CN114654488B - 一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法，包括永磁体阵列、电磁线圈和固定构件，用于驱动阵列抓取机器人。该装置工作时，磁性抓取机器人在永磁体阵列所产生的恒定混合磁场下保持闭合状态，通过控制电源装置对电磁线圈输入可控的电压波形，灵活地控制抓取机器人的开合状态、速度以及幅度。该装置结合永磁体和电磁线圈的驱动优势，利用高能量密度的永磁体，可以轻松实现与自动机械装置的轻量化集成。通过永磁体阵列代替单个永磁体，可以同步实现多个抓取机器人多模态驱动，针对性地运输具有不同物理特征的单个物体，又可以具有选择性地操作多个物体，在工业级大规模操作中显著提高抓取‑释放效率。

Description

一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法

技术领域

本发明属于抓取机器人领域，更具体地，涉及一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法。

背景技术

抓取和操纵是人类和许多动物与外部环境互动的基本方式，故人们在科学和工业应用中开发了各种各样的机器人抓取机器人。其中，抓取机器人由于具有高适应性和顺应性的特点，能够实现对易碎物体的柔软接触和无损抓取而被广泛关注。此外，与传统的刚体抓取机器人相比，随着各种软体复合材料的出现，抓取机器人的类型明显更加多样化。最常见的抓取机器人是由智能复合材料制成的，可以通过外部刺激，如光、热、气压、电场、和磁场等驱动方式。在现有的软抓取器的磁驱动方法中，磁场驱动因其远程控制、无束缚、对操作环境不敏感和易于控制等优势，引起了人们极大的兴趣。根据外部施加的磁场和磁性材料之间的相互作用方式，磁性软体的磁驱动方法可分为三类：基于梯度磁力的驱动，用于含有软或硬磁性颗粒的抓取机器人；基于磁偶极-偶极相互作用的驱动，用于含有磁流变材料的抓取机器人；基于磁转矩的驱动，用于含有硬磁性颗粒的抓取机器人。在这三类中，基于磁转矩的磁驱动方法在软体的可调控形状变形方面具有显著的独特优势。通过对嵌入软体复合材料中的硬磁性颗粒的磁化进行编码调控，可以实现各种磁化分布模式。这一优势在磁性软体机器人领域得到了充分的体现，它已被应用于实现各种功能性磁性机器人的多模态和复杂运动。这种类型的磁场驱动显示出巨大的潜力，可以大大改善抓取机器人的灵活性和适应性。然而，对于磁性抓取机器人来说，要想拥有快速、可控的驱动力，能够在没有持续能量输入的情况下抓取物体，仍然具有很大的挑战性。在现有的基于磁转矩的软抓取器中，磁驱动主要是通过使用永磁体或电磁体实现的。对于基于永磁体的驱动，一个明显的缺点是它的磁场调节能力差，抓取机器人难以实现对物体的灵活抓取和释放。在实际的工业应用中，为了克服这个问题，需要额外的机械系统来调整永磁体的磁极以及它们与目标物体的距离，但相应的控制很复杂，而且磁响应速度也很有限。对于基于电磁铁的抓取机器人，它们可以通过更容易的控制实现对物体的可控抓取、保持和释放。然而通常需要持续的能源供应，这无疑对其大规模的工业应用提出了至少两个挑战。一个是电磁线圈的焦耳热，特别是在长期运行中。另一个是电磁线圈的体积和重量相对较大，使其在实现与自动化机械设备（如机械臂）的轻量化集成时面临挑战。随着对抓取能力或磁场强度需求的增加，这些问题将变得更加严重。

专利文献CN109895131A公开了一种基于磁编程温敏水凝胶的磁控软体抓取机器人，包括中央部分和抓手部分。其中抓手部分为双层结构，上层结构为双网络交联水凝胶，下层结构为含有磁性颗粒的温度响应水凝胶，当磁编程温敏水凝胶置于交变磁场中时由于磁效应使水凝胶内部温度发生变化，利用抓手部分两层变形量不相等控制水凝胶的形变。

截至目前，关于多个磁性抓取机器人的同时控制几乎不被报道，特别是涉及多机器人不同运动模式的实现，是具有挑战性的。

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阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法，旨在解决已有装置无法实现多磁性抓取机器人同时控制以及实现不同运动模式的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种阵列抓取机器人的磁驱动装置，包括：N个永磁体、电磁线圈以及N个固定构件，N为大于1的整数；

待驱动的阵列抓取机器人包括：N个抓取机器人，每个抓取机器人包括中心对称的多条手臂；第k个固定构件用于将第k个抓取机器人和第k个永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变，1k/>N，k为整数；所述N个永磁体和N个抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，电磁线圈置于待抓物体所在平面下方；

所述待抓物体所在平面上设置有N个待抓物区域，每个区域内可放置一个待抓取物体，所述N个待抓物区域的位置分布与N个抓取机器人的位置分布一一对应；

初始时刻，在永磁体阵列所产生的复合恒定磁场作用下，各个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

在抓取过程中，向电磁线圈内输入预设方向的电流，在N个抓取机器人所在区域产生脉冲磁场，电磁线圈所产生的脉冲磁场与永磁体阵列所产生的复合恒定磁场相互作用，通过改变电磁线圈所产生脉冲磁场的方向，可以局部改变在N个抓取机器人所在区域的复合磁场，从而控制每个抓取机器人的抓取或者闭合；

当所述脉冲磁场作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向与第k个永磁体作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向相反时，第k个抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制第k个抓取机器人从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流增大的速率和幅值控制第k个抓取机器人手臂开放的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取或释放；当所述脉冲磁场作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向与第s个永磁体作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向相同时，第s个抓取机器人手臂保持闭合；1s/>N，s为整数；

通过控制N个永磁体的磁场方向，若N个永磁体的磁场方向均相同，则所述磁驱动装置通过向脉冲线圈输入电流实现对N个抓取机器人的同步控制，实现阵列抓取机器人的同步抓取或释放；若N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反，则所述磁驱动装置通过向脉冲线圈输入电流实现对N个抓取机器人的选择性控制，实现阵列抓取机器人的选择性抓取或释放。

在一个示例中，所述N个永磁体呈中心对称分布，所述N个永磁体所产生的混合磁场中心对称均匀分布。

在一个示例中，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，若N个永磁体的尺寸和剩磁均一致，则N个永磁体中两种不同朝向的永磁体数量相同且呈中心对称分布。

在一个示例中，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，若N个永磁体的尺寸不一致，有1个大尺寸永磁体和N-1个相同小尺寸永磁体，则大尺寸永磁体置于中间，N-1个小永磁体围绕大永磁体中心对称排布。

在一个示例中，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，向脉冲线圈输入第一方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第一脉冲磁场，控制一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，另一部分抓取机器人保持闭合状态；随后向脉冲线圈输入第二方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第二脉冲磁场，控制所述另一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，所述一部分抓取机器人保持闭合状态；

第一脉冲磁场方向与所述一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反，第二脉冲磁场方向与所述另一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反；所述第一脉冲磁场与第二脉冲磁场反向。

在一个示例中，该装置还包括：机械传动装置；

所述机械传动装置用于传动N个固定构件、N个永磁体以及阵列抓取机器人；

在初始状态，机械传动装置控制阵列抓取机器人悬空，此时每个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

需要对物体抓取时，机械传动装置带动阵列抓取机器人和N个永磁体运动到待抓物体正上方，之后向电磁线圈内输入预设方向和预设幅值的电流，使得阵列抓取机器人所在区域内产生与部分永磁体磁场方向相反的磁场，以控制所述部分永磁体对应的部分抓取机器人的手臂打开预设角度，以适应不同尺寸的待抓取物体；通过机械传动装置控制部分抓取机器人继续向物体移动，直至部分抓取机器人完全覆盖物体后，以预设速率减小电磁线圈的输入电流，从而实现部分抓取机器人的柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；

部分抓取机器人抓取到物体后，机械传动装置控制部分抓取机器人远离物体所在平面，在远离物体所在平面的过程中，部分抓取机器人仅依靠永磁体所产生的恒定磁场实现对物体的包裹。

在一个示例中，当需要将抓取的物体放置到预设位置时，机械传动装置控制阵列抓取机器人移动到预设位置时，向在预设位置下方预先放置的电磁线圈输入预设方向和预设幅值的电流，使得阵列抓取机器人所在区域内产生与部分永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在部分抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制部分抓取机器人的手臂打开预设角度，进而将物体放置到预设位置处，之后机械传动装置控制阵列抓取机器人远离物体，直至阵列抓取机器人远离物体预设距离后，关闭电磁线圈的输入电流。

在一个示例中，每个抓取机器人的多条手臂被预先磁化，磁化特性为：靠近中心区域的臂前端被径向磁化，远离中心区域的臂末端被轴向磁化；

每个永磁体的两磁极沿轴向分布；

所述电磁线圈产生的脉冲磁场方向为轴向。

第二方面，本发明提供了一种阵列抓取机器人的磁驱动方法，包括如下步骤：

确定永磁体阵列和待驱动的阵列抓取机器人；所述永磁体阵列包括：N个永磁体，所述阵列抓取机器人包括：N个抓取机器人，每个抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

将第k个抓取机器人和第k个永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变，1k/>N，k为整数；所述N个永磁体和N个抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方；

确定置于待抓物体所在平面下方的电磁线圈；

在所述待抓物体所在平面上设置N个待抓物区域，每个区域内可放置一个待抓取物体，所述N个待抓物区域的位置分布与N个抓取机器人的位置分布一一对应；

初始时刻，在永磁体阵列所产生的复合恒定磁场作用下，各个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

在抓取过程中，向电磁线圈内输入预设方向的电流，在N个抓取机器人所在区域产生脉冲磁场，电磁线圈所产生的脉冲磁场与永磁体阵列所产生的复合恒定磁场相互作用，通过改变电磁线圈所产生脉冲磁场的方向，可以局部改变在N个抓取机器人所在区域的复合磁场，从而控制每个抓取机器人的抓取或者闭合；

当所述脉冲磁场作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向与第k个永磁体作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向相反时，第k个抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制第k个抓取机器人从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流增大的速率和幅值控制第k个抓取机器人手臂开放的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取或释放；当所述脉冲磁场作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向与第s个永磁体作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向相同时，第s个抓取机器人手臂保持闭合；1s/>N，s为整数；

通过控制N个永磁体的磁场方向，若N个永磁体的磁场方向均相同，则所述磁驱动装置通过向脉冲线圈输入电流实现对N个抓取机器人的同步控制，实现阵列抓取机器人的同步抓取或释放；若N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反，则所述磁驱动装置通过向脉冲线圈输入电流实现对N个抓取机器人的选择性控制，实现阵列抓取机器人的选择性抓取或释放。

在一个示例中，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，向脉冲线圈输入第一方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第一脉冲磁场，控制一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，另一部分抓取机器人保持闭合状态；随后向脉冲线圈输入第二方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第二脉冲磁场，控制所述另一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，所述一部分抓取机器人保持闭合状态；

第一脉冲磁场方向与所述一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反，第二脉冲磁场方向与所述另一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反；所述第一脉冲磁场与第二脉冲磁场反向。

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）本发明提供一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法，基于混合磁场驱动的抓取机器人装置在实际适用中具有卓越的潜能，能够针对性地运输具有不同物理特征的单个物体，同时可以具有选择性地操作多个物体。通过永磁体阵列代替单个永磁体，可以同时实现多个抓取机器人多模态驱动，在工业级大规模操作中显著提高抓取-释放效率。

（2）本发明提供一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法，通过设计不同特征的微小磁铁阵列，可以保证与自动化机械装置轻量化集成，同时由于永磁体的能量密度高，对于进一步减小单个抓取机器人的体积以及提高控制精准度，具有重要意义，为未来微型阵列抓取机器人应用于微纳、生科等领域提供了可能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的两臂和四臂磁性抓取机器人的磁化示意图；

图2为本发明实施例提供的阵列磁性抓取机器人装置在模式一下的形变示意图及工作区域截面磁场分布云图；

图3为本发明实施例提供的阵列磁性软体夹持器装置在模式一下抓取动作分解实验图；

图4为本发明实施例提供的阵列磁性抓取机器人装置在模式二下的形变示意图及工作区域截面磁场分布云图；

图5为本发明实施例提供的阵列磁性软体夹持器装置在模式二下两次放动作分解实验图；

图6为本发明实施例提供的阵列抓取机器人的磁驱动方法流程图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明属于抓取机器人领域，更具体地，涉及一种阵列抓取机器人的磁驱动装置及方法。该抓取机器人装置包括永磁体驱动单元、电磁线圈驱动单元、和固定构件，永磁体驱动单元由单永磁体或多永磁体阵列组成，电磁线圈驱动单元包括电源装置和电磁线圈。该装置工作时，磁性抓取机器人在永磁体驱动单元所产生的恒定磁场下保持闭合状态，通过控制电源装置对电磁线圈输入可控的电压波形，灵活地控制抓取机器人的开合状态、速度以及幅度。该装置结合永磁体和电磁线圈的驱动优势，利用高能量密度的永磁体，可以轻松实现与自动机械装置的轻量化集成，通过永磁体和电磁铁的协调运行，可以实现抓取机器人更丰富的变形模式，这无疑有利于提高抓取机器人性能，扩大其应用范围。另一方面，通过永磁体阵列代替单个永磁体，可以同步实现多个抓取机器人多模态驱动，针对性地运输具有不同物理特征的单个物体，又可以具有选择性地操作多个物体，在工业级大规模操作中显著提高抓取-释放效率。

本发明结合永磁体与电磁场的驱动优势以控制该抓取机器人的灵活变形，旨在解决现有技术磁性抓取机器人抓取过程中需要持续能量、控制不灵活、装置复杂且非集成化的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种阵列抓取机器人的磁驱动装置，包括磁性抓取机器人、固定构件、机械传动装置、永磁驱动单元和电磁驱动单元，其中：

所述磁性抓取机器人包括中心部分和从中心向外发散的若干手臂；该抓手的每条手臂均被预先磁化，磁化特性表现为轴向-径向双向磁化，即靠近中心区域被径向磁化，臂端部被轴向磁化；

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的磁性抓取机器人的制备方法，包括如下步骤：

S1、将磁性颗粒与软质材料按预设比例均匀混合得到的液态混合物倒入预设形状的模具中，待完全凝固后脱模取出；

S2、对经过步骤S1得到的抓取机器人进行磁化，使其磁化方向与该抓取机器人成铺展状态时所在的平面垂直，将磁性抓取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、完成所述磁性抓取机器人整体轴向充磁后，将磁性软体夹持置于所述第二脉冲磁场发生装置的磁场作用区域中，对抓取机器人实现指定区域的局部径向充磁；

S4、磁化结束后，所得到磁性抓取机器人的磁化模式表现为靠近中心区域被径向磁化，臂端部被轴向磁化，并在预设磁场作用下抓取机器人臂端能够实现完全闭合。

可以理解的是，磁性抓取机器人的制备方法不限于不发明实施例中的举例，本领域技术人员可以选择其他方法制备磁性软体机器人且实现对机器人手臂的径向和轴向磁化。

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；所述磁性抓取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，使得磁性抓取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，所述磁性抓取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，使得磁性抓取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；所述磁性抓取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，对所述磁性抓取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，所述磁性抓取机器人位于该线圈和铜板之间的磁场作用区域；向位于磁性抓取机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该磁性抓取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，使得磁性抓取机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

所述固定构件用于固定永磁体驱动单元与磁性抓取机器人，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变；

所述机械传动装置用于传动固定构件、永磁体驱动单元和磁性抓取机器人；

所述永磁体驱动单元由单永磁体或多永磁体阵列构成；

所述电磁线圈驱动单元包括电源装置、电磁线圈；所述电源装置用于向电磁线圈提供可控方向和幅值的驱动电压；

该系统工作时，磁性抓取机器人在所述永磁体驱动单元所产生的恒定磁场作用下，所述磁控软体抓手始终保持闭合状态，可用于夹持物品；抓取过程中，待抓物品位于电磁线圈中心上平面处，通过控制机械传动装置，使永磁体驱动单元、磁性抓取机器人和电磁线圈的中心处于同一轴线。当所述电源装置向电磁线圈输入确定方向的电流时，其在磁控软体抓手区域产生的反向磁场使抓手从闭合状态转为开放状态从而可以灵活地实现物体的抓取和释放功能；

按照本发明的另一个方面，提供了一种阵列抓取机器人的磁驱动方法，包括如下：

S1、选择并确定需要待抓取物体，通过控制传动装置运动至待抓物体的正上方；

S2、控制电源装置向电磁线圈提供特定方向的恒定电流，在电磁线圈上方磁性抓取机器人区域内产生相应磁场，从而抓取机器人由闭合状态转变为打开状态；

S3、控制传动装置直至磁性抓取机器人贴附待抓物品；

S4、控制电源装置以确定速率减少电流幅值，在电磁线圈上方磁性抓取机器人区域内产生磁场相应发生变化，从而抓取机器人由打开状态转变为闭合状态，此时整个抓取动作即完成；

优选地，释放方法与抓取方法类似；

优选地，步骤S2所述控制电源装置提供特定方向的恒定电流，通过改变电流幅值大小，能够控制磁性抓取机器人的打开状态下的夹角大小，从而适应不同尺寸的待抓物品；

优选地，步骤S4所述控制电源装置以确定速率减少电流幅值，通过改变电流变化速率，能够控制磁性抓取机器人由打开状态转为闭合状态的响应速度，响应速度过快导致抓取机器人的臂端由于惯性发生聚拢，对待抓物品造成损伤；响应速度过慢导致装置整体耗能增加，电磁线圈发热加剧；

优选地，所述永磁体驱动单元由多永磁体阵列组成，其中多永磁体的极性方向一致，永磁体阵列正下方放置相应数量、磁化特性相同的磁性抓取机器人，通过上述方法S1-S4，可实现多目标物体同时抓取与释放；

优选地，所述永磁体驱动单元由多永磁体阵列组成，其中多永磁体的极性方向不一致，永磁体阵列正下方放置相应数量、磁化特性随永磁体磁极方向变化的磁性抓取机器人；

按照本发明的另一个方面，提供了一种阵列抓取机器人的磁驱动方法，包括如下：

S1、选择并确定所抓取物体第一和第二释放目标地点，通过控制传动装置运动至第一释放目标地点；

S2、控制电源装置向电磁线圈提供顺时针/逆时针的恒定电流，在电磁线圈上方磁性抓取机器人区域内产生相应磁场，从而部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，相应抓取机器人所包裹物品被放置于目标区域，而另一部分维持闭合状态；

S3、控制传动装置至第二释放目标地点；

S4、控制电源装置向电磁线圈提供逆时针/顺时针的恒定电流，在电磁线圈上方磁性抓取机器人区域内产生相应磁场，从而部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，相应抓取机器人所包裹物品被放置于目标区域，而另一部分维持闭合状态。

本发明提供了一种基于混合磁场驱动的阵列抓取机器人装置，包括磁性抓取机器人、固定构件、机械传动装置、永磁驱动单元和电磁驱动单元。

本发明提供的一种基于混合磁场驱动的阵列磁性抓取机器人，该抓取机器人呈铺展状态时，其包括中心部分和从中心向外发散的若干手臂；该抓手的每条手臂均被预先磁化，磁化特性表现为轴向-径向双向磁化，即靠近中心区域被径向磁化，磁化方向与该抓取机器人呈铺展状态时手臂所在的平面平行；臂端部被轴向磁化，磁化方向与该抓取机器人呈铺展状态时臂端所在的平面垂直。

一些实施例中，本发明所述磁性抓取机器人由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、PDMS、水凝胶等）构成。本发明所述磁性抓取机器人手臂为长条板状结构，该抓取机器人呈铺展状态时，其整个横截面均与地面接触。

一些实施例中，本发明所述永磁驱动单元由多永磁体阵列而成，磁极方向相同，延中心对称分布；相应地，永磁体阵列正下方一定距离处通过固定构件将磁性抓取机器人固定。本发明所述阵列同极性永磁体包括四块永磁体。

一些实施例中，本发明所述永磁驱动单元由多永磁体阵列而成，磁极方向相同，延中心对称分布；相应地，永磁体阵列正下方一定距离处通过固定构件将磁性抓取机器人固定。本发明所述阵列同极性永磁体包括四块永磁体。

以下为具体实施例：

该磁性抓取机器人在以下实施例中注意以两臂和四臂抓取机器人进行说明可行的两臂和四臂抓取机器人的磁化分布，如图1所示。该磁性抓取机器人周边均匀分布六条长10mm、宽4mm的条形手臂；中心和多条手臂被制作为一个整体，整个抓取机器人均由直径5μm的钕铁硼颗粒（20%体积比）Ecoflex B和PDMS混合并固化后形成的软体材料制成，厚度为0.4mm；无磁场作用下，抓取机器人呈打开状态；在特定方向的恒定磁场下，抓取机器人呈闭合状态。

在一个具体的实施例中，该基于混合磁场的磁驱动装置驱动其中一个抓取机器人的工作流程示意图工作流程如下：

S1、选择并确定需要待抓取物体，通过控制传动装置运动至待抓物体的正上方；

S2、控制电源装置向电磁线圈提供特定方向的恒定电流，在电磁线圈上方磁性软体夹持器区域内产生相应磁场，从而软体夹持器由闭合状态转变为打开状态；

S3、控制传动装置直至磁性软体夹持器贴附待抓物品；

S4、控制电源装置以确定速率减少电流幅值，在电磁线圈上方磁性软体夹持器区域内产生磁场相应发生变化，从而软体夹持器由打开状态转变为闭合状态，此时整个抓取动作即完成；优选地，释放方法与抓取方法类似。

需要说明的是，当某一个抓取机器人臂前端径向磁化方向是延中心向外发散，臂末端轴向磁化方向是竖直向上时，与此抓取机器人固定连接的永磁体的N极朝下；此时，若脉冲磁竖直向上，在此抓取机器人所在区域产生局部中心发散的混合磁场，控制此抓取机器人手臂打开。

当某一个抓取机器人臂前端径向磁化方向是向中心聚拢，臂末端轴向磁化方向是竖直向下时，与此抓取机器人固定连接的永磁体的S极朝下；此时，若脉冲磁竖直向下，在此抓取机器人所在区域产生局部中心发散的混合磁场，控制此抓取机器人手臂打开。

具体地，以两臂磁性抓取机器人为例，通过改变电磁线圈单元中的电压幅值，可以观察到磁性抓取机器人的臂端之间距离可以灵活控制；利用这一特性，可以控制抓取机器人适应不同尺寸的待抓物品的抓取。

具体地，以两臂磁性抓取机器人为例，通过改变电磁线圈单元中的电压下降时间，分别设置下降时间为1ms、1000ms并通过40倍慢动作拍摄磁性抓取机器人在水中的运动，可以观察到如果下降速度过快，会导致磁性抓取机器人拍击水面产生水花同时由于惯性产生聚拢动作。在实际抓取机器人应用场景中，待抓物品一般是柔性的，例如水果、蛋类等等，因此调控抓取机器人闭合速度能够避免对待抓物品产生损伤。

具体地，将磁性抓取机器人通过固定构件与机械传动装置相连接实现待抓物品的抓取、握住和释放等一系列动作，记录动作过程中抓取机器人臂端距离以及电磁线圈电压变化绘制成曲线图，可以发现磁性抓取机器人线圈只需要在抓取和释放动作时通入脉冲电流，相应迅速且耗能较少，避免了过多焦耳热产生导致线圈寿命下降。

通过实验抓取方形豆腐，可以发现在实验过程中豆腐几乎无损伤，说明本发明提供的阵列抓取机器人可以实现柔性抓取功能。

在实际工业中，靶向运动是一项常态化的任务，微型、柔性物品的抓取是目前难以解决的问题。通过实验演示了本发明提供的阵列抓取机器人靶向运动蜗牛蛋的分解动作过程。

在一个具体的实施例中，如图2所示，永磁体驱动单元由四块N极朝下的小永磁体阵列而成，每块永磁体之间距离一致，同时永磁体中心到驱动单元中心距离相等；在每块永磁体正下方放置两臂磁性抓取机器人，磁化表现为靠近中心区域被径向磁化，且由中心向外发散；臂端部被轴向磁化，且垂直与臂端平面向上，此时装置状态称为模式一；在阵列永磁体所产生的恒定磁场作用下，磁性抓取机器人均处于闭合状态；此时通过控制线圈输入电流，使电磁线圈单元在磁性抓取机器人区域产生方向向上的脉冲磁场，此时磁性抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，并通过商业软件Comsol分别对磁性抓取机器人打开和闭合状态工作区域截面的磁场进行有限元仿真。

图3所示为上述模式一对应的阵列抓取机器人驱动实验，如图3所示，该装置可以实现同时对四个物体的抓取和释放。

在另一个具体的实施例中，如图4所示，永磁体驱动单元由两块N极朝下、两块S极朝下的小永磁体阵列而成，每块永磁体之间距离一致，永磁体中心到驱动单元中心距离相等，且根据磁极朝向在顺时针方向上间隔排布；在每块永磁体正下方放置两臂磁性抓取机器人①②③④，①③的磁化表现为靠近中心区域被径向磁化，且由中心向外发散；臂端部被轴向磁化，且垂直与臂端平面向上；②④的磁化表现为靠近中心区域被径向磁化，且由端部向中心聚拢；臂端部被轴向磁化，且垂直与臂端平面向下，此时装置状态称为模式二；在阵列永磁体所产生的恒定磁场作用下，磁性抓取机器人均处于闭合状态；通过控制线圈输入电流，使电磁线圈单元在磁性抓取机器人区域产生方向向上的脉冲磁场，此时①③磁性抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，②④磁性抓取机器人保持闭合状态；而当电磁线圈单元在磁性抓取机器人区域产生方向向下的脉冲磁场时，②④磁性抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，①③磁性抓取机器人由打开装填转变为闭合状态；为进一步理解工作原理，通过商业软件Comsol分别对该磁性抓取机器人不同状态下工作区域截面的磁场进行有限元仿真；同时设置实验，通过对电磁线圈驱动单元的控制，该磁性抓取机器人实现有选择性的释放多物品。

图5所示为上述模式二对应的阵列抓取机器人驱动实验，如图5所示，该装置可以实现先对两个物体的释放，另外两个物体保持抓取，之后再释放另外两个物体，且②④磁性抓取机器人和①③磁性抓取机器人所抓取的物体可以不同。

图6为本发明实施例提供的阵列抓取机器人的磁驱动方法流程图，如图6所示，包括如下步骤：

S601，确定永磁体阵列和待驱动的阵列抓取机器人；所述永磁体阵列包括：N个永磁体，所述阵列抓取机器人包括：N个抓取机器人，每个抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

S602，将第k个抓取机器人和第k个永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变，1k/>N，k为整数；所述N个永磁体和N个抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方；

S603，确定置于待抓物体所在平面下方的电磁线圈；

S604，在所述待抓物体所在平面上设置N个待抓物区域，每个区域内可放置一个待抓取物体，所述N个待抓物区域的位置分布与N个抓取机器人的位置分布一一对应；

S605，初始时刻，在永磁体阵列所产生的复合恒定磁场作用下，各个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

S606，在抓取过程中，向电磁线圈内输入预设方向的电流，在N个抓取机器人所在区域产生脉冲磁场，电磁线圈所产生的脉冲磁场与永磁体阵列所产生的复合恒定磁场相互作用，通过改变电磁线圈所产生脉冲磁场的方向，可以局部改变在N个抓取机器人所在区域的复合磁场，从而控制每个抓取机器人的抓取或者闭合；

S607，当所述脉冲磁场作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向与第k个永磁体作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向相反时，第k个抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制第k个抓取机器人从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流增大的速率和幅值控制第k个抓取机器人手臂开放的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取或释放；当所述脉冲磁场作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向与第s个永磁体作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向相同时，第s个抓取机器人手臂保持闭合；1s/>N，s为整数；

S608，通过控制N个永磁体的磁场方向，若N个永磁体的磁场方向均相同，则所述磁驱动装置通过向脉冲线圈输入电流实现对N个抓取机器人的同步控制，实现阵列抓取机器人的同步抓取或释放；若N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反，则所述磁驱动装置通过向脉冲线圈输入电流实现对N个抓取机器人的选择性控制，实现阵列抓取机器人的选择性抓取或释放。

具体地，图6中各个步骤的详细实现可参见前述装置实施例中的介绍，在此不做赘述。

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)

1.一种阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，包括：N个永磁体、电磁线圈以及N个固定构件，N为大于1的整数；

待驱动的阵列抓取机器人包括：N个抓取机器人，每个抓取机器人包括中心对称的多条手臂；第k个固定构件用于将第k个抓取机器人和第k个永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变，1k/>N，k为整数；所述N个永磁体和N个抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，电磁线圈置于待抓取物体所在平面下方；

所述待抓取物体所在平面上设置有N个待抓物区域，每个区域内可放置一个待抓取物体，所述N个待抓物区域的位置分布与N个抓取机器人的位置分布一一对应；

初始时刻，在永磁体阵列所产生的复合恒定磁场作用下，各个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

在抓取过程中，向电磁线圈内输入预设方向的电流，在N个抓取机器人所在区域产生脉冲磁场，电磁线圈所产生的脉冲磁场与永磁体阵列所产生的复合恒定磁场相互作用，通过改变电磁线圈所产生脉冲磁场的方向，可以局部改变在N个抓取机器人所在区域的复合磁场，从而控制每个抓取机器人的抓取或者闭合；

当所述脉冲磁场作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向与第k个永磁体作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向相反时，第k个抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制第k个抓取机器人从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流增大的速率和幅值控制第k个抓取机器人手臂开放的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取或释放；当所述脉冲磁场作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向与第s个永磁体作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向相同时，第s个抓取机器人手臂保持闭合；1s/>N，s为整数；

通过控制N个永磁体的磁场方向，若N个永磁体的磁场方向均相同，则所述磁驱动装置通过向电磁线圈输入电流实现对N个抓取机器人的同步控制，实现阵列抓取机器人的同步抓取或释放；若N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反，则所述磁驱动装置通过向电磁线圈输入电流实现对N个抓取机器人的选择性控制，实现阵列抓取机器人的选择性抓取或释放。

2.根据权利要求1所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，所述N个永磁体呈中心对称分布，所述N个永磁体所产生的混合磁场中心对称均匀分布。

3.根据权利要求2所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，若N个永磁体的尺寸和剩磁均一致，则N个永磁体中两种不同朝向的永磁体数量相同且呈中心对称分布。

4.根据权利要求2所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，若N个永磁体的尺寸不一致，有1个大尺寸永磁体和N-1个相同小尺寸永磁体，则大尺寸永磁体置于中间，N-1个小永磁体围绕大永磁体中心对称排布。

5.根据权利要求1所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，向电磁线圈输入第一方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第一脉冲磁场，控制一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，另一部分抓取机器人保持闭合状态；随后向电磁线圈输入第二方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第二脉冲磁场，控制所述另一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，所述一部分抓取机器人保持闭合状态；

第一脉冲磁场方向与所述一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反，第二脉冲磁场方向与所述另一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反；所述第一脉冲磁场与第二脉冲磁场反向。

6.根据权利要求1所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，还包括：机械传动装置；

所述机械传动装置用于传动N个固定构件、N个永磁体以及阵列抓取机器人；

在初始状态，机械传动装置控制阵列抓取机器人悬空，此时每个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

需要对物体抓取时，机械传动装置带动阵列抓取机器人和N个永磁体运动到待抓取物体正上方，之后向电磁线圈内输入预设方向和预设幅值的电流，使得阵列抓取机器人所在区域内产生与部分永磁体磁场方向相反的磁场，以控制所述部分永磁体对应的部分抓取机器人的手臂打开预设角度，以适应不同尺寸的待抓取物体；通过机械传动装置控制部分抓取机器人继续向物体移动，直至部分抓取机器人完全覆盖物体后，以预设速率减小电磁线圈的输入电流，从而实现部分抓取机器人的柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；

部分抓取机器人抓取到物体后，机械传动装置控制部分抓取机器人远离待抓取物体所在平面，在远离待抓取物体所在平面的过程中，部分抓取机器人仅依靠永磁体所产生的恒定磁场实现对物体的包裹。

7.根据权利要求6所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，当需要将抓取的物体放置到预设位置时，机械传动装置控制阵列抓取机器人移动到预设位置时，向在预设位置下方预先放置的电磁线圈输入预设方向和预设幅值的电流，使得阵列抓取机器人所在区域内产生与部分永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在部分抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制部分抓取机器人的手臂打开预设角度，进而将物体放置到预设位置处，之后机械传动装置控制阵列抓取机器人远离物体，直至阵列抓取机器人远离物体预设距离后，关闭电磁线圈的输入电流。

8.根据权利要求1至7任一项所述的阵列抓取机器人的磁驱动装置，其特征在于，每个抓取机器人的多条手臂被预先磁化，磁化特性为：靠近中心区域的臂前端被径向磁化，远离中心区域的臂末端被轴向磁化；

每个永磁体的两磁极沿轴向分布；

所述电磁线圈产生的脉冲磁场方向为轴向。

9.一种阵列抓取机器人的磁驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定永磁体阵列和待驱动的阵列抓取机器人；所述永磁体阵列包括：N个永磁体，所述阵列抓取机器人包括：N个抓取机器人，每个抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

将第k个抓取机器人和第k个永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变，1k/>N，k为整数；所述N个永磁体和N个抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方；

确定置于待抓取物体所在平面下方的电磁线圈；

在所述待抓取物体所在平面上设置N个待抓物区域，每个区域内可放置一个待抓取物体，所述N个待抓物区域的位置分布与N个抓取机器人的位置分布一一对应；

初始时刻，在永磁体阵列所产生的复合恒定磁场作用下，各个抓取机器人的手臂处于闭合状态；

在抓取过程中，向电磁线圈内输入预设方向的电流，在N个抓取机器人所在区域产生脉冲磁场，电磁线圈所产生的脉冲磁场与永磁体阵列所产生的复合恒定磁场相互作用，通过改变电磁线圈所产生脉冲磁场的方向，可以局部改变在N个抓取机器人所在区域的复合磁场，从而控制每个抓取机器人的抓取或者闭合；

当所述脉冲磁场作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向与第k个永磁体作用在第k个抓取机器人所在区域的磁场方向相反时，第k个抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制第k个抓取机器人从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流增大的速率和幅值控制第k个抓取机器人手臂开放的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取或释放；当所述脉冲磁场作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向与第s个永磁体作用在第s个抓取机器人所在区域的磁场方向相同时，第s个抓取机器人手臂保持闭合；1s/>N，s为整数；

通过控制N个永磁体的磁场方向，若N个永磁体的磁场方向均相同，则通过向电磁线圈输入电流实现对N个抓取机器人的同步控制，实现阵列抓取机器人的同步抓取或释放；若N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反，则通过向电磁线圈输入电流实现对N个抓取机器人的选择性控制，实现阵列抓取机器人的选择性抓取或释放。

10.根据权利要求9所述的阵列抓取机器人的磁驱动方法，其特征在于，当N个永磁体的磁场方向一部分相同，另一部分相反时，向电磁线圈输入第一方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第一脉冲磁场，控制一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，另一部分抓取机器人保持闭合状态；随后向电磁线圈输入第二方向的电流，以在阵列抓取机器人所在区域内产生第二脉冲磁场，控制所述另一部分抓取机器人由闭合状态转变为打开状态，所述一部分抓取机器人保持闭合状态；

第一脉冲磁场方向与所述一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反，第二脉冲磁场方向与所述另一部分抓取机器人对应的各个永磁体磁场方向相反；所述第一脉冲磁场与第二脉冲磁场反向。