CN113114066B - 基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人，包括：磁性薄膜、柔性基底和柔性电磁线圈。柔性基底与磁性薄膜的两端相连接。磁性薄膜的长度大于柔性基底的长度，磁性薄膜弯曲形成拱形结构。柔性电磁线圈与柔性基底相连接，且与拱形结构相对设置。本公开由结构本身提供磁场与电磁场，以永磁场与电磁场之间的相互作用力作为驱动力，实现机器人自驱动。

Description

基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人

技术领域

本公开涉及软体机器人领域，尤其涉及一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人。

背景技术

随着科技的进步和自动化需求的增加，机器人技术已经广泛应用于工业、军事及医疗等领域，目前已有不同类型的机器人相继被研究与开发。大多数传统的机器人是由硬质材料制成的，输出力量大、速度快、精度高，但是传统机器人的结构复杂，灵活性差，其并不能通过狭窄的空间，不能适应形状复杂的通道，使用场景受到了极大的限制。由于传统刚性机器人的上述缺点，软体机器人逐渐得到发展。现阶段，随着对仿生机理研究的深入，研究者们研制出不同类型的软体机器人，不同的软体机器人可以根据实际需要任意改变自身形状、尺寸和位置，在复杂的环境中作业，与刚性机器人相比具有高顺应性、高适应性等特点，在工业、农业、医疗、救灾等领域均有广阔的应用前景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人，包括：

磁性薄膜，所述磁性薄膜弯曲形成拱形结构；

柔性基底，与所述磁性薄膜的两端相连接；所述磁性薄膜的长度大于所述柔性基底的长度；

柔性电磁线圈，与所述柔性基底相连接，且与所述拱形结构相对设置。

在本公开的一些实施例中，在拉伸状态下的所述柔性基底与所述磁性薄膜的两端相连接。

在本公开的一些实施例中，柔性基底还包括：

容置槽，设置于所述柔性基底上；所述柔性电磁线圈设置于所述容置槽内，且与所述柔性基底相连接。

在本公开的一些实施例中，所述拱形结构的高度随所述柔性基底拉伸距离的增大而增大。

在本公开的一些实施例中，所述柔性基底的拉伸量为0.5-2mm。

在本公开的一些实施例中，所述拱形结构的两端与所述柔性基底相连接。

在本公开的一些实施例中，所述拱形结构和所述柔性电磁线圈的个数为n，其中，n≥1；所述容置槽的个数为k，其中，k≥1。

在本公开的一些实施例中，所述容置槽的个数不小于所述柔性电磁线圈的个数。

在本公开的一些实施例中，所述拱形结构的最高点与所述柔性电磁线圈的中心共线。

在本公开的一些实施例中，所述磁性薄膜采用至少一种折叠方式进行单向充磁后展开获得具有自定义磁场分布的磁性薄膜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开由本身提供磁场驱动机器人可控地向前或向后运动，避免了外部亥姆赫兹线圈驱动带来的运动场景受限的问题。

(2)本公开通过折纸技术即可实现特定薄膜上不同区域的自定义磁场排布，对比未折叠的磁性薄膜极大的增强了磁性薄膜的磁性。

(3)本公开在磁性薄膜与柔性基底相结合时，通过预应力将柔性基底拉伸，自然释放后可得到磁性薄膜以一定弧度弯曲的结构。

(4)本公开全柔性的仿生结构，质量轻体积小，控制方式简单，可以实现较低电压控制柔性机器人运动。

附图说明

图1为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人的示意图。

图2为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人的爆炸示意图。

图3为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人中所采用的磁性薄膜折叠充磁方式示意图。

图4为图3采用磁性薄膜折叠充磁方式得到的磁场分布示意图。

图5为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人中柔性电磁线圈与磁性薄膜对应磁场分布示意图。

图6为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人磁场分布仿真结果。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-柔性基底；

2-磁性薄膜；

21-折叠区域；

22-非折叠区域；

23-磁感线方向；

24-磁化方向；

3-柔性电磁线圈；

4-容置槽；

5-粘合部。

具体实施方式

软体机器人驱动方式主要分为气动驱动、智能材料驱动。气动驱动主要是通过施加气压使机器人变形，变形幅度大，运动灵活，由于其质量轻、成本低、无污染等优点在仿生机器人中应用最为广泛，主要包括气动人工肌肉和流体弹性体机器人。然而该驱动方式对密封性要求高，驱动气体气压呈非线性变化，导致软体机器人难以控制且精度不高，并且气体驱动机器人在运动时大多需要拖动气泵或者气囊，结构较为复杂，运动受到限制。基于智能材料的驱动主要分为形状记忆合金驱动、电活性聚合物驱动和水凝胶驱动。以形状记忆合金驱动为例，形状记忆合金是基于热弹性与马氏体相变及其逆变的原理而具有形状记忆效应的智能材料，已广泛应用于医学和航空等领域。此类驱动方式的软体机器人虽具有质量轻、结构简单、响应速度快等优点，但其能耗高且温度难以控制，在进行下一次驱动时需将热量散去，导致驱动效率低。磁驱动软体机器人作为柔性材料驱动中的一种特殊驱动方式也得到了迅速发展，主要依靠外部永磁或电磁设备提供特定磁场，可实现磁性软体机器人独立多样运动，然而受外部磁场作用区域限制，导致运动范围受限，作业场景有限。因此，亟需开发一种新型软体机器人驱动方式和结构设计以实现驱动方式简单、运动范围广、作业场景多样的全柔性磁控软体机器人。

本公开提供了一种新颖的移动终端的外壳、装饰性背贴和外壳组件，其中，装饰性背贴以可分离的方式贴附于外壳上，在需要更换图案时，仅需要更换装饰性背贴即可，外壳还可以继续使用，避免了浪费。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人。图1为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人的示意图。图2为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人的爆炸示意图。如图1、图2所示，本公开基于柔性折叠磁性薄膜2的自驱动磁控柔性机器人包括：磁性薄膜2、柔性基底1和柔性电磁线圈3。柔性基底1与磁性薄膜2的两端相连接。磁性薄膜2的长度大于柔性基底1的长度，磁性薄膜2弯曲形成拱形结构。柔性电磁线圈3与柔性基底1相连接，且与拱形结构相对设置。

在本公开的一个实施例中，在拉伸状态下的所述柔性基底1与所述磁性薄膜2的两端相连接。

在本公开的一个实施例中，柔性基底1还包括：

容置槽4，设置于所述柔性基底1上；所述柔性电磁线圈3设置于所述容置槽4内，且与所述柔性基底1相连接。

在本公开的一个实施例中，所述拱形结构的高度随所述柔性基底1拉伸距离的增大而增大。

在本公开的一个实施例中，所述柔性基底1的拉伸量为0.5-2mm。

在本公开的一个实施例中，所述拱形结构的两端与所述柔性基底1相连接。

在本公开的一个实施例中，所述拱形结构和所述柔性电磁线圈3的个数为n，其中，n≥1；所述容置槽4的个数为k，其中，k≥1。具体的，所述容置槽4的个数不小于所述柔性电磁线圈3的个数。

在本公开的一个实施例中，所述拱形结构的最高点与所述柔性电磁线圈3的中心共线。

在本公开的一个实施例中，所述磁性薄膜2采用至少一种折叠方式进行单向充磁后展开获得具有自定义磁场分布的磁性薄膜2。

实施例

一种基于柔性折叠磁性薄膜2的自驱动软体机器人结构没计，其没计特点在于：将可产生特定永磁场阵列分布的柔性磁性薄膜2与带有多个柔性电磁线圈3的柔性基底1以预应力拉伸的方法相结合，模拟一种仿爬虫型结构，通过特定时序的程序控制其产生向前或向后的可控性运动。本实施例适用但不仅限于基于柔性折叠磁性薄膜2的自驱动磁控柔性机器人双线圈的结构。

本实施例的原理如下：先将柔性硅胶置于模具中，倒模后得到柔性基底1作为柔性机器人仿爬虫型结构的躯干部分。预应力拉伸可以使柔性基底1在其弹性形变范围内产生一定距离的形变，在应力释放后恢复原来形状。将柔性基底1拉伸一定距离后将两端固定，同时将微纳加工得到的柔性电磁线圈3放置在柔性基底1的容置槽4中用于通电后产生电磁场。

磁性薄膜2的长度略大于柔性基底1长度，磁性薄膜2的长度与拉伸状态下的柔性基底1长度一致。将裁剪好形状的磁性薄膜2按图3所示类似“Z”字折叠方式折叠固定，磁性薄膜2包括折叠区域21和非折叠区域22，置于充磁设备中以垂直向上的方向进行单向充磁作为磁化方向24，如图3所示。展开后得到具有类似halbach阵列磁场分布的磁性薄膜2，一个折叠周期内磁场课分为三部分，从左到右磁化方向24依次是向左、向上或向下、向右，再按照这一磁场分布周期性排列，如图4所示。将其固定在带有柔性电磁线圈3且预应力拉伸状态下的柔性基底1上，将磁性薄膜2部分触地模拟爬虫结构的足部分，预应力释放后即可得到一个全柔性的自驱动磁控机器人。利用折叠充磁后得到的磁性薄膜2特定永磁场阵列分布，利用其与柔性电磁线圈3产生的电磁场之间的相互作用，如图5所示，图5中(a)为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人中磁性薄膜展开后的侧视图，图5中(b)为本公开实施例基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人中柔性电磁线圈与磁性薄膜对应磁场分布示意图，提出一种特殊结构的仿爬虫型自驱动磁控机器人，解决了磁控机器人需要外部永磁或电磁设备提供磁场带来的运动情况受限的问题，而且通过调整电磁线圈的控制时序可实现该全柔性磁控机器人方向及速度的调控。

基于上述原理和目的，本实施例提供一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人，包括以下步骤：

步骤1，将充磁完毕后的磁性薄膜裁剪为所需大小备用。

关于磁性薄膜的制备方法，基于折纸方式的自定义磁场获得和增强方法，具体包括：

步骤11，将钕铁硼与硅橡胶按一定比例混合后黏性油墨，将其放置在PET薄膜上，用涂膜器制得薄膜，加热固化后剥离备用；

步骤12，将其裁剪为矩形磁性薄膜；以特定的折叠方式对固定形状的薄膜进行折叠固定；将固定好的薄膜置于单向充磁装置，充磁完毕后展开。

步骤2，将微纳加工得到的柔性电磁线圈固定在柔性基底中，确保其正对磁性薄膜磁性最强的折痕处；其对应方式可见图5。

关于柔性基底制备方法，包括：

步骤21，设计柔性躯干的形状，利用3D打印制作柔性基底的倒模模具；

步骤22，将固化剂和硅橡胶PDMS按一定比例混合，搅拌均匀抽真空后倒入模具中80℃加热固化成型，将柔性基底倒模取出。

步骤3，以预应力的方法首先将柔性基底拉伸一定距离后固定住。

步骤4，将磁性薄膜弯曲一定弧度后，其两端与预应力拉伸后的柔性基底的两端相结合，通过粘合部5将其固定。这里粘合部5可以为胶带、强力胶等，以能够将磁性薄膜和柔性基底粘合在一起的效果即可，不再做具体限定。

步骤5，整个结构倒置后得到磁性薄膜作为足结构，柔性基底作为躯干结构的基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人。

需要注意的是，本实施例并不限于图1中所示两个线圈的结构，可以是多个线圈与多个磁性薄膜拱形相对应，此时配合程序控制即可实现多线圈机器人结构运动。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种利用柔性磁性薄膜折叠充磁后自身产生的特定磁场分布，开发了一种基于永磁场与电磁场相互作用力的自驱动柔性仿生机器人，设计了一种体积小，结构轻便，制作方式简单的全柔性机器人，且通过改变控制程序的时序可实现运动速度及方向的可调性。弥补了由外部永磁设备带来的运动区域受限的缺陷，在柔性磁控机器人的结构设计，控制方式，医疗检测设备小型化、微型化的发展等方面具有重要意义，进一步拓宽了其运动场景及应用领域。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人，包括：

磁性薄膜，所述磁性薄膜弯曲形成多个拱形结构，所述磁性薄膜展开后具有halbach阵列磁场分布的磁场；

柔性基底，与所述磁性薄膜的两端相连接，所述柔性基底与所述磁性薄膜以预应力拉伸的方法相结合；所述磁性薄膜的长度大于所述柔性基底的长度；

多个柔性电磁线圈，与所述柔性基底相连接，且与所述拱形结构相对设置，以使所述自驱动磁控柔性机器人在程序控制下产生向前或向后的运动；

所述自驱动磁控柔性机器人的制备方法包括：将充磁完毕后的磁性薄膜裁剪为所需大小备用；将微纳加工得到的柔性电磁线圈固定在柔性基底中，确保其正对磁性薄膜磁性最强的折痕处；以预应力的方法首先将柔性基底拉伸一定距离后固定住；将磁性薄膜弯曲一定弧度后，其两端与预应力拉伸后的柔性基底的两端相结合，通过粘合部将其固定；整个结构倒置后得到磁性薄膜作为足结构，柔性基底作为躯干结构的基于柔性折叠磁性薄膜的自驱动磁控柔性机器人。

2.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，在拉伸状态下的所述柔性基底与所述磁性薄膜的两端相连接。

3.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，柔性基底还包括：

容置槽，设置于所述柔性基底上；所述柔性电磁线圈设置于所述容置槽内，且与所述柔性基底相连接。

4.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，所述拱形结构的高度随所述柔性基底拉伸距离的增大而增大。

5.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，所述柔性基底的拉伸量为0.5-2mm。

6.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，所述拱形结构的两端与所述柔性基底相连接。

7.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，所述容置槽的个数不小于所述柔性电磁线圈的个数。

8.根据权利要求1所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，所述拱形结构的最高点与所述柔性电磁线圈的中心共线。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的自驱动磁控柔性机器人，其中，所述磁性薄膜采用至少一种折叠方式进行单向充磁后展开获得具有自定义磁场分布的磁性薄膜。

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