CN114715369B - 一种磁性软体机器人的驱动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁性软体机器人的驱动方法及装置，该磁性软体机器人的有效的驱动波形为一种三组参数可调的梯形波。该梯形波可有效驱动不同种类的软体机器人，通过不同的组合可以实现操控四爪或六爪软体机器人实现复杂的运动模式如收缩、恢复、游泳等。该磁性软体机器人的驱动装置包括磁性软体机器人、单片机控制装置、功率放大装置和三维空间磁场发生装置。按照操作需求设计出驱动波形后，可通过上位机输入波形参数或描点输入具体波形，单片机处理后形成波形数据。波形数据经DAC调制后输出为模拟电压信号，经功率放大器放大后激励线圈产生对应驱动磁场，控制磁性软体机器人运动。

Description

一种磁性软体机器人的驱动方法及装置

技术领域

本发明属于磁性软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人的驱动方法及装置。

背景技术

软体机器人具有无限自由度、强变形能力、高度适应性等优势，在医疗诊断、环境检测和空间探测等方面展现出广泛的应用潜力。软体机器人的驱动方式包括物理驱动、流体驱动和电磁驱动等，其中，磁驱动技术具有非接触、可控性强和穿透性能好等显著优势，已成为当前软体机器人领域的研究前沿和热点。

目前，磁性软体机器人领域的一个重要发展领域是如何实现软体机器人的多模态变形和运动。为实现此目标，一种可行的途径在于调节软体机器人内部的磁化特性，另一种在于调节外部驱动磁场。而目前研究主要集中于通过部磁化特性来实现磁性软体机器人的多模态运动，但对于外部驱动磁场的设计研究相对较少，目前主要驱动磁场类型为静态磁场、振荡磁场和旋转磁场等，功能较为单一，参数可调性差。事实上，由于磁性软体机器人的运动模态是由其内部的磁化方向分布和其外部的驱动磁场共同控制，如何针对软体机器人特定的操控需求来设计外部驱动磁场对于实现磁性软体机器人的灵活和可控运动同样具有重要意义。

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磁性软体机器人的驱动方法及装置，旨在解决目前驱动磁场波形功能单一，难以实现磁性软体机器人多模态复杂运动的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种磁性软体机器人的驱动方法，包括如下步骤：

确定驱动线圈所用的驱动波；所述驱动波为参数可调的梯形波，所述参数包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值、下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值、平顶波持续时间以及平顶波幅值；所述驱动线圈用于在预设区域产生均匀磁场，其磁场方向和强度随驱动波变化；

向所述驱动线圈输入驱动波，以在预设区域内产生均匀磁场，驱动处于预设区域内的磁场软体机器人产生对应的形态变化；所述磁性软体机器人为中心对称的多爪软体机器人，其中，通过调控所述梯形波上升沿和下降沿斜率控制多爪软体机器人聚拢和放松速度，通过调控所述上升沿的终止值和下降沿终止值控制多爪软体机器人聚拢和放松的程度，通过调控平顶波的持续时间和幅值控制多爪软体机器人保持聚拢或放松的时间和程度；当所述多爪软体机器人置于液体环境时，设所述梯形波上升沿持续时间为第一时间，下降沿持续时间为第二时间，控制第一时间大于第二时间，使得多爪软体机器人向下划动液体的过程快速进行，以在液体中向上运动，向上划动液体恢复的过程缓慢进行，以在液体中向下运动，且向下运动的距离小于向上运动的距离；控制下降沿的终止值小于上升沿的起始值，使得向下划动液体后达到向下收缩状态，并控制上升沿之后进入下降沿，且在下降沿之后进入平顶波，控制平顶波的持续时间，使得向下划动液体后多爪软体机器人维持向下收缩的状态，以利用惯性获得进一步的上升距离，实现在液体环境中类似水母的仿生运动。

在一个可选的示例中，所述多爪软体机器人的磁化方式为：沿几何中心向各个爪臂延伸的方向径向磁化。

在一个可选的示例中，通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度低于第一预设速度，以利用多爪软体机器人抓捕柔软易碎的物体；通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度大于第二预设速度，之后控制梯形波从上升沿转入平顶波，以控制多爪软体机器人聚拢后保持聚拢状态一段时间，以利用多爪软体机器人捕捉移动物体。

在一个可选的示例中，当多爪软体机器人置于液体环境中时，一个周期内，控制梯形波从第一个上升沿、下降沿到平定波变化，之后再进行第二个上升沿，使得多爪软体机器人先由水平状态向上收缩，再变化至向下收缩并保持，之后在第二个上升沿的作用下恢复至水平状态；控制向多爪软体机器人的驱动线圈周期输入所述梯形波，以控制多爪软体机器人持续向上游动。

在一个可选的示例中，所述多爪软体机器人为：四爪磁性软体机器人或者六爪磁性软体机器人。

第二方面，本发明提供了一种磁性软体机器人的驱动装置，包括：

驱动波确定单元，用于确定驱动线圈所用的驱动波；所述驱动波为参数可调的梯形波，所述参数包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值、下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值、平顶波持续时间以及平顶波幅值；所述驱动线圈用于在预设区域产生均匀磁场，其磁场方向和强度随驱动波变化；

驱动控制单元，用于向所述驱动线圈输入驱动波，以在预设区域内产生均匀磁场，驱动处于预设区域内的磁场软体机器人产生对应的形态变化；所述磁性软体机器人为中心对称的多爪软体机器人，其中，通过调控所述梯形波上升沿和下降沿斜率控制多爪软体机器人聚拢和放松速度，通过调控所述上升沿的终止值和下降沿终止值控制多爪软体机器人聚拢和放松的程度，通过调控平顶波的持续时间和幅值控制多爪软体机器人保持聚拢或放松的时间和程度；当所述多爪软体机器人置于液体环境时，设所述梯形波上升沿持续时间为第一时间，下降沿持续时间为第二时间，控制第一时间大于第二时间，使得多爪软体机器人向下划动液体的过程快速进行，以在液体中向上运动，向上划动液体恢复的过程缓慢进行，以在液体中向下运动，且向下运动的距离小于向上运动的距离；控制下降沿的终止值小于上升沿的起始值，使得向下划动液体后达到向下收缩状态，并控制上升沿之后进入下降沿，且在下降沿之后进入平顶波，控制平顶波的持续时间，使得向下划动液体后多爪软体机器人维持向下收缩的状态，以利用惯性获得进一步的上升距离，实现在液体环境中类似水母的仿生运动。

在一个可选的示例中，所述多爪软体机器人的磁化方式为：沿几何中心向各个爪臂延伸的方向径向磁化。

在一个可选的示例中，所述驱动控制单元通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度低于第一预设速度，以利用多爪软体机器人抓捕柔软易碎的物体；通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度大于第二预设速度，之后控制梯形波从上升沿转入平顶波，以控制多爪软体机器人聚拢后保持聚拢状态一段时间，以利用多爪软体机器人捕捉移动物体。

在一个可选的示例中，当多爪软体机器人置于液体环境中时，一个周期内，所述驱动控制单元控制梯形波从第一个上升沿、下降沿到平定波变化，之后再进行第二个上升沿，使得多爪软体机器人先由水平状态向上收缩，再变化至向下收缩并保持，之后在第二个上升沿的作用下恢复至水平状态；控制向多爪软体机器人的驱动线圈周期输入所述梯形波，以控制多爪软体机器人持续向上游动。

在一个可选的示例中，所述多爪软体机器人为：四爪磁性软体机器人或者六爪磁性软体机器人。

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)采用参数可控梯形波驱动，梯形波控制波形结构简单，参数直观，易于调控。单一梯形波驱动能够实现软体机器人聚拢、放松、划水等单独动作。通过多个梯形波的不同的参数组合，可实现磁性软体机器人的复杂运动，例如抓握细软且易碎的物体或者捕捉运动物体，以及在液体中进行仿生运动。

(2)驱动波形的参数设置范围广，精度高，可控性好，可以精确调整波形实现对驱动磁场的精确设置。所述的参数可调梯形波，幅值设置范围为-N V至+N V(N一般为5或者10)，调整精度为0.3mV以上，持续时间设置精度为1ms以上，频率设置范围为0Hz至100Hz以上，调整精度为0.1Hz以上。

(3)通过单片机控制高精度DAC产生驱动波形，经功率放大器放大后调控电流使电磁线圈产生磁场驱动，相比于传统的利用永磁体梯度力直接拖拽驱动的方式，本控制方法驱动波形可调性更高、控制精度更高，可重复性更好。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的磁性软体机器人的驱动方法流程图；

图2是本发明实施例所使用的四爪磁性软体机器人结构尺寸以及磁化方向示意图。

图3是本发明实施例所使用的六爪磁性软体机器人结构尺寸以及磁化方向示意图。

图4是本发明实施例提供的磁性软体机器人驱动装置的示意图。

图5是本发明实施例1提供的梯形波不同平顶的驱动波形以及对应控制波形下四爪软体机器人运动状况图。

图6是本发明实施例1提供的梯形波不同上升下降沿的驱动波形以及对应控制波形下四爪软体机器人运动状况图。

图7是本发明实施例2提供的游泳梯形波驱动波形以及对应控制波形下六爪软体机器人运动状况图。

图8是本发明实施例所提供的磁性软体机器人的驱动系统架构图。

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。

本发明属于磁性软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人的有效的驱动波形以及配套的驱动方法、驱动装置。该磁性软体机器人的有效的驱动波形为一种三组参数可调的梯形波。该梯形波可有效驱动不同种类的软体机器人，通过不同的组合可以实现操控四爪或六爪软体机器人实现复杂的运动模式如收缩、恢复、游泳等。该磁性软体机器人的驱动装置包括磁性软体机器人、单片机控制装置、功率放大装置和三维空间磁场发生装置。按照操作需求设计出驱动波形后，可通过上位机输入波形参数或描点输入具体波形，单片机处理后形成波形数据。波形数据经DAC调制后输出为模拟电压信号，经功率放大器放大后激励线圈产生对应驱动磁场，控制磁性软体机器人运动。

本发明提供的一种磁性软体机器人的有效的驱动波形以及配套的驱动方法、驱动装置填补了磁性软体机器人磁场驱动方面的技术空缺，同时提高了驱动磁场的响应速度，丰富了驱动磁场的种类，使得磁性软体机器人具有更多运动模式。为更加灵活，精确的驱动磁性软体机器人提供了技术基础。

图1是本发明实施例所提供的磁性软体机器人的驱动方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S101，确定驱动线圈所用的驱动波；所述驱动波为参数可调的梯形波，所述参数包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值、下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值、平顶波持续时间以及平顶波幅值；所述驱动线圈用于在预设区域产生均匀磁场，其磁场方向和强度随驱动波变化；

S102，向所述驱动线圈输入驱动波，以在预设区域内产生均匀磁场，驱动处于预设区域内的磁场软体机器人产生对应的形态变化；所述磁性软体机器人为中心对称的多爪软体机器人，其中，通过调控所述梯形波上升沿和下降沿斜率控制多爪软体机器人聚拢和放松速度，通过调控所述上升沿的终止值和下降沿终止值控制多爪软体机器人聚拢和放松的程度，通过调控平顶波的持续时间和幅值控制多爪软体机器人保持聚拢或放松的时间和程度；当所述多爪软体机器人置于液体环境时，设所述梯形波上升沿持续时间为第一时间，下降沿持续时间为第二时间，控制第一时间大于第二时间，使得多爪软体机器人向下划动液体的过程快速进行，以在液体中向上运动，向上划动液体恢复的过程缓慢进行，以在液体中向下运动，且向下运动的距离小于向上运动的距离；控制下降沿的终止值小于上升沿的起始值，使得向下划动液体后达到向下收缩状态，并控制上升沿之后进入下降沿，且在下降沿之后进入平顶波，控制平顶波的持续时间，使得向下划动液体后多爪软体机器人维持向下收缩的状态，以利用惯性获得进一步的上升距离，实现在液体环境中类似水母的仿生运动。

具体地，可通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度低于第一预设速度，以利用多爪软体机器人抓捕柔软易碎的物体；通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度大于第二预设速度，之后控制梯形波从上升沿转入平顶波，以控制多爪软体机器人聚拢后保持聚拢状态一段时间，以利用多爪软体机器人捕捉移动物体。

在一个更具体的实施例中，本发明提供了一种基于梯形波的驱动波形，该驱动波形是一种三组参数可调的梯形波。该梯形波可有效驱动不同种类的软体机器人，能够实现操控四爪或六爪软体机器人实现复杂的运动模式，如可控的抓握、状态维持和游泳等。

所述的驱动波形可设置3组参数，分别包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值；下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值；平顶波持续时间、平顶波幅值。

优先的，所述有效驱动波形，所述的参数可调梯形波，幅值设置范围为-N V至+N V(N一般为5或者10)，调整精度为0.3mV以上。

优先的，所述有效驱动波形，所述的参数可调梯形波，持续时间设置精度为1ms以上。

优先的，所述有效驱动波形，所述的参数可调梯形波，频率设置范围为0Hz至100Hz以上，调整精度为0.1Hz以上。

所述的驱动波形可通过不同的参数组设置实现操控四爪、六爪软体机器人实现复杂的运动模式。

第二方面，本发提供了一种磁性软体机器人的驱动方法，包括如下步骤：

S1、根据磁性软体机器人的操控需求，设计出对应的外部驱动磁场与梯形驱动波形参数。

S2、通过上位机输入波形参数，控制器自动计算出对应波形数据或选择描点方式输入波形数据。

S3、在交互界面上选择自动控制模式，按下按钮允许控制信号输出。

S4、波形数据经DAC调制后输出为模拟电压信号，经功率放大器放大后激励线圈产生对应驱动磁场，三维磁场合成后驱动磁性软体机器人实现目标运动模式。

S5、重复S3、S4步骤，可实现多种信号驱动，使得磁性软体机器人实现不同的运动模式。

优先地，步骤S4中DAC输出的三路控制信号为同步信号，同时输出，同时停止。

优先地，步骤S4中线圈产生的磁场以及空间中心的合成磁场均为均匀磁场。

第三方面，本发明提供了一种磁性软体机器人的驱动装置，包括：磁性软体机器人、单片机控制装置、功率放大装置和三维空间磁场发生装置。

磁性软体机器人由Ecoflex00-10聚合物与NdFeB粉末按一定质量比混合(质量比范围一般介于2:1～1:4)，固化后切割为关于中心对称的四爪或六爪软体机器人形状。磁化模式为沿着软体机器人几何中心，向外部方向延伸的径向磁化。

单片机控制装置包括：STM32主控制芯片，DAC输出模块，人机交互模块，通讯模块。

功率放大装置包括：X、Y、Z轴三台功率放大器。

三维空间磁场发生装置，由三组互相垂直的亥姆霍兹线圈组成。其中，每组亥姆霍兹线圈包括两个同轴设置的线圈，通入驱动电流后可在每组亥姆霍兹线圈的中间空间中产生可控的均匀磁场。装置一共有三组线圈，可在中心区域产生三维可控的合成磁场。

所述的磁性软体机器人被置于三维亥姆霍兹线圈的中间空间。

所述的单片机控制装置通过串口与上位机通信取得控制参数，由DAC模块输出驱动信，三路控制信号经射频连接线与三台功率放大器分别连接。

所述的功率放大装置通过三条线缆与三维空间磁场发生装置的三组亥姆霍兹线圈连接，放大后的控制信号输入激励线圈产生对应磁场，实现控制磁性软体机器人的目的。

所述的磁场发生装置可以产生上述参数可调的梯形波；

所述的磁场发生装置也可以产生频率、幅值、偏置、占空比可调的方波、频率、幅值、偏置、相位可调的正弦波或其他任意波形。

本发明公开了一种磁性软体机器人的驱动装置，包括：磁性软体机器人、单片机控制装置、功率放大装置和三维空间磁场发生装置。

所述磁性软体机器人由Ecoflex00-10聚合物与NdFeB粉末按一定质量比混合(质量比范围一般介于2:1～1:4)，固化后切割为关于中心对称的四爪或六爪软体机器人形状。磁化模式为沿着软体机器人几何中心，向四爪或六爪方向延伸的径向磁化。

具体地，如图2所示是四爪磁性软体机器人结构尺寸以及磁化方向示意图。

具体地，如图3所示是六爪磁性软体机器人结构尺寸以及磁化方向示意图。

所述单片机控制装置包括：STM32主控制芯片，DAC输出模块，人机交互模块，通讯模块。

所述功率放大装置包括：X、Y、Z轴三台功率放大器。

所述三维空间磁场发生装置，由三组互相垂直的亥姆霍兹线圈组成。其中，每组亥姆霍兹线圈包括两个同轴设置的线圈，通入驱动电流后可在每组亥姆霍兹线圈的中间空间中产生可控的均匀磁场。装置一共有三组线圈，可在中心区域产生三维可控的合成磁场。

所述的磁性软体机器人被置于三维亥姆霍兹线圈的中间空间。

所述的单片机控制装置通过串口与上位机通信取得控制参数，由DAC模块输出驱动信号，三路控制信号经射频连接线与三台功率放大器分别连接。

所述的功率放大装置通过三条线缆与三维空间磁场发生装置的三组亥姆霍兹线圈连接，放大后的控制信号输入激励线圈产生对应磁场，实现控制磁性软体机器人的目的。

具体地，如图4所示磁性软体机器人驱动装置的示意图。

该装置驱动并控制磁性软体机器人的运动时，首先根据磁性软体机器人的操控需求，设计出对应的外部驱动磁场与梯形驱动波形。然后通过上位机将设计波形的参数输入，若设计波形为梯形波、正弦波或方波，可直接输入参数，控制器自动计算出对应波形数据。若设计波形为其他波形，则选择描点方式输入波形数据。随后在交互界面上选择自动控制模式，并选择对应波形种类，按下按钮允许控制信号输出。波形数据经DAC调制后输出为模拟电压信号，经功率放大器放大后激励线圈产生对应驱动磁场，三维磁场合成后驱动磁性软体机器人实现目标运动模式。最后重复输入参数，选择波形，允许输出的步骤，可实现多种信号驱动，操控四爪或六爪软体机器人实现复杂的运动模式，如可控的抓握、状态维持和游泳等。

具体地，所述的梯形波可设置3组参数，分别包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值；下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值；平顶波持续时间、平顶波幅值。

具体地，所述参数可调梯形波，幅值设置范围为-N V至+N V(N一般为5或者10)，调整精度为0.3mV以上。

具体地，所述的参数可调梯形波，持续时间设置精度为1ms以上。

具体地，所述的参数可调梯形波，频率设置范围为0Hz至100Hz以上，调整精度为0.1Hz以上。

具体地，所述三组线圈产生的磁场以及空间中心的合成磁场均为均匀磁场。

具体地，所述DAC输出的三路控制信号为同步信号，同时输出，同时停止。

具体地，所述线圈产生的磁场以及空间中心的合成磁场均为均匀磁场。

实施例一，以参数可调的不同梯形波驱动四爪磁性软体机器人进行Z轴方向的运动进行说明。

驱动原理为：当施加均匀外部磁场时，磁软体机器人中的磁化方向会趋于和施加的磁场方向一致。

因此当我们在空间中施加均匀向上的磁场时，竖直向上的外部磁场与径向磁化的四爪软体机器人手臂之间会产生磁转矩，在磁转矩的作用下，四爪机器人的手臂会沿四爪方向收拢起来，从而形成一个收缩包裹的动作。

而传统的控制波形，比如方波控制，在驱动过程中难以控制四爪机器人的收缩速度，收缩幅度，因为其波形是阶跃式上升的，机器人会以物理结构上能达到的最快的速度收缩；比如三角波控制，虽然能够控制收缩速度，但无法形成控制其保持现有状态，总是处在收缩或释放的过程中，因此这些驱动波形极大的限制了机器人的适用领域。

我们所提出的梯形波控制，能够通过调整梯形波上升沿、下降沿的斜率来控制机器人爪臂的收缩速度，斜率越大其收缩速度越快；通过调整梯形波上升沿、下降沿的幅值来控制机器人爪臂收缩幅度，幅度越大其收缩程度越紧；通过调整梯形波平顶波的时间和幅值来控制机器人保持收紧的时间和程度。因此梯形波驱动扩展了四爪机器人使用空间，比如降低收紧的速度和幅度来抓捕一些柔软易碎的物体，加快收紧的速度并保持收紧的状态来捕捉一些移动的物体等等，这些都是常规驱动波形所做不到的。实验的具体参数与结果如下：

具体地，步骤一设计两种不同平顶持续时间的梯形波。波形A的上升、下降沿持续时间均为1s，峰值为5V，平顶持续时间为4s；波形B的上升、下降沿持续时间均为1s，峰值为5V，平顶持续时间为1s，具体波形如图5所示。

具体地，步骤二是将Z轴波形通过上位机输入，经单片机接收并处理后，储存在单片机内。

具体地，步骤三是按下按钮，允许DAC输出三轴控制波形到功率放大器。波形经功率放大器放大后激励线圈产生对应驱动磁场。

具体地，可观察到四爪磁性软体机器人在驱动波形A作用下沿Z轴方向聚拢过程较快，聚拢状态持续4s后快速放松；在驱动波形B作用下沿Z轴方向聚拢过程较快，聚拢状态只持续1s后快速放松，如图5所示。符合驱动波形A与驱动波形B上升、下降沿持续时间相同，平顶时间相差3s的情况。

具体地，步骤一设计两种不同上升、下降沿持续时间的梯形波。波形B的上升、下降沿持续时间均为1s，峰值为5V，平顶持续时间为1s，波形C的上升、下降沿持续时间均为4s，峰值为5V，平顶持续时间为1s；具体波形如图5所示。

相应地，重复步骤二和步骤三可建立新波形下的驱动磁场。

具体地，可观察到四爪磁性软体机器人在驱动波形B作用下沿Z轴方向聚拢过程较快，聚拢状态持续1s后快速放松；在驱动波形C作用下沿Z轴方向缓慢聚拢，聚拢状态持续1s后缓慢放松，如图6所示。符合驱动波形A与驱动波形B上升、下降沿持续时间相差3s，平顶时间相同的情况。

实施例二，以参数可调的游泳梯形波驱动六爪磁性软体机器人进行游泳运动进行说明。

驱动原理与实验一相同，当施加均匀外部磁场时，磁软体机器人中的磁化方向会趋于和施加的磁场方向一致。

因此当施加的外部磁场向上时，六爪磁性软体机器人的爪臂会向上收拢，施加的外部磁场向下时，爪臂会向下收拢，通过控制Z轴磁场上下方向的交变，实现爪臂的上下摆动。参考自然界中水母幼体的触手摆动运动过程，仿生设计相应运动过程与驱动波形。具体的运动过程为：机器人先缓慢的向上收拢，为接下来的划水过程提供更多的运动距离，然后臂爪快速的向下划动提供向上的供动力，然后保持向上收紧的状态依靠惯性运动一段时间，最后回到开始时缓慢向上聚拢的过程。

而常规的驱动波形，如正弦波、方波等，难以实现这种仿生的驱动，在实验中，机器人总是沉在容器的底部。因为这些驱动波形总是对称的驱动，磁软体机器人在向下划水的过程中获得多少向上的动力，对称的向上抬臂过程就会提供多少向上的阻力，而软体机器人的密度差与水很大(0.6g/cm³)，因此在缺乏足够动力的情况下，总是会被重力牢牢的抓在容器底部。

我们所提出的梯形波控制，能够通过控制上升、下降沿和平顶波的持续时间，减小下降沿的时间使得往下划水的过程快速进行，增大上升沿的时间往上恢复的过程缓慢进行，并且施加合适的平顶波时间，使得机器人在划水后维持向下收缩的状态，最大利用惯性来获得更大的上升距离。在实验中，六爪磁软体机器人在梯形波的驱动下，能够实现类似水母的仿生运动，在高密度差的情况下，灵活的在水中运动。实验的具体参数与结果如下：

具体地，步骤一设计一种游泳梯形波。波形的第一个上升沿起始值为0V，终止值为5V，持续时间为0.2s，下降沿为从5V到-5V尽可能快的下降，为一条直线，持续时间为0s，平顶部分幅值为-5V，持续时间为0.05s，第二个上升沿起始值为-5V，终止值为0V，持续时间为0.25s。整个波形的周期为0.5s，具体波形如图7所示。

具体地，步骤二是将Z轴波形通过上位机输入，经单片机接收并处理后，储存在单片机内。

具体地，步骤三是按下按钮，允许DAC输出三轴控制波形到功率放大器。波形经功率放大器放大后激励线圈产生对应驱动磁场。

具体地，可观察到六爪磁性软体机器人在梯形驱动波形作用下，在水中如水母一般游动上升，如图7所示。在0-0.2s时，驱动波形位于第一个上升沿，磁软体机器人从水平状态缓慢收缩为向上聚拢状态，为即将进行的拍打划水过程提供更长的有效运动路径。在0.2s时，驱动波形经历快速下降从，此时磁软体机器人响应波形的变化，从向上聚拢快速变为向下聚拢。在这个过程中，经过设计的磁软体水母手臂向下划动液体，在反作用力的作用下，整个软体机器人上升运动。在0.2-0.25s时，驱动波形位于平顶波处，此时磁软体机器人保持向下聚拢的状态，在惯性的作用下，以较小的流体阻力继续上升。在0.25-0.5s时，驱动波形位于第二个上升沿，磁软体机器人由向下聚拢状态缓慢转变为水平状态，回到初始位置准备下一次运动。

图8是本发明实施例所提供的磁性软体机器人的驱动系统架构图，如图8所示，包括：

驱动波确定单元810，用于确定驱动线圈所用的驱动波；所述驱动波为参数可调的梯形波，所述参数包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值、下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值、平顶波持续时间以及平顶波幅值；所述驱动线圈用于在预设区域产生均匀磁场，其磁场方向和强度随驱动波变化；

驱动控制单元820，用于向所述驱动线圈输入驱动波，以在预设区域内产生均匀磁场，驱动处于预设区域内的磁场软体机器人产生对应的形态变化；所述磁性软体机器人为中心对称的多爪软体机器人，其中，通过调控所述梯形波上升沿和下降沿斜率控制多爪软体机器人聚拢和放松速度，通过调控所述上升沿的终止值和下降沿终止值控制多爪软体机器人聚拢和放松的程度，通过调控平顶波的持续时间和幅值控制多爪软体机器人保持聚拢或放松的时间和程度；当所述多爪软体机器人置于液体环境时，设所述梯形波上升沿持续时间为第一时间，下降沿持续时间为第二时间，控制第一时间大于第二时间，使得多爪软体机器人向下划动液体的过程快速进行，以在液体中向上运动，向上划动液体恢复的过程缓慢进行，以在液体中向下运动，且向下运动的距离小于向上运动的距离；控制下降沿的终止值小于上升沿的起始值，使得向下划动液体后达到向下收缩状态，并控制上升沿之后进入下降沿，且在下降沿之后进入平顶波，控制平顶波的持续时间，使得向下划动液体后多爪软体机器人维持向下收缩的状态，以利用惯性获得进一步的上升距离，实现在液体环境中类似水母的仿生运动。

需要说明的是，图8中各个单元的详细功能实现可参见前述方法实施例中的介绍，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)

1.一种磁性软体机器人的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定驱动线圈所用的驱动波；所述驱动波为参数可调的梯形波，所述参数包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值、下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值、平顶波持续时间以及平顶波幅值；所述驱动线圈用于在预设区域产生均匀磁场，其磁场方向和强度随驱动波变化；

向所述驱动线圈输入驱动波，以在预设区域内产生均匀磁场，驱动处于预设区域内的磁场软体机器人产生对应的形态变化；所述磁性软体机器人为中心对称的多爪软体机器人，其中，通过调控所述梯形波上升沿和下降沿斜率控制多爪软体机器人聚拢和放松速度，通过调控所述上升沿的终止值和下降沿终止值控制多爪软体机器人聚拢和放松的程度，通过调控平顶波的持续时间和幅值控制多爪软体机器人保持聚拢或放松的时间和程度；当所述多爪软体机器人置于液体环境时，设所述梯形波上升沿持续时间为第一时间，下降沿持续时间为第二时间，控制第一时间大于第二时间，使得多爪软体机器人向下划动液体的过程快速进行，以在液体中向上运动，向上划动液体恢复的过程缓慢进行，以在液体中向下运动，且向下运动的距离小于向上运动的距离；控制下降沿的终止值小于上升沿的起始值，使得向下划动液体后达到向下收缩状态，并控制上升沿之后进入下降沿，且在下降沿之后进入平顶波，控制平顶波的持续时间，使得向下划动液体后多爪软体机器人维持向下收缩的状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多爪软体机器人的磁化方式为：沿几何中心向各个爪臂延伸的方向径向磁化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度低于第一预设速度，以利用多爪软体机器人抓捕柔软易碎的物体；通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度大于第二预设速度，之后控制梯形波从上升沿转入平顶波，以控制多爪软体机器人聚拢后保持聚拢状态一段时间，以利用多爪软体机器人捕捉移动物体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当多爪软体机器人置于液体环境中时，一个周期内，控制梯形波从第一个上升沿、下降沿到平定波变化，之后再进行第二个上升沿，使得多爪软体机器人先由水平状态向上收缩，再变化至向下收缩并保持，之后在第二个上升沿的作用下恢复至水平状态；控制向多爪软体机器人的驱动线圈周期输入所述梯形波，以控制多爪软体机器人持续向上游动。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述多爪软体机器人为：四爪磁性软体机器人或者六爪磁性软体机器人。

6.一种磁性软体机器人的驱动装置，其特征在于，包括：

驱动波确定单元，用于确定驱动线圈所用的驱动波；所述驱动波为参数可调的梯形波，所述参数包括：上升沿持续时间、上升沿起始值、上升沿终止值、下降沿持续时间、下降沿起始值、下降沿终止值、平顶波持续时间以及平顶波幅值；所述驱动线圈用于在预设区域产生均匀磁场，其磁场方向和强度随驱动波变化；

驱动控制单元，用于向所述驱动线圈输入驱动波，以在预设区域内产生均匀磁场，驱动处于预设区域内的磁场软体机器人产生对应的形态变化；所述磁性软体机器人为中心对称的多爪软体机器人，其中，通过调控所述梯形波上升沿和下降沿斜率控制多爪软体机器人聚拢和放松速度，通过调控所述上升沿的终止值和下降沿终止值控制多爪软体机器人聚拢和放松的程度，通过调控平顶波的持续时间和幅值控制多爪软体机器人保持聚拢或放松的时间和程度；当所述多爪软体机器人置于液体环境时，设所述梯形波上升沿持续时间为第一时间，下降沿持续时间为第二时间，控制第一时间大于第二时间，使得多爪软体机器人向下划动液体的过程快速进行，以在液体中向上运动，向上划动液体恢复的过程缓慢进行，以在液体中向下运动，且向下运动的距离小于向上运动的距离；控制下降沿的终止值小于上升沿的起始值，使得向下划动液体后达到向下收缩状态，并控制上升沿之后进入下降沿，且在下降沿之后进入平顶波，控制平顶波的持续时间，使得向下划动液体后多爪软体机器人维持向下收缩的状态。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多爪软体机器人的磁化方式为：沿几何中心向各个爪臂延伸的方向径向磁化。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述驱动控制单元通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度低于第一预设速度，以利用多爪软体机器人抓捕柔软易碎的物体；通过控制梯形波上升沿的斜率，使得所述多爪软体机器人聚拢的速度大于第二预设速度，之后控制梯形波从上升沿转入平顶波，以控制多爪软体机器人聚拢后保持聚拢状态一段时间，以利用多爪软体机器人捕捉移动物体。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当多爪软体机器人置于液体环境中时，一个周期内，所述驱动控制单元控制梯形波从第一个上升沿、下降沿到平定波变化，之后再进行第二个上升沿，使得多爪软体机器人先由水平状态向上收缩，再变化至向下收缩并保持，之后在第二个上升沿的作用下恢复至水平状态；控制向多爪软体机器人的驱动线圈周期输入所述梯形波，以控制多爪软体机器人持续向上游动。

10.根据权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述多爪软体机器人为：四爪磁性软体机器人或者六爪磁性软体机器人。

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