CN114654489B - 一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法，包括：永磁体驱动单元、电磁线圈驱动单元和固定构件，永磁体驱动单元为单永磁体，电磁线圈驱动单元包括电磁线圈；固定构件将抓取机器人和永磁体驱动单元固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变。工作时，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、幅度以及速度。在永磁体恒定磁场的作用下，抓取机器人始终保持闭合状态，以包裹物体，而无需连续的能量输入。通过控制电磁线圈的电流，使抓取机器人在紧握/释放状态之间进行切换，从而可以灵活地实现物体抓取和释放的功能。

Description

一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法

技术领域

本发明属于抓取机器人领域，更具体地，涉及一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法。

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。该抓取机器人虽然能实现抓取动作，但其在外部磁场作用下需要经历连续的温度变化过程，响应速度更慢。

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基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法，旨在解决现有技术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问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置，包括：永磁体驱动单元、电磁线圈驱动单元以及固定构件；

所述固定构件用于将待驱动的单个抓取机器人和永磁体驱动单元固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变；所述永磁体驱动单元和抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，电磁线圈驱动单元置于待抓取物体所在平面下方；所述抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

所述永磁体驱动单元包括一个永磁体；所述抓取机器人位于永磁体正下方；

所述电磁线圈驱动单元包括：电磁线圈；

初始时刻，在永磁体所产生的恒定磁场的作用下，所述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，在抓取机器人所在区域产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制抓取机器人的手臂从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流的增大或减小，以及控制电流增大或者减小的速率和幅值控制手臂开放或者闭合的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取和释放。

可选地，该驱动装置还包括：机械传动装置；

所述机械传动装置用于传动固定构件、永磁体驱动单元以及抓取机器人；

在初始状态，机械传动装置控制抓取机器人悬空，此时手臂处于闭合状态；

需要对物体抓取时，机械传动装置带动抓取机器人和永磁体驱动单元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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的磁场，以控制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，并通过机械传动装置控制抓取机器人继续向物体移动，直至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，从而实现抓取机器人柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；

抓取到物体后，机械传动装置控制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，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。

可选地，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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制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抓取机器人远离物体，直至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。

可选地，所述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；

所述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。

可选地，当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，永磁体的N极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向上；

当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，永磁体的S极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向下。

第二方面，本发明提供了一种基于混合磁场的抓取机器人驱动方法，包括如下步骤：

将待驱动的单个抓取机器人和永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变；

将永磁体和抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，以及将电磁线圈置于待抓取物体所在平面下方；所述抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

初始时刻，在永磁体所产生的恒定磁场的作用下，所述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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，以结合永磁体磁场的作用在抓取机器人所在区域产生中心发散的磁场，控制抓取机器人的手臂从闭合状态转为开放状态；

通过控制电流的增大或减小，以及控制电流增大或者减小的速率和幅值控制手臂开放或者闭合的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取和释放。

可选地，该方法还包括如下步骤：

在初始状态，控制抓取机器人悬空，此时手臂处于闭合状态；

需要对物体抓取时，带动抓取机器人和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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的磁场，以控制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；

控制抓取机器人继续向物体移动，直至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，从而实现抓取机器人柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；

抓取到物体后，控制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，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。

可选地，该方法还包括如下步骤：

当需要将抓取的物体放置到预设位置时，控制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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制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，之后控制抓取机器人远离物体，直至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。

可选地，所述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；

所述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。

可选地，当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，永磁体的N极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向上；

当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，永磁体的S极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向下。

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）本发明提供一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法，提供一种基于混合磁驱动的软体抓手与单独使用永磁体或电磁铁的驱动方法不同，所提出的混合磁场驱动方法结合了它们在操纵物体方面的优点。在永磁体产生的恒定磁场的作用下，抓取机器人可以始终保持闭合状态，以容纳物体，而无需连续的能量输入。通过控制电源提供给电磁线圈的电流，使抓取机器人在紧握/释放状态之间进行切换，从而可以灵活地实现物体抓取和释放的功能；

（2）本发明所提供一种基于混合磁场驱动的抓取机器人装置由于永磁体的能量密度高，可以轻松实现与自动机械装置的轻量化集成，并且可以通过简单的控制实现物体的无束缚操作，这一优势为抓取机器人从实验室走向工业化提供了关键的技术支持。同时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。

（3）本发明所提供一种基于混合磁场驱动的抓取机器人装置在工业应用场景中中具有卓越的潜能，能够针对性地运输具有不同物理特征的单个物体。

附图说明

图1为本发明实施例提供的两臂和四臂抓取机器人的磁化示意图；

图2为本发明实施例提供的基于混合磁场驱动的抓取机器人装置的工作流程示意图；

图3为本发明实施例提供的抓取机器人在单永磁体作用下形变示意图和工作区域磁场分布云图；

图4为本发明实施例提供的抓取机器人在混合磁场驱动下形变示意图、线圈电压波形图和工作区域磁场分布云图；

图5为本发明实施例提供的抓取机器人在电磁线圈输入电压变化时双臂张角曲线图（以两臂为例）；

图6为本发明实施例提供的抓取机器人抓取不同尺寸物品的实验图（以四臂为例）；

图7为本发明实施例提供的抓取机器人装置抓取不同形状物品的实验图（以两臂、四臂为例）；

图8为本发明实施例提供的抓取机器人装置在快速抓取过程中臂端距离变化曲线图及线圈电压曲线图（以四臂为例）；

图9为本发明实施例提供的基于混合磁场的抓取机器人驱动方法流程图；

在所有附图中，1为机械臂；2为固定构件；3为抓取机器人；4、7、11为永磁体；5、10、15为电磁线圈；6、9、14为待抓物品；8、12为闭合状态的抓取机器人；13为打开状态的抓取机器人。

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。

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法，通过对该抓取机器人的装置结构和磁场驱动方法进行设计，并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，本发明提供了一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置及方法，包括抓取机器人、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、完成所述抓取机器人整体轴向充磁后，将抓取机器人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；

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；向位于抓取机器人一侧的所述充磁线圈内通入脉冲电流，位于该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，使得抓取机器人在该轴向磁化磁场下整体发生径向磁化。

需要说明的是，对抓取机器人的磁化方法可参考专利文献 CN112847391A，本领域技术人员可以根据实际需要采用其他装置和方法对抓取机器人进行磁化，只要能够实现轴向-径向磁化均可，本发明实施例并不对抓取机器人的磁化方式做具体限定。

进一步地，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；永磁体的两磁极沿轴向分布；电磁线圈产生的脉冲磁场方向为轴向。

可选地，当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，永磁体的N极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向上；

当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，永磁体的S极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向下。

所述固定构件用于固定永磁体驱动单元与抓取机器人，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、永磁体驱动单元和抓取机器人；

所述永磁体驱动单元由单永磁体构成；

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，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、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，提供了一种基于所述抓取机器人的控制方法，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，在电磁线圈上方抓取机器人区域内产生相应磁场，从而软体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；

本发明提供了一种基于混合磁场驱动的抓取机器人装置，包括固定构件、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。

以下为具体实施例：

该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。该抓取机器人周边均匀分布多条长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；

如图2所示，该基于混合磁场驱动的抓取机器人装置的工作流程如下：

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；如图3所示该抓取机器人在单永磁体作用下形变示意图和工作区域磁场分布云图；可见单永磁体作用在抓取机器人上的磁场方向向下，此时永磁体N极朝下；另外，当永磁体S朝下时，永磁体作用在抓取机器人上的磁场方向向上。

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；如图4所示该抓取机器人在混合磁场驱动下形变示意图、线圈电压波形图和工作区域磁场分布云图；可见，混合磁场在抓取机器人所在区域产生中心发散的磁场。

S3、控制传动装置直至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；

如图5所示，以两臂抓取机器人为例，通过改变电磁线圈单元中的电压幅值，可以观察到抓取机器人的臂端之间距离可以灵活控制；利用这一特性，如图6所示该抓取机器人可以适应不同尺寸的待抓物品的抓取。

具体地，以两臂抓取机器人为例，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。

如图7所示，通过演示两臂/四臂抓取机器人抓取不同形状物品，表现该抓取机器人具有很强的适应性。

如图8所示，将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，可以发现该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。

需要说明的是，如图8所示，在初始状态，机械传动装置控制抓取机器人悬空，此时手臂处于闭合状态；需要对物体抓取时，机械传动装置带动抓取机器人和永磁体驱动单元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，使得待抓物体所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的磁场，以控制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，并通过机械传动装置控制抓取机器人继续向物体移动，直至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，从而实现抓取机器人柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；抓取到物体后，机械传动装置控制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，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。

另外，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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，以在抓取机器人所在区域产生中心发散的磁场，控制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抓取机器人远离物体，直至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。

进一步地，为演示该抓取机器人的柔性抓取功能，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。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。通过实验演示了该抓取机器人靶向运动蜗牛蛋的分解动作过程。

图9是本发明实施例提供的基于混合磁场的抓取机器人驱动方法流程图，如图9所示，包括如下步骤：

S101，将待驱动的单个抓取机器人和永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变；

S102，将永磁体和抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，以及将电磁线圈置于待抓取物体所在平面下方；所述抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

S103，初始时刻，在永磁体所产生的恒定磁场的作用下，所述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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制抓取机器人的手臂从闭合状态转为开放状态；

S104，通过控制电流的增大或减小，以及控制电流增大或者减小的速率和幅值控制手臂开放或者闭合的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取和释放。

可以理解的是，图9中各个步骤的详细流程实现可参见前述装置实施例中的详细介绍，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 (8)

1.一种基于混合磁场的抓取机器人驱动装置，其特征在于，包括：永磁体驱动单元、电磁线圈驱动单元以及固定构件；

所述固定构件用于将待驱动的单个抓取机器人和永磁体驱动单元固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变；所述永磁体驱动单元和抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，电磁线圈驱动单元置于待抓取物体所在平面下方；所述抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

所述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；所述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；

所述永磁体驱动单元包括一个永磁体；所述抓取机器人位于永磁体正下方；

所述电磁线圈驱动单元包括：电磁线圈；

初始时刻，在永磁体所产生的恒定磁场的作用下，所述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，在抓取机器人所在区域产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制抓取机器人的手臂从闭合状态转为开放状态，并通过控制电流的增大或减小，以及控制电流增大或者减小的速率和幅值控制手臂开放或者闭合的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取和释放。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，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固定构件、永磁体驱动单元以及抓取机器人；

在初始状态，机械传动装置控制抓取机器人悬空，此时手臂处于闭合状态；

需要对物体抓取时，机械传动装置带动抓取机器人和永磁体驱动单元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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的磁场，以控制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抓取机器人继续向物体移动，直至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，从而实现抓取机器人柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；

抓取到物体后，机械传动装置控制抓取机器人远离所述待抓取物体所在平面，在远离所述待抓取物体所在平面的过程中，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。

3.根据权利要求2所述的驱动装置，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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制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抓取机器人远离物体，直至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。

4.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，当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，永磁体的N极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向上；

当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，永磁体的S极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向下。

5.一种基于混合磁场的抓取机器人驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

将待驱动的单个抓取机器人和永磁体固定，使两者的中心处于同一轴线且保持相对距离不变；

将永磁体和抓取机器人置于待抓取物体所在平面上方，以及将电磁线圈置于待抓取物体所在平面下方；所述抓取机器人包括中心对称的多条手臂；

所述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；所述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；

初始时刻，在永磁体所产生的恒定磁场的作用下，所述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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制抓取机器人的手臂从闭合状态转为开放状态；

通过控制电流的增大或减小，以及控制电流增大或者减小的速率和幅值控制手臂开放或者闭合的速度和程度，以实现对物体的灵活抓取和释放。

6.根据权利要求5所述的驱动方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在初始状态，控制抓取机器人悬空，此时手臂处于闭合状态；

需要对物体抓取时，带动抓取机器人和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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的磁场，以控制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；

控制抓取机器人继续向物体移动，直至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，从而实现抓取机器人柔性抓取动作，避免物体受到挤压或损伤；

抓取到物体后，控制抓取机器人远离所述待抓取物体所在平面，在远离所述待抓取物体所在平面的过程中，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所述的驱动方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当需要将抓取的物体放置到预设位置时，控制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，使得抓取机器人所在区域内产生与所述永磁体磁场方向相反的脉冲磁场，从而在抓取机器人所在区域产生中心发散的混合磁场，控制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，之后控制抓取机器人远离物体，直至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5所述的驱动方法，其特征在于，当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，永磁体的N极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向上；

当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，永磁体的S极朝下，电磁线圈产生的脉冲磁场竖直向下。