CN114055427B - 一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人及其运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人及其运动控制方法，属于微小尺度机器人及其控制领域。本发明的目的是解决传统的仿水黾机器人体积较大、运动方式和水黾存在显著差异、难以实现微尺度液面作业需求的问题。本发明提供的一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人，具有平面对称结构，制作方法简单。其运动方式及外形结构均与水黾相似，可实现狭小液面上的工作需求。该机器人具有良好的疏水性，可像水黾一样在气液界面保持稳定静止及灵活运动。机器人采用外磁场运动控制方式以实现无缆运动，大大提升了机器人本体的微型化，同时通过控制磁场的变化形式实现目标轨迹规划。本发明适用于水质监测和液面侦查等领域。

Description

一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人及其运动控制方法
技术领域
本发明属于微小尺度机器人及其控制领域，具体涉及一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人及其运动控制方法。
背景技术
水黾是一种在池塘等静水中常见的一种小型水生昆虫。它具有轻盈的体态，可以在水面上保持稳定的站立，并且能实现灵活快速的移动。研究仿水黾机器人对于水质监测和液面侦查等领域具有重要的应用价值。目前现有的仿生水黾机器人主要采用电机和压电材料驱动的方式，因此机器人尺寸较大，运动方式和水黾存在较大差别，且难以进一步微型化。因此研发一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人及其运动控制方法来解决现有仿生水黾机器人存在的弊端是很符合实际需要的。
发明内容
本发明的目的是解决传统的仿水黾机器人体积较大、运动方式和水黾存在显著差异、难以实现微尺度液面作业需求的问题，进而提供一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人及其运动控制方法；
一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人，所述磁微机器人包括两个前腿、躯干、两个驱动腿、两个柔性铰链和两个后腿；
所述两个前腿设置在躯干的一端上，且两个前腿沿躯干宽度方向的中心线对称设置，每个前腿与躯干的一端固定连接，两个驱动腿沿躯干宽度方向的中心线对称设置在躯干的两侧，且每个驱动腿的一端通过一个柔性铰链与躯干铰接，两个后腿沿躯干宽度方向的中心线对称设置躯干另一端的两侧，且每个后腿的一端与躯干固定连接；
进一步地，所述前腿包括一号连接杆和二号连接杆，一号连接杆的一端与二号连接杆的一端一体成型设置，且一号连接杆与二号连接杆之间呈130°夹角设置，一号连接杆的另一端与躯干的一端固定连接，且一号连接杆与躯干宽度方向的中心线呈10°夹角设置；
进一步地，所述后腿包括三号连接杆和四号连接杆，三号连接杆的一端与四号连接杆的一端一体成型设置，且三号连接杆和四号连接杆之间呈130°夹角设置，三号连接杆的另一端与躯干的一端固定连接，四号连接杆与躯干平行设置；
进一步地，所述前腿、躯干和后腿均由聚二甲基硅氧烷掺杂石墨烯制备而成；
进一步地，所述驱动腿由聚二甲基硅氧烷中掺入微米级磁性粒子钕铁硼制备而成；
进一步地，所述柔性铰链由聚二甲基硅氧烷制备而成；
一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人的运动控制方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：制作外部磁场发生装置，将三对正交的亥姆霍兹线圈及其驱动装置组成磁场发生装置，水平方向且垂直放置的两对线圈称作X、Y线圈，竖直放置的线圈称作Z线圈，这三对线圈轴线相交于一点；
步骤二：利用步骤一中得到的外部磁场发生装置对仿水黾磁微机器人发射磁场；
步骤三：仿水黾磁微机器人受到步骤二中产生的磁场影响，磁微机器人仿水黾磁微机器人中的驱动腿随着磁场方向的改变，在柔性铰链作用下产生类似水黾的划水运动，通过驱动腿与水面间的相互作用力推动仿水黾磁微机器人快速向前滑行；
步骤四：通过改变磁场参数改变仿水黾磁微机器人的周期运动状态：
首先确定一个运动周期T，X、Y线圈产生的磁场为：
Figure GDA0004094752710000021
Figure GDA0004094752710000022
式中：B0为施加在机器人上的磁场强度；
θ为机器人相对X方向运动的方向角；
Bx为X线圈产生的磁场强度；
By为Y线圈产生的磁场强度；
t为时间；
T1为机器人在一个运动周期内的磁场发生时间；
T为机器人的一个运动周期时间；
其次通过改变周期内X、Y线圈产生的磁场参数，调节仿水黾磁微机器人的动作状态：
通过调整磁场的强度B0，可以控制所述仿水黾磁微机器人在一个周期内的前进位移；
通过调整θ的值，可以控制所述仿水黾磁微机器人的前进方向；
在运动过程中依据所需工况改变θ的值，可以使机器人做转弯运动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供的一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人，具有平面对称结构，制作方法简单。其运动方式及外形结构均与水黾相似，可实现狭小液面上的工作需求。该机器人具有良好的疏水性，可像水黾一样在气液界面保持稳定静止。使用外磁场这种运动控制方式，能实现机器人的无缆运动，大大提升了机器人的微型化。可通过控制磁场的变化形式，实现机器人的目标轨迹规划。本发明适用于水质监测和液面侦查等领域。
附图说明
图1是具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人示意图；
图2是具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人运动过程示意图；
图3是外部磁场发生装置图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式提供一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人，所述磁微机器人包括两个前腿1、躯干2、两个驱动腿3、两个柔性铰链4和两个后腿5；
所述两个前腿1设置在躯干2的一端上，且两个前腿1沿躯干2宽度方向的中心线对称设置，每个前腿1与躯干2的一端固定连接，两个驱动腿3沿躯干2宽度方向的中心线对称设置在躯干2的两侧，且每个驱动腿3的一端通过一个柔性铰链4与躯干2铰接，两个后腿5沿躯干2宽度方向的中心线对称设置躯干2另一端的两侧，且每个后腿5的一端与躯干2固定连接。
本实施方式中所述仿水黾磁微机器人是依据实际的水黾结构比例确定磁微机器人的外形及尺寸，将仿水黾机器人设计为平面对称结构，各部分尺寸如下：驱动腿3长为10mm，柔性铰链4长为2mm，前腿1长度为5.5mm，前腿1与躯干2间夹角为10°，后腿5长为8mm，后腿5与躯干2夹角为50°，后腿5安装后使得后腿5末端与躯干2保持平行。机器人整体厚度为0.7mm。该磁微机器人采用模具成型法分步制成，所用模具通过3D打印技术制成。
具体实施方式二：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的前腿1作进一步限定，本实施方式中，所述前腿1包括一号连接杆和二号连接杆，一号连接杆的一端与二号连接杆的一端一体成型设置，且一号连接杆与二号连接杆之间呈130°夹角设置，一号连接杆的另一端与躯干2的一端固定连接，且一号连接杆与躯干2宽度方向的中心线呈10°夹角设置。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，前腿1为弯折设计有利于降低机器人在水中移动时水对机器人造成的阻力，同时也有利于提高机器人的疏水性。
具体实施方式三：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的后腿5作进一步限定，本实施方式中，所述后腿5包括三号连接杆和四号连接杆，三号连接杆的一端与四号连接杆的一端一体成型设置，且三号连接杆和四号连接杆之间呈130°夹角设置，三号连接杆的另一端与躯干2的一端固定连接，四号连接杆与躯干2平行设置。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
本实施方式中，后腿5为弯折设计有利于降低机器人在水中移动时水对机器人造成的阻力，同时也有利于提高机器人的疏水性。
具体实施方式四：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的前腿1、躯干2和后腿5作进一步限定，本实施方式中，所述前腿1、躯干2和后腿5均由聚二甲基硅氧烷掺杂石墨烯制备而成。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
本实施方式中，前腿1、躯干2和后腿5的主要材质为聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷属于一种疏水性材料，在聚二甲基硅氧烷中掺杂石墨烯后可以使得机器人具有超疏水特性。
具体实施方式五：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的驱动腿3作进一步限定，本实施方式中，所述驱动腿3由聚二甲基硅氧烷中掺入微米级磁性粒子钕铁硼制备而成。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
本实施方式中，驱动腿3作为动力划水部件需具有磁性，由聚二甲基硅氧烷中掺入微米级磁性粒子钕铁硼制成。使用磁化仪对驱动腿进行磁化，磁化方向为沿腿部中轴线方向由躯干指向驱动腿。
具体实施方式六：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的柔性铰链4作进一步限定，本实施方式中，所述柔性铰链4由聚二甲基硅氧烷制备而成。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
本实施方式中，柔性铰链4仅使用聚二甲基硅氧烷制成，保证铰链处有良好的柔性特性。
具体实施方式七：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式提供了一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人的运动控制方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：制作外部磁场发生装置，如图3所示。外部磁场发生装置由三对正交的亥姆霍兹线圈及其驱动装置6、工作台7、竖直向显微镜8、竖直方向显微镜支撑架9、水平向显微镜10和水平向显微镜支撑架11这几部分组成。在三对正交的亥姆霍兹线圈中，水平方向且垂直放置的两对线圈称作X、Y线圈，竖直放置的线圈称作Z线圈，这三对线圈轴线相交于一点；
步骤二：利用步骤一中得到的外部磁场发生装置对仿水黾磁微机器人发射磁场；
步骤三：仿水黾磁微机器人受到步骤二中产生的磁场影响，磁微机器人仿水黾磁微机器人中的驱动腿随着磁场方向的改变，在柔性铰链作用下产生类似水黾的划水运动，通过驱动腿与水面间的相互作用力推动仿水黾磁微机器人快速向前滑行；
步骤四：通过改变磁场参数改变仿水黾磁微机器人的周期运动状态：
首先确定一个运动周期T，X、Y线圈产生的磁场为：
Figure GDA0004094752710000051
Figure GDA0004094752710000052
式中：B0为施加在机器人上的磁场强度；
θ为机器人相对X方向运动的方向角；
Bx为X线圈产生的磁场强度；
By为Y线圈产生的磁场强度；
t为时间；
T1为机器人在一个运动周期内的磁场发生时间；
T为机器人的一个运动周期时间；
其次通过改变周期内X、Y线圈产生的磁场参数，调节仿水黾磁微机器人的动作状态：
通过调整磁场的强度B0，可以控制所述仿水黾磁微机器人在一个周期内的前进位移；
通过调整θ的值，可以控制所述仿水黾磁微机器人的前进方向；
在运动过程中依据所需工况改变θ的值，可以使机器人做转弯运动。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (1)

1.一种具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人的运动控制方法，所述具有柔性铰链的仿水黾磁微机器人包括两个前腿(1)、躯干(2)、两个驱动腿(3)、两个柔性铰链(4)和两个后腿(5)；
所述两个前腿(1)设置在躯干(2)的一端上，且两个前腿(1)沿躯干(2)宽度方向的中心线对称设置，每个前腿(1)与躯干(2)的一端固定连接，两个驱动腿(3)沿躯干(2)宽度方向的中心线对称设置在躯干(2)的两侧，且每个驱动腿(3)的一端通过一个柔性铰链(4)与躯干(2)铰接，两个后腿(5)沿躯干(2)宽度方向的中心线对称设置躯干(2)另一端的两侧，且每个后腿(5)的一端与躯干(2)固定连接；
所述前腿(1)包括一号连接杆和二号连接杆，一号连接杆的一端与二号连接杆的一端一体成型设置，且一号连接杆与二号连接杆之间呈130°夹角设置，一号连接杆的另一端与躯干(2)的一端固定连接，且一号连接杆与躯干(2)宽度方向的中心线呈10°夹角设置；
所述后腿(5)包括三号连接杆和四号连接杆，三号连接杆的一端与四号连接杆的一端一体成型设置，且三号连接杆和四号连接杆之间呈130°夹角设置，三号连接杆的另一端与躯干(2)的一端固定连接，四号连接杆与躯干(2)平行设置；
所述前腿(1)、躯干(2)和后腿(5)均由聚二甲基硅氧烷掺杂石墨烯制备而成；
所述驱动腿(3)由聚二甲基硅氧烷中掺入微米级磁性粒子钕铁硼制备而成；
所述柔性铰链(4)由聚二甲基硅氧烷制备而成；
其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：制作外部磁场发生装置，将三对正交的亥姆霍兹线圈及其驱动装置组成磁场发生装置，水平方向且垂直放置的两对线圈称作X、Y线圈，竖直放置的线圈称作Z线圈，这三对线圈轴线相交于一点；
步骤二：利用步骤一中得到的外部磁场发生装置对仿水黾磁微机器人发射磁场；
步骤三：仿水黾磁微机器人受到步骤二中产生的磁场影响，磁微机器人仿水黾磁微机器人中的驱动腿随着磁场方向的改变，在柔性铰链作用下产生类似水黾的划水运动，通过驱动腿与水面间的相互作用力推动仿水黾磁微机器人快速向前滑行；
步骤四：通过改变磁场参数改变仿水黾磁微机器人的周期运动状态：
首先确定一个运动周期T，X、Y线圈产生的磁场为：
Figure FDA0004094752700000011
Figure FDA0004094752700000021
式中：B0为施加在机器人上的磁场强度；
θ为机器人相对X方向运动的方向角；
Bx为X线圈产生的磁场强度；
By为Y线圈产生的磁场强度；
t为时间；
T1为机器人在一个运动周期内的磁场发生时间；
T为机器人的一个运动周期时间；
其次通过改变周期内X、Y线圈产生的磁场参数，调节仿水黾磁微机器人的动作状态：
通过调整磁场的强度B0，可以控制所述仿水黾磁微机器人在一个周期内的前进位移；
通过调整θ的值，可以控制所述仿水黾磁微机器人的前进方向；
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