CN113894819A - 一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，包括柔性躯干，所述柔性躯干的头部和尾部下方设置有与接触面接触的前腿结构和后腿结构，所述柔性躯干、前腿结构和后腿结构均采用无磁性材料制成，所述柔性躯干的头部和尾部上方分别设置有头部磁驱动柔性薄膜驱动器和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器，所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器的磁性相反，本发明的磁控仿尺蠖双向软体机器人，整体运动过程完全由外加的磁场提供动力，只需要调节磁场方向，就可以让软体机器人完成拱起、收缩、前进、后退的运动动作，动力系统的简洁，为其功能的开发扩充提供了更大的空间。

Description

一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人的驱动领域、仿生机器人的结构和双向运动领域，尤其是一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人。

背景技术

仿尺蠖软体机器人作为新兴的机器人研究方向，具有很广泛的应用前景。与传统的机器人相比，具有更高的自由度和更强的灵活性，能实现多自由度的形变，在复杂环境中的表现远优于传统机器人。关于仿生尺蠖，国内外由很多研究者做了大量工作，仿尺蠖软体机器人的驱动方式有很多，包括气压驱动，形状记忆合金驱动，化学驱动，热驱动，电驱动，磁驱动等。与其他驱动方式相比，磁驱动属于无线控制，响应速度也更快，是目前的研究热点。例如：上海交通大学机器人设计所设计了一种模仿尺蠖蠕动球型模块化软体机器人，通过球型模块的依次膨胀和收缩，以及摩擦腹足的交替及附和撤离，实现在粗糙表面上的蠕动。这为仿尺蠖机器人的研究提供了新的思路。日本早稻田大学设计了一款依靠化学能驱动的仿尺蠖软体机器人，利用外部棘轮机构给机器人运动确定方向，将凝胶驱动器的弯曲伸展运动转换为机器人的蠕动运动。上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所设计制作了一款仿尺蠖爬行软体机器人，该机器人有两只能够通过静电力与被接触表面吸附的脚掌结构，用以提供爬行时的固定接触，并通过组成躯干的介电弹性体在电信号的驱动下弯曲和伸展形态改变，为爬行提供驱动力。上述仿尺蠖机器人多为结构复杂，需外部连接线路的刚性机器人且大多只能进行单向调控，本设计采用软体机器人的相关技术制作了软体仿生机器人，可进行无线的双向可控运动，将为仿尺蠖机器人提供一个新的思路。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，实现了驱动条件简单、控制简单、双向运动的统一。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，包括柔性躯干，所述柔性躯干的头部和尾部下方设置有与接触面接触的前腿结构和后腿结构，所述柔性躯干、前腿结构和后腿结构均采用无磁性材料制成，所述柔性躯干的头部和尾部上方分别设置有头部磁驱动柔性薄膜驱动器和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器，所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器的磁性相反。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述柔性躯干采用硅胶薄膜制成。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前腿结构和后腿结构均采用硬质高分子材料制成。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器均采用阵列化填充钕铁硼磁颗粒的硅胶制成。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前腿结构与后腿结构通过粘附材料与柔性躯干粘接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述粘附材料采用硅胶粘接剂。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前腿结构为具有一定弯曲角度的结构且粘接在距离柔性躯干头部下方1/3处，所述后腿结构为直板形且粘接在距离柔性躯干尾部下方1/3处。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器上方极性为N极、下方极性为S极，尾部磁驱动柔性薄膜驱动器上方极性为S极、下方极性为N极，当磁场磁极性为N极、S极互相变化时，通过控制电磁感应强度，软体机器人向前运动；当磁场磁极性为空极性与S极互相变化时，通过控制电磁感应强度，软体机器人向后运动。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述磁场磁极性变化频率在5Hz-20Hz范围内，电磁感应强度在5 Mt-20mT范围内。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、根据尺蠖运动特征，设计出头部磁驱动柔性薄膜驱动器长度、尾部磁驱动柔性薄膜驱动器长度、前腿结构高度、后腿结构高度、柔性躯干宽度和柔性躯1长度的比值为17:8:4:4:10:30的仿尺蠖软体机器人，在该模型比例下，可以最好的实现出仿尺蠖的凹凸运动形态，运动效果达到最佳状态。软体机器人整体机构参数可根据应用环境进行等比例缩放，用以更好的实现复杂环境探测亦或是实现生物医学领域中人体器官内部检查等目的，为今后微型机器人的发展提供新的思路；

2、本发明的磁控仿尺蠖双向软体机器人，整体运动过程完全由外加的磁场提供动力，只需要调节磁场方向，就可以让软体机器人完成拱起、收缩、前进、后退的运动动作，动力系统的简洁，为其功能的开发扩充提供了更大的空间；

3、本发明的磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，磁场条件下的磁驱动柔性薄膜驱动器无需外接冗杂、沉重的线路即可达到理想的运动效果，可以充分发挥软体机器人灵活、简便的特点，无线控制下的双向运动也使软体机器人可以进入更加狭小、曲折的工作空间进行作业，并很好的进行回收；

4、本发明的磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，以阵列化填充钕铁硼磁颗粒和硅胶制作的柔性磁性薄膜作为机器人的唯一驱动器，其制备工艺不复杂，原理简单，使用时受力响应迅速，调控起来高效、稳定；

5、本发明的磁场磁极性变化频率在5Hz-20Hz范围内运动效果最佳。磁场变化频率要求低，使磁场生成装置变得简便、节约，用单片机就可实现控制磁场，无需大型仪器来产生特定磁场。磁感应强度无需现有磁控机器人所需的高磁感应强度，磁膜驱动器对磁感知力强，受力情况良好，只需要5毫特斯拉（Mt）即可开始产生动力使全体机器人发生运动，20mT时效果最佳。在低频次、低电磁感应强度的条件下，可实现双向运动，相较其他软体机器人，驱动系统与驱动条件要求极低，不需大功率磁场生成装置，不需要对磁场各参数进行大范围、复杂的调控，不需对外界环境作特殊要求，便可实现软体机器人双向可控运动。

附图说明

图1是本发明仿尺蠖双向运动软体机器人的整体结构图；

图2是本发明仿尺蠖双向运动软体机器人磁场磁极性为S时的运动形态；

图3是本发明仿尺蠖双向运动软体机器人磁场磁极性为N时的运动形态；

其中，1、柔性躯干，2、前腿结构，3、后腿结构，4、头部磁驱动柔性薄膜驱动器，5、尾部磁驱动柔性薄膜驱动器，6、粘附材料，7、接触面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，包括柔性躯干1，柔性躯干1的头部和尾部下方通过粘附材料6粘贴有与接触面7接触的前腿结构2和后腿结构3，前腿结构2为具有一定弯曲角度的结构且粘接在距离柔性躯干1头部下方1/3处，所述后腿结构3为直板形且粘接在距离柔性躯干1尾部下方1/3处。

柔性躯干1、前腿结构2和后腿结构3均采用无磁性材料制成，不受磁场影响，具体的，柔性躯干1采用硅胶薄膜制成，前腿结构2和后腿结构3均采用硬质高分子材料制成，粘附材料6采用硅胶粘接剂，可粘接硅胶类物体。

柔性躯干1的头部和尾部上方分别设置有头部磁驱动柔性薄膜驱动器4和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5均采用阵列化填充钕铁硼磁颗粒的硅胶制成。头部磁驱动柔性薄膜驱动器4和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5的磁极性方向相反，且在磁场中会受到磁场力，受力相对均匀，用来充当软体机器人的驱动器，进而带动软体机器人双向运动。

根据尺蠖运动特征，设计出头部磁驱动柔性薄膜驱动器4长度、尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5长度、前腿结构2高度、后腿结构3高度、柔性躯干1宽度和柔性躯干1长度的比值为17:8:4:4:10:30的仿尺蠖软体机器人，在该模型比例下，可以最好的实现出仿尺蠖的凹凸运动形态，运动效果达到最佳状态。当柔性躯干1长度为30mm时，柔性躯干1宽度为10mm，前腿结构2高度和后腿结构3高度为4mm，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4长度为17mm、尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5长度为8mm，软体机器人整体机构参数可根据应用环境进行等比例缩放，用以更好的实现复杂环境探测亦或是实现生物医学领域中人体器官内部检查等目的，为今后微型机器人的发展提供新的思路。

工作原理：

头部磁驱动柔性薄膜驱动器4上方极性为N极、下方为S极，尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5上方极性为S极、下方为N极，当驱动磁场的磁感应强度为0时，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5不受磁场力，软体机器人形态如图1所示；

当磁场磁极性为N极、S极互相变化时，磁控双向软体机器人的行进状态可以分成2个阶段，头尾抬起腹部收缩阶段和头尾落下腹部拱起阶段，即磁极性为S极时腹部突起的凸字形阶段和磁极性为N极时腹部凹陷的凹字形阶段。

当磁场极性为S极时，如图2所示，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4受到排斥力，作用力向上，尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5受到吸引力。此时，后腿结构3仍与接触面7垂直，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4部分受向上的排斥力被弹开，前腿结构2向前发生位移，后腿结构3受牵引力影响向前方倾斜，后腿结构3与接触面7之间成一定角度倾斜支撑状。机器人整体向头部磁驱动柔性薄膜驱动器4方向发生位移。当磁场极性为N极时，如图3所示：头部磁驱动柔性薄膜驱动器4受到吸引力，作用力向下，此时，前腿结构2支撑力较大，前腿结构2与接触面6摩擦力较大，前腿结构2固定。而尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5则受到排斥力，作用力向上，此时，尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5被带动向上使后腿结构3成直立状与接触面7相连。磁场如此循环变化，便可实现软体机器人向前运动。

当磁场磁极性为空极性与S极互相变化时，磁控双向软体机器人的行进状态可以分成2个阶段，头尾抬起腹部收缩阶段和头尾落下腹部拱起阶段，即磁极性为S极时腹部凸起的凸字形阶段和磁极性为空极性时腹部凹陷的凹字形阶段。

如图2所示：当磁场极性为S极时，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4受到排斥力，作用力向上，尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5受到吸引力，由于头部磁膜驱动器更大，受到的力更大，使得软体机器人呈现出凸字形，当磁场极性突然消失时，如图3所示：受重力影响，头部磁驱动柔性薄膜驱动器4向下运动，此时前腿结构2静摩擦力较大，前腿结构2根部固定不动，软体机器人整体结构向后方倾斜。后腿结构3受到头部磁驱动柔性薄膜驱动器4的下落分力影响，向后产生滑动。机器人整体向尾部磁驱动柔性薄膜驱动器5方向发生位移，即发生向后运动。

本发明的磁场磁极性变化频率在5Hz-20Hz范围内运动效果最佳。磁场变化频率要求低，使磁场生成装置变得简便、节约，用单片机就可实现控制磁场，无需大型仪器来产生特定磁场。磁感应强度无需现有磁控机器人所需的高磁感应强度，磁膜驱动器对磁感知力强，受力情况良好，只需要5毫特斯拉（Mt）即可开始产生动力使全体机器人发生运动，20mT时效果最佳。在低频次、低电磁感应强度的条件下，可实现双向运动。

相较其他软体机器人，驱动系统与驱动条件要求极低，不需大功率磁场生成装置，不需要对磁场各参数进行大范围、复杂的调控，不需对外界环境作特殊要求，便可实现软体机器人双向可控运动。

Claims (10)

1.一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：包括柔性躯干（1），所述柔性躯干（1）的头部和尾部下方分别设置有与接触面（7）接触的前腿结构（2）和后腿结构（3），所述柔性躯干（1）、前腿结构（2）和后腿结构（3）均采用无磁性材料制成，所述柔性躯干（1）的头部和尾部上方分别设置有头部磁驱动柔性薄膜驱动器（4）和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器（5），所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器（4）和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器（5）的磁极性方向相反，所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器（4）和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器（5）受磁场控制进而带动软体机器人双向运动。

2.根据权利要求1所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述柔性躯干（1）采用硅胶薄膜制成。

3.根据权利要求1所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述前腿结构（2）和后腿结构（3）均采用硬质高分子材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器（4）和尾部磁驱动柔性薄膜驱动器（5）均采用阵列化填充钕铁硼磁颗粒的硅胶制成。

5.根据权利要求1所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述前腿结构（2）与后腿结构（3）通过粘附材料（6）与柔性躯干（1）粘接。

6.根据权利要求5所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述粘附材料（6）采用硅胶粘接剂。

7.根据权利要求6所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述前腿结构（2）为具有一定弯曲角度的结构且粘接在距离柔性躯干（1）头部下方1/3处，所述后腿结构（3）为直板形且粘接在距离柔性躯干（1）尾部下方1/3处。

8.根据权利要求1所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器（4）长度、尾部磁驱动柔性薄膜驱动器（5）长度、前腿结构（2）高度、后腿结构（3）高度、柔性躯干（1）宽度和柔性躯干（1）长度的比值为17:8:4:4:10:30。

9.根据权利要求1所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述头部磁驱动柔性薄膜驱动器（4）上方极性为N极、下方极性为S极，尾部磁驱动柔性薄膜驱动器（5）上方极性为S极、下方极性为N极，当磁场磁极性为N极、S极互相变化时，通过控制电磁感应强度，软体机器人向前运动；当磁场磁极性为空极性与S极互相变化时，通过控制电磁感应强度，软体机器人向后运动。

10.根据权利要求9所述的一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人，其特征在于：所述磁场磁极性变化频率在5Hz-20Hz范围内，电磁感应强度在5 Mt-20mT范围内。

Images