臂时，M大于1；其有N条对称轴，2≤N≤M；N和M均为整数；此时，电磁驱动线圈包括至少三组，其中一组电磁驱动线圈的轴向垂直于所述磁性软体机器人所在平面，其他几组电磁驱动线圈的轴向均与所述磁性软体机器人所在平面平行，所述其他几组电磁驱动线圈的合成磁场方向可以沿着磁性软体机器人的任意对称轴。

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；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发散分布时，所述合成磁场方向朝向所述磁性软体机器人所在平面的下方。

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；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汇聚分布时，所述合成磁场方向朝向所述磁性软体机器人所在平面的上方。

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)

1.一种电磁驱动式磁性软体机器人的驱动装置，其特征在于，包括：多组电磁驱动线圈，其中，每组电磁驱动线圈包括两个同轴设置的线圈，两个同轴设置的线圈中间设有间隔空间；各组电磁驱动线圈包括的两个线圈均沿所述间隔空间同轴对称设置；

每组电磁驱动线圈的两个线圈通入相同大小的电流，在其轴向产生磁场，每组电磁驱动线圈的轴向可任意设置，以在所述间隔空间产生任意方向的合成磁场；

所述磁性软体机器人被放置在所述间隔空间内，所述磁性软体机器人包括多条臂，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；在所述磁性软体机器人多条臂所在平面内，所述磁性软体机器人包括至少一个对称轴，其内部磁性粒子的磁矩呈中心对称分布；当所述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；

通过控制通入每组电磁驱动线圈电流的大小及变化趋势，使得所述合成磁场在垂直磁性软体机器人任意对称轴的平面内磁场方向顺时针或者逆时针变化，以驱动所述磁性软体机器人沿其对称轴方向爬行运动；所述磁场方向顺时针或者逆时针的变化范围为：从与所述对称轴一侧呈锐角到与所述对称轴一侧呈钝角的任意角度范围；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，所述合成磁场方向朝向所述磁性软体机器人所在平面的下方；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，所述合成磁场方向朝向所述磁性软体机器人所在平面的上方。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，当所述磁性软体机器人包括两条臂时，所述电磁驱动线圈包括两组；

其中一组电磁驱动线圈的轴向平行于所述磁性软体机器人的对称轴，另一组电磁驱动线圈的轴向垂直于所述磁性软体机器人所在平面。

3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，当所述磁性软体机器人包括2M条臂时，M大于1；其有N条对称轴，2≤N≤M；N和M均为整数；

所述电磁驱动线圈包括至少三组，其中一组电磁驱动线圈的轴向垂直于所述磁性软体机器人所在平面，其他几组电磁驱动线圈的轴向均与所述磁性软体机器人所在平面平行，所述其他几组电磁驱动线圈的合成磁场方向沿着磁性软体机器人的任意对称轴。

4.根据权利要求1至3任一项所述的驱动装置，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。

5.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，当所述合成磁场的方向与磁性软体机器人对称轴一侧的磁矩呈锐角时，所述磁性软体机器人对称轴另一侧的臂弯曲，带动磁性软体机器人对称轴一侧的臂朝向所述对称轴的另一侧偏移；

当所述合成磁场的方向与磁性软体机器人对称轴一侧的磁矩垂直时，所述磁性软体机器人呈的弓起状态；

当所述合成磁场的方向与磁性软体机器人对称轴一侧的磁矩呈钝角时，所述磁性软体机器人整体朝向所述磁性软体机器人对称轴的另一侧偏移，实现了磁性软体机器人的爬行移动。

6.根据权利要求1或5所述的驱动装置，其特征在于，周期性变化通入每组电磁驱动线圈电流，使得所述合成磁场的方向周期性变化，使得所述磁性软体机器人连续爬行运动。

7.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述合成磁场的方向连续变化或梯度变化。

8.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述合成磁场为均匀磁场。

9.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，还包括：承载台；

所述承载台置于所述线圈中间的间隔空间内，用于承载磁性软体机器人。

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