CN115464627B - 磁驱式微型软体机器人、双螺旋机器人组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁驱式微型软体机器人、双螺旋机器人组及其控制方法，磁驱式微型软体机器人包括微型软体机器人本体和驱动装置，微型软体机器人本体包括螺旋磁流层、水凝胶层和粘接在的螺旋磁流层和水凝胶层之间的PDMS层；微型软体机器人本体构造有一定锥度，微型软体机器人本体底部连接磁性缓冲套环；螺旋磁流层内部镶嵌经过磁化的纳米线，纳米线呈螺旋状分布。本发明提供的磁驱式微型软体机器人，体积小且重量轻，控制方式方便简单，通过简单的磁场变换即可实现运动方向控制、旋转控制、分离闭合控制等从而实现多种功能，可应用于工业、医学等较为复杂的场合，如机器人手术、靶向供药、胃肠道检查、清理牙齿表面生物膜、极端环境的探查等。

Description

磁驱式微型软体机器人、双螺旋机器人组及其控制方法

技术领域

本发明属于微型软体机器人技术领域，特别涉及磁驱式微型软体机器人、双螺旋机器人组及其控制方法。

背景技术

在机器人的世界中，有一类特别小，甚至只有纳米级，但非常灵活的微型机器人。微型软体机器人是一种新型柔软性结构的微小型机器人，能够满足各种各样的非结构化环境的需要，在与人类进行交互过程中也有非常高的安全性和生物适应性。机器人本体利用柔软的胶制材料制作，制作过程中一般使用的是杨氏模量低于人类肌肉的材料；与传统机器人电机驱动方式不同，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料；一般有介电弹性体（DE）、离子聚合物金属复合材料、形状记忆合金、形状记忆聚合物等等。微型软体机器人不仅能够在液态环境中行动自如，完成拾取和运输物体等任务，而且还可以由磁场和光驱动，具备非常高的速度、精确度和敏捷性。

现有的微型软体机器人结构复杂，不易精确控制，对工业应用还存在诸多限制和技术障碍。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种磁驱式微型软体机器人，该软体机器人具有良好的柔软度和身体顺应性，与人类有良好安全的互动性，敏捷性、敏感度好，并且能在工业和医学等许多领域实现多种不同功能的应用，具有重要的工业应用价值。

本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：磁驱式微型软体机器人，它包括：

微型软体机器人本体，所述微型软体机器人本体包括螺旋磁流层、水凝胶层和粘接在的所述螺旋磁流层和水凝胶层之间的PDMS层；所述微型软体机器人本体构造有一定锥度，所述微型软体机器人本体底部连接磁性缓冲套环；所述螺旋磁流层内部镶嵌经过磁化的纳米线，所述纳米线呈螺旋状分布；

连接在所述磁性缓冲套环上的驱动装置。

优选的，所述水凝胶层的上表面向内镶嵌若干微刺状铁粉，水凝胶层的下表面构造有微小突起，所述螺旋磁流层与所述水凝胶层之间等间距嵌设三片钴片。

优选的，所述驱动装置包括三个磁性驱动濮，三个磁性驱动濮间隔分布在所述三个钴片之间，每个所述磁性驱动濮包括两条含有不同浓度磁粉的柔性胶条和连接在两个所述柔性胶条之间的缓冲连接条，所述磁性驱动濮用于在施加不同方向的磁场后，使三个磁性驱动濮向不同方向摆动。

优选的，所述钴片与所述螺旋磁流层的表面形成不为0°和180°的夹角。

优选的，所述水凝胶层、PDMS层与螺旋磁流层由上自下分布，且所述水凝胶层与所述螺旋磁流层的厚度相同。

优选的，所述柔性胶条由AB胶制成，其内部的磁粉浓度从靠近缓冲连接条的一侧向另一侧横向递减。

优选的，所述缓冲连接条由环氧树脂制成。

本发明还提供了一种双螺旋机器人组，包括上述的两个磁驱式微型软体机器人，两个所述磁驱式微型软体机器人的磁性缓冲套环相互靠近，其中一个微型软体机器人的磁性缓冲套环内含有铷铁硼粉末，所述铷铁硼粉末分布在以每个磁性驱动濮的连接点为中心向两侧延伸的四分之一磁性缓冲套环圆周的弧长内，另一个微型软体机器人的磁性缓冲套环内镶嵌三段具有一定磁性的磁条，每段所述磁条的中心线与所述钴片的中心线重合，每段磁条的长度为磁性缓冲套环圆周的四分之一。

本发明还提供了双螺旋机器人组的控制方法，包括如下两种控制方式：

方式一，在纳米线附近施加或消除竖直磁场，使单个磁驱式微型软体机器人在竖匾状和半球状之间做变换或保持；

方式二，在磁性缓冲套环附近施加或消除水平磁场，使两个磁驱式微型软体机器人之间相互吸附或分离。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的磁驱式微型软体机器人，体积小且重量轻，控制方式方便简单，通过简单的磁场变换即可实现运动方向控制、旋转控制、分离闭合控制等从而实现多种功能。

2、本发明提供的磁驱式微型软体机器人，可应用于工业、医学等较为复杂的场合，如机器人手术、靶向供药、胃肠道检查、清理牙齿表面生物膜、极端环境的探查等。

3、本发明提供的双螺旋机器人组，由两个不完全相同的单螺旋机器人构成，可控性好，能实现多种功能如：能够向不同方位游动、通过收缩扩张进行物体运输、通过旋转捣碎清除生物膜结构等，且双螺旋机器人拥有磁驱式微型软体机器人的全部功能。

4、本发明提供的控制方法，包含至少两种控制方式，控制过程仅需施加不同方向的磁场即可，可控性好，便于实现微型软体机器人的工业应用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中微型软体机器人本体的分层结构俯视图。

图3为本发明中两种不同的磁性缓冲套环的结构示意图。

图4为本发明中磁性驱动濮的结构示意图。

图5为本发明的双螺旋机器人组的两种状态结构示意图。

图6为本发明中磁驱式微型软体机器人多方位移动状态示意图。

图7为本发明用于定点运送物体的状态示意图。

图8为本发明用于清除物体表面生物膜的状态示意图。

图9为图1中A部放大结构示意图。

上述附图中：螺旋磁流层1, 水凝胶层2, 纳米线3, 刺状铁粉4, 微小突起5, 钴片6, 铷铁硼粉末7, 磁条8, 驱动装置9, PDMS层10, 磁性缓冲套环11，水平磁场12，磁场吸引力13，竖直向上磁场一14, 竖直向下磁场一15，竖直向上磁场二16, 竖直向下磁场二17，待运送物体18，半球状第一磁驱式微型软体机器人19，半球状第二螺旋机器人20，球形双螺旋机器人组21，旋转磁场22，双螺旋机器人组23, 竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24，竖匾状第二磁驱式微型软体机器人25，微型软体机器人本体101，斜向上磁场140, 斜向下磁场141, 磁性驱动濮901，柔性胶条902,缓冲连接条903。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参考图1-图9，作为本发明的一种优选实施例，本实施例提供一种磁驱式微型软体机器人，它包括：

微型软体机器人本体101，所述微型软体机器人本体101包括螺旋磁流层1、水凝胶层2和粘接在的所述螺旋磁流层1和水凝胶层2之间的PDMS层，PDMS层10厚度可不计，其主要作用是将水凝胶层2与螺旋磁流层1通过PDMS紧密粘合在一起，共同构成一个单微型软体机器人本体101；所述微型软体机器人本体101构造有一定锥度，即微型软体机器人本体101的中心向远离驱动装置9的方向凸起，所述微型软体机器人本体101底部连接磁性缓冲套环11；所述螺旋磁流层1内部镶嵌经过磁化的纳米线3，所述纳米线3呈螺旋状分布；所述纳米线3用于在竖直磁场的作用下控制微型软体机器人本体101的形状，使其在竖匾状软体机器人和半球状软体机器人之间变换或保持，

还包括连接在所述磁性缓冲套环11上的驱动装置9。

在上述实施例中，所述驱动装置9包括三个磁性驱动濮901，三个磁性驱动濮901间隔分布在三个钴片6之间，每个所述磁性驱动濮901包括两条含有不同浓度磁粉的柔性胶条902和连接在两个所述柔性胶条902之间的缓冲连接条903，所述磁性驱动濮901用于在施加不同方向的磁场后，使三个磁性驱动濮901向不同方向摆动。驱动装置9通过底部磁性缓冲套环11与微型软体机器人本体101连接，为其提供动力，其中三个磁性驱动濮901所用材料完全相同，并且结构功能完全相同，当驱动装置9在竖直向下磁场一15、竖直向上磁场一14的作用下，三个磁性驱动濮901可向上、向下进行摆动，从而产生游动的效果，且在当磁场所加方向不同时，会产生不同的游动效果。

在一些优选实施例中，如图1、图2、图8和图9所示，所述水凝胶层2的上表面向内镶嵌若干微刺状铁粉4，刺状铁粉4呈团簇式分布在水凝胶层2内部，水凝胶层2向内分布有若干微型小泡用于包裹刺状铁粉4形成团簇式结构，刺状铁粉4在旋转磁场22作用下可以由内向外伸缩，形成刚硬突起结构，且水凝胶层2内表面有微小突起5，能增大水凝胶层2与螺旋磁流层1之间的阻力，使两者连接更加紧密；所述螺旋磁流层1与所述水凝胶层2之间等间距嵌设三片钴片6，铁粉在旋转磁场22作用下可以由内向外伸缩，形成刚硬突起结构，且水凝胶层位内表面有微小突起5，能增大水凝胶层与螺旋磁流层之间的阻力，使两者连接更加紧密。

在一些优选实施例中，所述钴片与所述螺旋磁流层的表面形成不为0°和180°的夹角，在这些实施例中，钴片6呈现顺磁性材料特征，在磁化后其磁场强度适中，由于钴片6存在一定夹角，可进一步消弱其磁场强度。

在一些优选实施例中，所述的纳米线3呈不等距式螺旋状分布，且由上到下其间距分布逐渐加宽，所述纳米线3的螺旋倾角为7°-12°，这样能更好的配合旋转磁场22的作用，控制其形态，纳米线3能在磁场作用下能控制微型软体机器人本体101的形状，使其能在竖匾状和半球状之间做来回变换或者保持，当微型软体机器人本体101由竖匾状转换为半球状时，由于压强的改变，可以用于吸附物体，当微型软体机器人本体101由半球状转换为竖匾状时可以用于物质释放。

如图1、7所示，纳米线3在竖直向上磁场二16和竖直向下磁场二17的作用下能控制微型软体机器人本体101的形状，当在竖直向上磁场二16的作用下，微型软体机器人本体101由竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24和竖匾状第二磁驱式微型软体机器人25转换为半球状第一磁驱式微型软体机器人19和半球状第二螺旋机器人20时，由于压强的改变，可以用于吸附物体，当在竖直向下磁场二17的作用下，微型软体机器人本体101由半球状第一磁驱式微型软体机器人19和半球状第二螺旋机器人20转换为竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24和竖匾状第二磁驱式微型软体机器人25时，可以用于物质释放。

在一些优选实施例中，如图1、2所示，所述水凝胶层2、PDMS层10与螺旋磁流层1由上自下分布，且所述水凝胶层2与所述螺旋磁流层1的厚度相同。

在一些优选实施例中，所述柔性胶条902由AB胶制成，其内部的磁粉浓度从靠近缓冲连接条903的一侧向另一侧横向递减；所述缓冲连接条903由环氧树脂制成，如图4所示，在这些实施例中，当在竖直向上磁场一14、竖直向下磁场一15、斜向上磁场140或者斜向下磁场141的作用下两柔性胶条902张开时，此缓冲连接条903会为其提供较大的阻尼力，避免在持续磁场力的作用下使柔性胶条902发生反转。

在这些实施例中，这样实现微型软体机器人向不同方位游动：如图6所示，将竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24置于非磁性限域环境中，在竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24竖直方向上施加一频率较低的交变磁场，此时磁场方向有两种状态，即竖直向上磁场一14,和竖直向下磁场一15，在竖直向上磁场一14的作用下磁性驱动濮901会向上运动，通过控制交变磁场的大小可控制磁性驱动濮901的运动速度，此时根据流体力学，两条含有不同浓度磁粉的柔性胶条902会以缓冲连接条903为中心靠拢，从而减少反作用力，避免竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24向下游动；在竖直向下磁场一15作用下磁性驱动濮901会向下运动，通过控制交变磁场的大小可控制磁性驱动濮901的运动速度，此时缓冲连接条903会为两条含有不同浓度磁粉的柔性胶条902提供一较大的阻尼力，避免柔性胶条902反向靠拢，根据流体力学磁性驱动濮901会对竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24产生一向上的力，从而使其向上游动。通过调制交变磁场的频率，大小和方向，即可控制微型软体机器人的游动速度和方向。

在这些实施例中，这样实现微型软体机器人定点收集运送物体：如图7和图8所示，将竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24置于待运物体18的非磁性限域环境中，按上述所示通过调空交变磁场（竖直向上磁场一14,、竖直向下磁场一15）的频率，大小和方向，从而使微型软体机器人运动到待运物体18所在的位置；当微型软体机器人运动到待运物体18所在的位置后，关闭交变磁场，此时外部施加一竖直向上磁场二16, 螺旋磁流层1中的纳米线3会在磁场的作用下产生一个向外扩张的力，这一扩张力会改变微型软体机器人本体101的形状，使其快速变为半球状第一磁驱式微型软体机器人19和半球状第二螺旋机器人20，根据流体力学理论，这一快速变换会使机器人内部产生一较小的压强，内外形成较大的压强差，从而将待运送物体18吸入。此时打开交变磁场，使其运送到指定位置后，关闭磁场。再外部施加一竖直向下磁场二17，螺旋磁流层1中的纳米线3会在磁场的作用下产生一个向内收缩的力，这一收缩力会改变微型软体机器人本体101的形状，使其快速变为竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24和竖匾状第二磁驱式微型软体机器人25，根据流体力学理论，这一快速变换会使机器人内部产生一较大的压强，内外形成较大的压强差，从而将待运送物体18释放。

实施例2

如图1、图3和图5所示，本发明还提供了双螺旋机器人组，包括两个上述的磁驱式微型软体机器人，两个所述磁驱式微型软体机器人的磁性缓冲套环11相互靠近，其中一个微型软体机器人的磁性缓冲套环内含有铷铁硼粉末7，所述铷铁硼粉末7分布在以每个磁性驱动濮的连接点为中心向两侧延伸的四分之一磁性缓冲套环圆周的弧长内，另一个微型软体机器人的磁性缓冲套环内镶嵌三段具有一定磁性的磁条8，每段所述磁条的中心线与所述钴片的中心线重合，每段磁条的长度为磁性缓冲套环圆周的四分之一，在这些实施例中，水平磁场12消失时双螺旋机器人组会自动分离为竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24和竖匾状第二磁驱式微型软体机器人25。

本实施例可以用于破坏和清除生物膜结构：如图7和图8所示，通过上述方法将竖匾状第一磁驱式微型软体机器人24和竖匾状第二磁驱式微型软体机器人25转换为半球状第一磁驱式微型软体机器人19和半球状第二螺旋机器人20，再将半球状第一微型软体机器人19与半球状第二微型软体机器人20置于需清理生物膜的非磁性限域环境中，在水平磁场的作用下，磁场吸引力13使上半部分的半球状单螺旋微型机器人19底部磁性缓冲套环11中的铷铁硼粉末7于下半部分半球状单螺旋微型机器人20底部磁性缓冲套环中11的磁条8进行匹配式连接，构成球形双螺旋机器人组21。通过施加交变磁场使磁性驱动濮901与对应钴片6向吸引联合，此时向外部施加旋转磁场，通过调控旋转磁场的频率，大小和方向，控制刺状铁粉4向外的伸长度和球形双螺旋机器人组21的旋转速度，即可通过身“长出”的刺状铁粉起到清除生物膜的功能。

实施例3

本实施例提供了实施例2中双螺旋机器人组的控制方法，主要包括如下两种控制方式：

方式一，在纳米线3附近施加或消除竖直磁场，使单个磁驱式微型软体机器人在竖匾状和半球状之间做变换或保持；

方式二，在磁性缓冲套环11附近施加或消除水平磁场，使两个磁驱式微型软体机器人之间相互吸附或分离。

本发明的描述和限定中，水平磁场是指磁场方向与磁性缓冲套环11所在的平面平行的磁场，竖直磁场是指磁场方向与磁性缓冲套环11所在的平面垂直的磁场，均非指绝对水平或者竖直。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.磁驱式微型软体机器人，其特征在于，它包括：

微型软体机器人本体，所述微型软体机器人本体包括螺旋磁流层、水凝胶层和粘接在所述螺旋磁流层和水凝胶层之间的PDMS层，所述水凝胶层的上表面向内镶嵌若干微刺状铁粉，水凝胶层的下表面构造有微小突起，所述螺旋磁流层与所述水凝胶层之间等间距嵌设三片钴片，所述微型软体机器人本体构造有一定锥度，所述微型软体机器人本体底部连接磁性缓冲套环，所述螺旋磁流层内部镶嵌经过磁化的纳米线，所述纳米线呈螺旋状分布；

和连接在所述磁性缓冲套环上的驱动装置；

所述驱动装置包括三个磁性驱动濮，三个磁性驱动濮间隔分布在所述三个钴片之间，每个所述磁性驱动濮包括两条含有不同浓度磁粉的柔性胶条和连接在两个所述柔性胶条之间的缓冲连接条，所述磁性驱动濮用于在施加不同方向的磁场后，使三个磁性驱动濮向不同方向摆动。

2.根据权利要求1所述的磁驱式微型软体机器人，其特征在于：所述纳米线呈不等距式螺旋状分布，所述纳米线的螺旋倾角为7°-12°。

3.根据权利要求1所述的磁驱式微型软体机器人，其特征在于：所述钴片与所述螺旋磁流层的表面形成不为0°和180°的夹角。

4.根据权利要求1所述的磁驱式微型软体机器人，其特征在于：所述水凝胶层、PDMS层与螺旋磁流层由上自下分布，且所述水凝胶层与所述螺旋磁流层的厚度相同。

5.根据权利要求1所述的磁驱式微型软体机器人，其特征在于：所述柔性胶条由AB胶制成，其内部的磁粉浓度从靠近缓冲连接条的一侧向另一侧横向递减。

6.根据权利要求1所述的磁驱式微型软体机器人，其特征在于：所述缓冲连接条由环氧树脂制成。

7.双螺旋机器人组，其特征在于：包括两个如权利要求1-6任意一项所述的磁驱式微型软体机器人，两个所述磁驱式微型软体机器人的磁性缓冲套环相互靠近，其中一个微型软体机器人的磁性缓冲套环内含有铷铁硼粉末，所述铷铁硼粉末分布在以每个所述磁性驱动濮的连接点为中心向两侧延伸的四分之一磁性缓冲套环圆周的弧长内，另一个微型软体机器人的磁性缓冲套环内镶嵌三段具有一定磁性的磁条，每段所述磁条的中心线与所述钴片的中心线重合，每段磁条的长度为磁性缓冲套环圆周的四分之一。

8.权利要求7所述的双螺旋机器人组的控制方法，其特征在于，包括如下两种控制方式：

方式一，在纳米线附近施加或消除竖直磁场，使单个磁驱式微型软体机器人在竖匾状和半球状之间做变换或保持；

方式二，在磁性缓冲套环附近施加或消除水平磁场，使两个磁驱式微型软体机器人之间相互吸附或分离。

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