CN112847391A - 一种磁控多脚软体机器人的充磁系统及充磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁控软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁控多脚软体机器人的充磁系统及充磁方法。该充磁系统包括脉冲充磁单元和磁控多脚软体机器人，脉冲充磁单元包括电源装置、脉冲磁场发生装置和固定构件。该系统在充磁过程中先对其整体进行轴向充磁，后进行局部径向充磁。该充磁方法通过灵活改变多脚软体机器人的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例，从而使软体机器人具备更加丰富的磁化属性，提高了磁控多脚软体机器人运动模式的多样性，让其能够实现更加丰富的运动过程如捕获、抓取等。

Description

一种磁控多脚软体机器人的充磁系统及充磁方法

技术领域

本发明属于磁控软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁控多脚软体机器人的充磁系统及充磁方法。

背景技术

目前，软体机器人由于其内在的高度的灵活性、良好的顺应性、出色的适应性和自然安全的可交互性，在医疗、教育、服务、救援、探索、探测、可穿戴设备等领域越来越受到重视，并显示出巨大的发展潜力。其较小的杨氏模量以及更灵活的运动方式而备受关注，相较于传统的刚体机器人具有固定约束的刚性连接，软体机器人在运动过程中具备非常高的灵活度。

磁控软体机器人目前较多的是由软质材料与磁性微粒充分混合后，经切割形状、充磁后得到，在预设驱动磁场下，磁控软体机器人由于磁性微粒的作用发生形变并运动，由于目前磁化技术的单一性大部分磁控软体机器人仅具有单一且不可调控的磁化方向，导致其运动模式无法适应更为复杂的应用场合，例如抓取、捕获等。

为了使磁控多脚软体机器人实现闭合动作，现有技术主要分为模具辅助法和3D打印法，模具辅助法是指将多脚软体机器人利用模具固定成目标状态后进行整体充磁，主要缺点在于每一种目标状态都需要单独设计制作相应的模具；3D打印法指的是在磁化磁场的辅助下通过3D打印技术设计磁畴分布路径，使磁性软体机器人内部具有自定义的三维磁化方向曲线，从而实现相应预设动作模式，但由于其工艺较为复杂、成本较高，很难推广。

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可编程的磁控多脚软体机器人充磁系统和充磁方法，旨在提高磁控多脚软体机器人变形的灵活性和可编程性，为适应更加复杂且多样的应用场合提供了可能，以解决现有技术不能实现磁控多脚软体机器人的闭合，或者为了实现其闭合进行抓取或捕获时费时费力、成本高等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁控多脚软体机器人的充磁系统，包括脉冲充磁单元和磁控多脚软体机器人，其中：

所述脉冲充磁单元包括电源装置、脉冲磁场发生装置和固定构件；所述电源装置用于为所述脉冲磁场发生装置提供脉冲电流；

所述脉冲磁场发生装置包括第一脉冲磁场发生装置和第二脉冲磁场发生装置，所述第一脉冲磁场发生装置用于在所述脉冲电流作用下产生轴向磁化磁场，以对所述磁控多脚软体机器人进行轴向充磁；所述第二脉冲磁场发生装置用于在所述脉冲电流作用下产生径向梯度磁化磁场，以对所述磁控多脚软体机器人进行径向充磁；

所述固定构件用于将所述磁控多脚软体机器人固定在所述脉冲磁场发生装置的磁场作用区域；

该系统工作时，首先通过控制脉冲电流大小和方向，使所述第一脉冲磁场发生装置内产生轴向磁化磁场，对所述多脚软体机器人整体进行轴向充磁；然后控制脉冲电流大小和方向使所述第二脉冲磁场发生装置内产生径向梯度磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁；最后在预设驱动磁场作用下实现该多脚软体机器人的目标形变状态；由于径向梯度磁化磁场的衰减特性，该系统能够通过改变径向磁化过程中的脉冲电流幅值从而改变该磁控多脚软体机器人径向磁化区域面积；同时能够借助于调控轴向磁化时脉冲电流幅值，改变轴向磁化强度；从而控制该磁控多脚软体机器人的目标形变状态。

优选地，所述第一脉冲磁场发生装置和第二脉冲磁场发生装置结构相同，其均包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；

该系统工作时，所述充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化；

所述充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向梯度磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁。

优选地，所述第一脉冲磁场发生装置包括轴向背景线圈，所述多脚软体机器人位于该线圈内部中心处；

该系统工作时，通过向所述轴向背景线圈内通入脉冲电流使其产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

优选地，所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁线圈和铜板，该充磁线圈和铜板呈上下方位设置，所述磁控多脚软体机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；

该系统工作时，位于磁控多脚软体机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁控多脚软体机器人另一侧的铜板感应出反向涡流，二者共同作用产生径向梯度磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

优选地，所述电源装置包括控制开关、储能电容和保护电感；且所述控制开关、储能电容、保护电感和所述脉冲磁场发生装置组成放电回路；其中：

所述控制开关用于触发导通放电回路，让放电回路实现通路；

所述储能电容用于储存电能并向所述脉冲磁场发生装置提供脉冲电流；

所述保护电感用于限制放电回路的脉冲电流峰值。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于所述充磁系统的磁控多脚软体机器人的充磁方法，包括如下步骤：

S1、根据磁控多脚软体机器人的目标形变状态，确定轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例和磁化强度比例；

S2、将多脚软体机器人置于所述第一脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对磁控多脚软体机器人整体轴向充磁；

S3、完成所述磁控多脚软体机器人整体轴向充磁后，将多脚软体机器人置于所述第二脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对磁控多脚软体机器人实现指定区域的局部径向充磁；

S4、在预设驱动磁场的作用下，使完成充磁后的磁控多脚软体机器人实现目标形变状态。

优选地，步骤S2所述第一脉冲磁场发生装置包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；向所述充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

优选地，步骤S2所述第一脉冲磁场发生装置包括轴向背景线圈，所述多脚软体机器人位于该线圈内部中心处；向所述轴向背景线圈内通入脉冲电流使其产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

优选地，步骤S3所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；向所述充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁。

优选地，步骤S3所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁线圈和铜板，该充磁线圈和铜板呈上下方位设置，所述磁控多脚软体机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；向位于磁控多脚软体机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁控多脚软体机器人另一侧的铜板感应出反向涡流，二者共同作用产生径向梯度磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

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)本发明所提供的一种磁控多脚软体机器人充磁系统结构简单，且通过灵活改变轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例进而使磁控多脚软体机器人不同区域分别具备轴向和径向的磁化方向，提高了磁控多脚软体机器人运动模式的多样性。

(2)本发明首先对磁控多脚软体机器人进行整体轴向充磁，紧接着对该磁控多脚软体机器人进行局部径向充磁，由于径向磁化磁场为自磁场作用区域中心向远离中心的径向方向磁场强度逐渐减小至0的梯度磁场，通过控制径向磁化时电源装置提供的脉冲电流的大小，控制径向磁化磁场强度，即可控制径向磁化区域的面积(该面积为磁场强度最大的磁场作用中心区域与磁场强度衰减为0的位置之间的距离为半径对应的面积)，如此结合轴向和径向磁化区域面积比以及磁化强度比值的调控，即可实现磁控多脚软体机器人的多种运动模式，并且也使得磁控多脚软体机器人的闭合状态成为可能，从而能够满足磁控软体机器人的捕获和抓取应用场景需求。因此本发明也提供了一种可闭合的磁控软体机器人的充磁系统和方法。

(3)本发明所提供的一种磁控多脚软体机器人放入充磁方法，仅通过改变脉冲电流大小和方向，进行先后两步的充磁操作，即在充磁过程中先对其整体进行轴向充磁，后进行局部径向充磁，即可实现磁控多脚软体机器人的完全闭合，操作非常简单，且可通过编程式操作，根据目标形变状态设置每一步充磁操作的脉冲电流大小和方向设置，实现预设的轴向充磁区域和径向充磁区域的面积比和磁场强度之比，即可实现目标形变状态。

(4)本发明提出的磁控多脚软体机器人充磁方法通过灵活改变多脚软体机器人的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例，从而使软体机器人具备更加丰富的磁化属性，提高了磁控多脚软体机器人运动模式的多样性，让其能够实现更加丰富的运动过程如捕获、抓取等。

附图说明

图1是本发明脉冲充磁单元结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的可编程形状的磁控多脚软体机器人的制备及充磁方法；

图3是本发明实施例中提供的一种可编程形状的磁控六脚软体机器人的三维结构图；

图4a是本发明实施例中提供的磁控多脚软体机器人在双线圈脉冲充磁单元下实现整体轴向充磁示意图；

图4b是本发明实施例中提供的磁控多脚软体机器人在双线圈脉冲充磁单元下实现局部径向充磁示意图；

图5a是本发明实施例中提供的磁控多脚软体机器人的轴向充磁区域与径向充磁区域示意图(俯视图)；

图5b是本发明实施例中提供的磁控多脚软体机器人的轴向充磁区域与径向充磁区域截面示意图。

图6a是本发明实施例中提供的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例设置为0时磁控多脚软体机器人仿真形变图；

图6b是本发明实施例中提供的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例设置为1时的磁控多脚软体机器人仿真形变图；

图7a是本发明实施例中提供的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例设置为0时磁控多脚软体机器人形变的截面图；

图7b是本发明实施例提供的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例设置为1时磁控多脚软体机器人形变的截面图；

图8a与8b是本发明实施例中提供的磁控多脚软体机器人模拟抓取物品示意图；

图9是本发明实施例中提供的磁控软体机器人模拟食蝇草抓捕苍蝇的示意图。

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。

本发明提供的一种磁控多脚软体机器人的充磁系统，包括脉冲充磁单元和磁控多脚软体机器人，其中：

所述脉冲充磁单元包括电源装置、脉冲磁场发生装置和固定构件；所述电源装置用于为所述脉冲磁场发生装置提供脉冲电流。

所述脉冲磁场发生装置包括第一脉冲磁场发生装置和第二脉冲磁场发生装置，所述第一脉冲磁场发生装置用于在所述脉冲电流作用下产生轴向磁化磁场，以对所述磁控多脚软体机器人进行轴向充磁；所述第二脉冲磁场发生装置用于在所述脉冲电流作用下产生径向磁化磁场，以对所述磁控多脚软体机器人进行径向充磁。

所述固定构件用于将所述磁控多脚软体机器人固定在所述脉冲磁场发生装置的磁场作用区域，避免在磁化的过程中因电磁力的作用发生偏移，导致磁化方向发生变化。

该系统工作时，首先通过控制脉冲电流大小和方向，使所述第一脉冲磁场发生装置内产生轴向磁化磁场，对所述多脚软体机器人整体进行轴向充磁；然后控制脉冲电流大小和方向使所述第二脉冲磁场发生装置内产生径向磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁；最后在预设驱动磁场作用下实现该多脚软体机器人的目标形变状态；

由于径向梯度磁化磁场的衰减特性，该系统能够通过改变径向磁化过程中的脉冲电流幅值从而改变该磁控多脚软体机器人径向磁化区域面积；同时能够借助于调控轴向磁化时脉冲电流幅值，改变轴向磁化强度；从而控制该磁控多脚软体机器人的目标形变状态。

由于本发明径向磁化磁场是梯度衰减场，故磁控多脚软体机器人的径向磁化强度相应地存在不均匀的特性，无法进行定量分析。本发明先整体轴向充磁，再局部径向充磁，两步充磁完成后磁控多脚软体机器人的目标形变状态受到轴向和径向磁化区域面积之比以及轴向磁化强度的相互作用所影响。

一些实施例中，所述第一脉冲磁场发生装置和第二脉冲磁场发生装置结构相同，其均包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；该系统工作时，所述充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化；所述充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向梯度磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁。

另一些实施例中，所述第一脉冲磁场发生装置包括轴向背景线圈，所述多脚软体机器人位于该线圈内部中心处；该系统工作时，通过向所述轴向背景线圈内通入脉冲电流使其产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

另一些实施例中，所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁线圈和铜板，该充磁线圈和铜板呈上下方位设置，所述磁控多脚软体机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；该系统工作时，位于磁控多脚软体机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁控多脚软体机器人另一侧的铜板感应出反向涡流，二者共同作用产生径向梯度磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

一些实施例中，所述电源装置包括控制开关、储能电容和保护电感；且所述控制开关、储能电容、保护电感和所述脉冲磁场发生装置组成放电回路；其中：所述控制开关用于触发导通放电回路，让放电回路实现通路；所述储能电容用于储存电能并向所述脉冲磁场发生装置提供脉冲电流；所述保护电感用于限制放电回路的脉冲电流峰值；避免放电回路中出现短路时脉冲电流峰值过高，导致控制开关和充磁线圈烧毁。

一些实施例中，采用如图1所示的脉冲充磁单元来实现磁控软体机器人的充磁，该脉冲充磁单元具体包括放电电容1、本发明所述的脉冲磁场发生装置2、放电开关4、线路阻抗5(线路电阻5-1和电感5-2)、续流回路3(二极管3-1，续流电阻3-2和续流开关3-3)。放电前，闭合续流回路开关3-3，对电容1进行充电，后闭合放电开关4对脉冲磁场发生装置2进行放电。对于轴向磁化模式，在设定的放电电压下，上铜线圈的电流流向和下铜线圈的电流流向相同，样品(磁控多脚软体机器人)区域的磁场以中心区域的轴向磁场为主，从而可使得样品中的粒子形成轴向磁化分布特征，实现对磁控多脚软体机器人的轴向充磁。相应地，对于径向磁化模式，在设定的放电电压下，上铜线圈的电流流向和下铜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，从而可使得样品中的粒子形成轴向磁化分布特征，实现对磁控多脚软体机器人的轴向充磁。对于其他第一或第二脉冲磁场发生装置，可按照同样的方法进行磁化调控。

本发明提供的第一或第二脉冲磁场发生装置中涉及的充磁线圈以及轴向背景线圈，同现有技术各类线圈的结构，由导线绕制或导体切割而成，其外围设置有加固材料，该线圈用于作为放电回路负载来产生磁场。

本发明还提供了一种基于所述充磁系统的磁控多脚软体机器人的充磁方法，包括如下步骤：

S1、根据磁控多脚软体机器人的目标形变状态，确定轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例和磁化强度比例；

S2、将多脚软体机器人置于所述第一脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对磁控多脚软体机器人整体轴向充磁；

S3、完成所述磁控多脚软体机器人整体轴向充磁后，将多脚软体机器人置于所述第二脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对磁控多脚软体机器人实现指定区域的局部径向充磁；

S4、在预设驱动磁场的作用下，使完成充磁后的磁控多脚软体机器人实现目标形变状态。

本发明可以首先通过仿真获得不同轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例和磁化强度比例下的磁控多脚软体机器人的形变状态，然后根据目标形变状态选择确定合适的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例和磁化强度比例进行两步磁化，最终获得目标形变状态。

一些实施例中，步骤S1具体为：首先对磁控多脚软体机器人进行整体轴向充磁，然后对其进行局部径向充磁，因此最终轴向充磁区域的面积为由该磁控多脚软体机器人的总面积减去径向充磁面积得到；通过调控径向磁化时的脉冲电流幅值调控径向磁化区域面积，从而能够获得不同的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例；通过控制轴向磁化与径向磁化的脉冲电流幅值，确定轴向充磁区域与径向充磁区域的磁化强度比例。

本发明通过控制径向磁化强度控制轴向充磁区域和径向充磁区域的面积比，通过控制轴向磁化强度控制磁控软体机器人的闭合程度。

一些实施例中，步骤S2所述第一脉冲磁场发生装置包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；向所述充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

另一些实施例中，步骤S2所述第一脉冲磁场发生装置包括轴向背景线圈，所述多脚软体机器人位于该线圈内部中心处；向所述轴向背景线圈内通入脉冲电流使其产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

另一些实施例中，步骤S3所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；向所述充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁。

另一些实施例中，步骤S3所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁线圈和铜板，该充磁线圈和铜板呈上下方位设置，所述磁控多脚软体机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；向位于磁控多脚软体机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁控多脚软体机器人另一侧的铜板感应出涡流，二者共同作用产生径向梯度磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

本发明磁控多脚软体机器人，或称磁控多爪软体机器人，由软质材料与磁性微粒混合固化后得到。一般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。本发明磁控多脚软体机器人为包含两个或以上的向外伸出的“脚”，多脚设置一般用于捕获或抓取物品。以磁控六脚软体机器人为例，图2为可编程形状的磁控多脚软体机器人的制备及充磁方法，图3为一个实施例提供的一种可编程形状的磁控六脚软体机器人的三维结构图。

首先按照需要的磁场强度预制一系列匝数和直径确定的充磁双线圈，设计并配备相关电源装置以及固定构件。将硅胶与磁性微粒钕铁硼粉末按照一定比例均匀混合后，倒入预先确定尺寸的多脚模具中。待凝固后，根据磁控多脚软体机器人的目标形变状态，确定轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例，将磁控多脚软体机器人放置于双线圈脉冲充磁单元中，充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场(如图4a)，进行磁控多脚软体机器人整体轴向充磁，之后充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向磁化磁场，调整脉冲电流幅值，实现指定区域局部径向充磁(如图4b)。图5a为磁控多脚软体机器人的轴向充磁区域与径向充磁区域示意图(俯视图，且其余五个“脚”与该磁场区域分布相同)，图5b为磁控多脚软体机器人的轴向充磁区域与径向充磁区域截面示意图。在方向垂直于平面向上的驱动磁场作用下，以磁控多脚软体机器人的任一脚为分析对象，径向磁化区域在磁转矩的作用下驱动单脚整体向上运动，此时轴向磁化区域对该动作是呈阻碍作用的，因此在一定的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例下，此时单脚整体向上运动时由径向磁化区域占主导，向上运动结束后，轴向磁化区域在磁转矩的作用下向软体机器人中心发生偏转，从而实现闭合动作。

为了验证本发明所提出的可编程形状的特点，本实施例分别建立了有无轴向充磁区域时的有限元数字化仿真模型，包括轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例和磁化强度比例设置为0(即没有轴向磁化即轴向磁化区域面积为0)的情形，以及轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例为1:1，磁化强度比例设置为1:2的情形，图6a为轴向充磁区域面积为0，仅对该机器人进行局部径向充磁时的磁控多脚软体机器人仿真形变图、6b为轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例为1时的磁控多脚软体机器人仿真形变图，径向充磁区域面积与图6a相同；图7a、7b分别为图6a和图6b磁控多脚软体机器人形变的截面图。不难看出，不按照本发明的充磁方法进行充磁(即轴向充磁区域面积为0)时，该多脚软体机器人不能实现闭合，而按照本发明的方法进行充磁时，该多脚软体机器人能够实现很好的闭合。本发明对于尺寸不同或采用不同磁性材料磁控多脚软体机器人，可通过实验或仿真获得目标形变状态对应的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例以及磁化强度比例。

软体机器人由于其较小的杨氏模量能够提供较高的灵活性而倍受关注，但一方面软体机器人本身很难提供相应的抓取力量，另一方面软体机器人缺少相关刚性连接难以实现特定形状的抓取动作。本发明所提出一种可编程形状的磁控多脚软体机器人及其充磁方法，在确定的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例下，外加驱动磁场下能够实现各种形状物体的抓取动作。将磁控多脚软体机器人一端固定，由于预设了轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例，软体机器人可以在驱动磁场的作用下实现数倍于自身重量的物品抓取。图8a与8b是磁控多脚软体机器人模拟抓取物品示意图。

基于自然界中捕蝇草捕获猎物动作的启发，本发明所提出一种可编程形状的磁控多脚软体机器人及其充磁方法，在确定的轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例或磁化强度比例下完成磁控多脚软体机器人的充磁后，在驱动磁场的作用下，磁控多脚软体机器人能够快速实现预设曲度的变形，完成抓捕动作。图9是磁控软体机器人模拟食蝇草抓捕苍蝇的示意图。

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)

1.一种磁控多脚软体机器人的充磁系统，其特征在于，包括脉冲充磁单元和磁控多脚软体机器人，其中：

所述脉冲充磁单元包括电源装置、脉冲磁场发生装置和固定构件；所述电源装置用于为所述脉冲磁场发生装置提供脉冲电流；

所述脉冲磁场发生装置包括第一脉冲磁场发生装置和第二脉冲磁场发生装置，所述第一脉冲磁场发生装置用于在所述脉冲电流作用下产生轴向磁化磁场，以对所述磁控多脚软体机器人进行轴向充磁；所述第二脉冲磁场发生装置用于在所述脉冲电流作用下产生径向梯度磁化磁场，以对所述磁控多脚软体机器人进行径向充磁；

所述固定构件用于将所述磁控多脚软体机器人固定在所述脉冲磁场发生装置的磁场作用区域；

该系统工作时，首先通过控制脉冲电流大小和方向，使所述第一脉冲磁场发生装置内产生轴向磁化磁场，对所述多脚软体机器人整体进行轴向充磁；然后控制脉冲电流大小和方向使所述第二脉冲磁场发生装置内产生径向梯度磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁；最后在预设驱动磁场作用下实现该多脚软体机器人的目标形变状态；由于径向梯度磁化磁场的衰减特性，该系统能够通过改变径向磁化过程中的脉冲电流幅值从而改变该磁控多脚软体机器人径向磁化区域面积；同时能够借助于调控轴向磁化时脉冲电流幅值，改变轴向磁化强度；从而控制该磁控多脚软体机器人的目标形变状态。

2.如权利要求1所述的充磁系统，其特征在于，所述第一脉冲磁场发生装置和第二脉冲磁场发生装置结构相同，其均包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；

该系统工作时，所述充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化；

所述充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向梯度磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁。

3.如权利要求1所述的充磁系统，其特征在于，所述第一脉冲磁场发生装置包括轴向背景线圈，所述多脚软体机器人位于该线圈内部中心处；

该系统工作时，通过向所述轴向背景线圈内通入脉冲电流使其产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

4.如权利要求1所述的充磁系统，其特征在于，所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁线圈和铜板，该充磁线圈和铜板呈上下方位设置，所述磁控多脚软体机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；

该系统工作时，位于磁控多脚软体机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁控多脚软体机器人另一侧的铜板感应出反向涡流，二者共同作用产生径向梯度磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

5.如权利要求1所述的充磁系统，其特征在于，所述电源装置包括控制开关、储能电容和保护电感；且所述控制开关、储能电容、保护电感和所述脉冲磁场发生装置组成放电回路；其中：

所述控制开关用于触发导通放电回路，让放电回路实现通路；

所述储能电容用于储存电能并向所述脉冲磁场发生装置提供脉冲电流；

所述保护电感用于限制放电回路的脉冲电流峰值。

6.一种基于如权利要求1至5任一项所述充磁系统的磁控多脚软体机器人的充磁方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据磁控多脚软体机器人的目标形变状态，确定轴向充磁区域与径向充磁区域的面积比例和磁化强度比例；

S2、将多脚软体机器人置于所述第一脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对磁控多脚软体机器人整体轴向充磁；

S3、完成所述磁控多脚软体机器人整体轴向充磁后，将多脚软体机器人置于所述第二脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对磁控多脚软体机器人实现指定区域的局部径向充磁；

S4、在预设驱动磁场的作用下，使完成充磁后的磁控多脚软体机器人实现目标形变状态。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2所述第一脉冲磁场发生装置包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；向所述充磁上线圈和充磁下线圈通入同向脉冲电流并产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2所述第一脉冲磁场发生装置包括轴向背景线圈，所述多脚软体机器人位于该线圈内部中心处；向所述轴向背景线圈内通入脉冲电流使其产生轴向磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生轴向磁化。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁上线圈和充磁下线圈，所述充磁上线圈和充磁下线圈呈上下轴向对称；所述多脚软体机器人位于所述充磁上线圈和充磁下线圈之间的磁场作用区域；向所述充磁上线圈和充磁下线圈通入异向脉冲电流并产生径向磁化磁场，对所述多脚软体机器人局部进行径向充磁。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3所述第二脉冲磁场发生装置包括充磁线圈和铜板，该充磁线圈和铜板呈上下方位设置，所述磁控多脚软体机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；向位于磁控多脚软体机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁控多脚软体机器人另一侧的铜板感应出反向涡流，二者共同作用产生径向梯度磁化磁场，使得多脚软体机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

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