CN113103218A - 一种利用电磁场驱动的可折叠机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电磁场驱动的可折叠机器人，包括控制模块、变形模块和驱动模块三部分，其中，控制模块包括硬件载体、电源和控制电路；变形模块包括机器人本体和热缩薄膜；驱动模块包括线圈、永磁体和连接板。未使用时，机器人呈平面状，可以堆叠放置，节约存储空间；使用时，首先通过加热让热缩薄膜收缩，结合机器人本体上的变刚度设计使机器人自折叠成预想的结构和形状，再利用控制模块和驱动模块使机器人在电磁场的作用下移动。本发明全新驱动方式，实现了机器人的直线与转向运动，活动空间不受限制，无需提供外部动力源。

Description

一种利用电磁场驱动的可折叠机器人

技术领域

本发明属于可折叠机器人领域，特别是一种利用电磁场驱动的可折叠机器人。

背景技术

可折叠机器人是一种响应实际需求的机器人类型，在指定环境下机器人可以通过自折叠变形的方式，完成其他类型机器人不能实现的任务。可折叠机器人是折纸的一个特殊分支，折叠依靠预设的折痕来实现不同状态的转换，变形只会发生在预设的折痕位置上，机器人的主体不会发生变形。它通过设计材料折痕的几何结构实现所需的功能，从而将材料与机器紧密地结合起。用于制造折纸机器人的纸张或其他可折叠薄片材料显著减少机器人重量、降低材料成本、有利于环境保护。这些特性使得折纸机器人在医疗、军事探索、灾区搜救等方面都有着广阔的应用前景。Miyashita S,Guitron S P,Ludersdorfer M,etal.An Untethered Miniature Origami Robot that Self-folds,Walks,Swims,andDegrades[C]//IEEE International Conference on Robotics&Automation.IEEE,2015.公开研制了一种微型可折叠机器人，它由一个展开面积为1.7cm²的聚苯乙烯层组成，仅重0.31g，此机器人将折纸结构作为其身体骨架，通过自身包裹的永磁体在外磁场远程控制下完成变形和运动。机器人可以执行包括搬运、爬坡、游泳等不同任务，任务完成后，还能在特定溶液中实现溶化自毁。

虽然这一技术利用了驱动力较高的磁场力作为驱动运动的作用力，使机器人能完成各种复杂的运动任务，在机器人的自折叠外场无缆驱动方面提供了新思路，但是外场驱动的方法大多存在驱动范围受限的问题，机器人只能在有限的空间内通过外场提供的能量完成预定的任务。

CN104369181A公开了一种利用电场驱动的自成形柔性机器人，温度场激发下使机器人关节部位的记忆合金薄板变形，实现机器人的自折叠成型；通过电场激发，使驱动模块上的相对的两块镀铜薄膜产生相排斥的静电力，相对的镀铜薄膜吸引，使得关节折叠弯曲，然后通过电荷消失下关节弹性恢复力，变成机器人前进的推进力。虽然这一技术对机器人自折叠内场自驱动提出了一种切实可行的方法，摆脱了机器人对电机驱动和机械传动的依赖，而且实现了运动空间不受限制的机理，但使用记忆合金作为自变形材料成本过高，静电驱动对驱动电压要求很高，而且静电驱动产生的驱动力矩较小，成型后的机器人不能实现平面转向运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电磁场驱动的可折叠机器人，既能实现直线行走和转向运动，又能保证活动空间不受限制，发展成新型自变形自驱动的机器人。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种利用电磁场驱动的可折叠机器人，包括：

变形模块，所述述变形模块包括机器人本体和热缩薄膜，机器人本体设有可折叠的前后左右支腿，且前后左右支腿在加热状态下可与机器人本体展开；所述前后左右支腿与机器人本体之间均连接有热缩薄膜，用于对支腿的展开角度进行限位；

分别设置在后侧左右支腿上的驱动模块，用于通过线圈和永磁体的吸引或排斥产生作用于后侧左右支腿的力，使机器人运动；

控制模块，用于控制驱动模块电流的通断和方向，进而控制两个驱动模块的磁力作用的频率和极性，并控制机器人的运动和转向。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

机器人利用电磁力作为驱动力，摆脱了传统的机械传动方法，在运动范围不受限制的前提下，能实现较为明显的前进与转向运动；机器人的成型利用热缩薄膜聚氯乙烯材料的热收缩性能作为成型的方法大大降低了机器人的制作成本。

附图说明

图1是两个驱动模块的可折叠机器人原理示意图。

图2是控制模块的原理示意图。

图3(a-b)分别是驱动模块的结构示意图及对应俯视示意图。

图4是变形模块的结构示意图。

图5是两个驱动模块的可折叠机器人的运动示意图。

图6是六个驱动模块的可折叠机器人原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1、图2、图3和图4，设计了一种利用电磁场驱动的可折叠机器人，包括控制模块、变形模块和驱动模块三个部分，其中，控制模块包括硬件载体1、电源2和控制电路3；变形模块包括机器人本体4和热缩薄膜5；驱动模块包括线圈6、永磁体7和连接板8。

所述电源2使用锂电池或太阳能电池板，和控制电路3并排固定在硬件载体1上；硬件载体1采用尼龙薄膜材料；硬件载体1设置在机器人本体4的上表面；机器人本体4是利用高分子聚合物材料(比如柔性ABS塑料)制作的薄片；机器人本体4设有两个前支腿和两个后支腿，结合图4，在机器人本体4下表面和四个支腿之间均连接有热缩薄膜5，且同一热缩薄膜5的两侧连接点与折痕位置相同，机器人支腿展开后的角度是根据热缩薄膜5固定位置与折痕位置之间的距离相关联，距离越近展开后的角度越小，距离越远展开后的角度越大，由于展开后两个前支腿的高度小于两个后支腿的高度，机器人本体4所采用的结构是前低后高的形式(整体呈前倾式结构)，变形模块前支腿与机器人本体4上表面呈钝角状态，变形模块后支腿与机器人本体4上表面呈垂直状态，使固定在机器人本体4上的驱动装置在呈斜坡形式后变形模块腿部关节处产生明显的向下前倾驱动效果，所以设计的前变形模块腿部关节处热缩薄膜5固定的位置与折痕位置的距离要相对后变形模块热缩薄膜5固定的位置与折痕位置的距离要短一些，热缩薄膜5是利用聚氯乙烯材料制成的薄膜，在70-80℃下热缩薄膜5会发生热收缩的效果，使得折痕位置得以折叠成型；如图4，机器人本体4上与两个后侧支腿连接的折痕位置分别开有一条槽口41以降低刚度；结合图1、图3，所述线圈6、永磁体7固定在连接板8内，两个连接板8分别固连在机器人本体4上后侧两个支腿上，线圈6与对应控制电路3通过导线相连，永磁体7使用立方钕铁硼永磁体；结合图3(a-b)，驱动模块中连接板8的作用是连接线圈6与永磁体7，使线圈6的中心正对磁铁7的中心，通电后线圈6产生的磁场就能与磁铁7相互作用产生机器人的运动，驱动模块中连接板8主体结构为一个六边形边框结构，包括上下对称设置的两个安装板81，永磁体7安装在上侧安装板81上，线圈6安装在下侧安装板81上，上安装板81和下侧安装板81之间左右两侧分别连接有两个连接侧板82，连接侧板82的长度大于安装板81的长度，安装板81采用等边短板，连接侧板82采用等腰长板，等边短板拉近了固定线圈6与永磁铁7的距离，不仅增加驱动运动效果，而且有助于驱动装置的弹性恢复，连接板8利用硬纸板材料制成；由线圈6、永磁体7和连接板8结合相应电路构成一个驱动模块，机器人可以包含多个驱动模块。

结合图5，驱动方法为：变形模块开始为平面状态(如图5A)，通过加热的方式，让变形模块成型，作为机器人的主体(如图5B)；电源2供电，通过控制电路3作用于驱动模块，让线圈6产生磁场，与永磁体7相互吸引、排斥，产生作用于关节上的力，使机器人运动；在需要运动的折叠关节处有一条槽口41，从而降低驱动关节处刚度，能让相应部分在冲击振动作用下产生运动；控制电路3应包含控制器，可以控制电流的通断和方向，进而控制磁力作用的频率和极性。通电让线圈6产生磁场，得以吸引或排斥悬挂的永磁体7，假设机器人的初始状态(如图5C，两个后侧支腿上的线圈均未通电)，当左驱动装置的线圈6通电产生与永磁体7的吸引力，永磁体7带动连接板8进行弹性变形，距离越近吸力越大，永磁体7会撞击线圈6，线圈6是固定在机器人本体4上的，所以相应位置的机器人本体4受到撞击力的作用从而克服地面摩擦力向右前方运动(如图5D，两个后侧支腿上的左线圈均未通电右侧线圈通电)；断电后，电荷消失，吸引力随之消失，之前发生弹性变形的永磁体7、连接板8就会恢复之前的形状(如图5E)；右驱动模块通断电后会得到一个向左前方的运动(如图5F)；当机器人的左右驱动模块都完成变形及变形恢复，机器人就完成了一个运动周期(如图5G)，机器人向前运动了一定距离；通过对电流开关频率进行连续控制，就能对机器人产生稳定的推动力，从而产生连续的运动，进而来驱动机器人。对需要转向位置相异位置驱动模块的线圈进行单一通电控制即可产生连续的转向运动，实现机器人的转向。

通过控制进入线圈6的电流的方向使驱动装置中线圈6与永磁体7产生排斥力，机器人的运动方向与吸引时相同，通电时后变形模块腿部关节不运动，断电时，排斥力消失，发生弹性变形的等边短板81会实现快速恢复，永磁体对线圈产生冲击振动力作用到后变形模块腿部关节上实现运动。

结合图6，六个对称布置的驱动模块的可折叠机器人原理示意图，使用同样的驱动方法可以实现更加快速的二维平面运动。一个机器人可以包含多个驱动模块，具体驱动模块的布置可以视实际需求而定。

Claims (8)

1.一种利用电磁场驱动的可折叠机器人，其特征在于，包括：

变形模块，所述变形模块包括机器人本体和热缩薄膜，机器人本体设有可折叠的前后左右支腿，且前后左右支腿在加热状态下可与机器人本体展开；所述前后左右支腿与机器人本体之间均连接有热缩薄膜，用于对支腿的展开角度进行限位；

分别设置在后侧左右支腿上的驱动模块，用于通过线圈和永磁体的吸引或排斥产生作用于后侧左右支腿的力，使机器人运动；

控制模块，用于控制驱动模块电流的通断和方向，进而控制两个驱动模块的磁力作用的频率和极性，并控制机器人的运动和转向。

2.根据权利要求1所述的可折叠机器人，其特征在于，所述机器人本体呈前倾式结构。

3.根据权利要求1所述的可折叠机器人，其特征在于，所述驱动模块包括线圈、永磁体和连接板；所述线圈、永磁体均固定在连接板上，且线圈的中心正对磁铁的中心；所述连接板固定在后侧左右支腿上，且可在线圈与永磁体之间通电产生磁力作用下收缩并在断电后复位，实现线圈与永磁体在通断电作用下的距离可调。

4.根据权利要求3所述的可折叠机器人，其特征在于，所述连接板主体结构为一个六边形边框结构，包括上下对称设置的两个安装板，永磁体安装在上侧安装板上，线圈安装在下侧安装板上，上安装板和下侧安装板之间左右两侧分别连接有两个连接侧板，连接侧板的长度大于安装板的长度。

5.根据权利要求3所述的可折叠机器人，其特征在于，所述永磁体使用立方钕铁硼永磁体。

6.根据权利要求1所述的可折叠机器人，其特征在于，所述机器人本体与后左右支腿的折痕位置分别设有槽口。

7.根据权利要求1所述的可折叠机器人，其特征在于，所述控制模块包括硬件载体、电源和控制电路；所述硬件载体用于支撑电源和控制电路；所述电源用于为控制电路3提供电能，控制电路用于控制线圈电流的通断和方向。

8.根据权利要求1所述的可折叠机器人，其特征在于，热缩薄膜5是利用聚氯乙烯材料制成的薄膜。

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