CN116691867B - 一种约束可变的磁驱动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种约束可变的磁驱动机器人，该磁驱动机器人为三层式球型壳体结构，包括内壳、中壳、外壳、支撑件、磁流体、软磁体、运动电磁铁、跳跃模块以及控制模块；中壳、外壳固定连接，中壳通过支撑件支撑内壳，内壳可绕中壳的球心转动；三块运动电磁铁均布在内壳下半球内壁，且三块运动电磁铁处于同一水平面上；磁流体设置在中壳内，软磁体设置在支撑件上，且软磁体与运动电磁铁位置对应；跳跃模块两端固定在内壳内且过内壳球心；控制模块设置在内壳中，通过控制运动电磁铁、跳跃模块通电分别实现磁驱动机器人的滚动及跳跃。本发明能够实现在复杂环境的跳动与移动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种约束可变的磁驱动机器人。
背景技术
传统的机器人设计通常基于轮式或腿部结构，适用于平坦的表面或标准的工作环境。然而，在某些场景下，如管道内、高压环境等复杂环境中，这些传统机器人往往面临着困难或无法适应的问题，无法进行高效移动。
从墨西哥跳豆的结构可以得出，内部幼虫腿紧紧抓住豆子内壁，此端作为固定端，幼虫头部猛烈撞击豆子内壁，此位置为受力端，此力使得豆子能够跳跃一定的高度；当幼虫在内部滚动时，由于豆子整体的重心发生了改变使得豆子产生滚动。
针对墨西哥跳豆的原理和结构，分析其仿生结构，开始探索基于磁驱动的新型机器人设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种约束可变的磁驱动机器人，能够实现在复杂环境的跳动与移动。
本发明采用的技术方案如下：
一种约束可变的磁驱动机器人，所述磁驱动机器人为三层式球型壳体结构，包括内壳、中壳、外壳、支撑件、磁流体、软磁体、运动电磁铁、跳跃模块以及控制模块；
所述中壳、外壳固定连接，所述中壳通过支撑件支撑内壳，内壳可绕中壳的球心转动；三块运动电磁铁均布在内壳下半球内壁，且三块运动电磁铁处于同一水平面上；所述磁流体设置在中壳内，所述软磁体设置在支撑件上，且所述软磁体与运动电磁铁位置对应；所述跳跃模块两端固定在内壳内且过内壳球心；所述控制模块设置在内壳中，通过控制运动电磁铁、跳跃模块通电分别实现磁驱动机器人的滚动及跳跃。
进一步地，所述跳跃模块包括导向柱、软磁铁冲击块及跳跃线圈；
所述导向柱两端固定在内壳内且过内壳球心，所述软磁铁冲击块、跳跃线圈位于导向柱两端，所述跳跃线圈固定在内壳上半球内壁，所述软磁铁冲击块在磁场作用下与跳跃线圈相吸，冲击内壳完成跳跃。
进一步地，通过改变跳跃模块的磁场大小使磁驱动机器人产生不同高度的跳跃。
进一步地，所述支撑件包括三个以上弧形支手，均匀分布在内壳与中壳之间；弧形支手为支杆Ⅰ与弧形支撑部一体化结构。
进一步地，所述支撑件为支杆Ⅱ与球形支撑部一体化结构，支杆Ⅱ采用三个以上，均匀分布在球形支撑部与中壳之间，球形支撑部与内壳之间设有润滑液。
有益效果：
1、本发明球型磁驱动机器人内壳与中壳由于运动电磁铁对软磁体和磁流体的吸引力而紧密贴合，改变约束，利用磁力冲击和磁流体偏移来实现跳动与移动。磁流体是一种具有高流动性和可控性的特殊液体，它可以通过磁场的作用产生推力，驱动机器人前进。这种推进方式不需要传统机器人中的传动机构，效率高，且机器人可以实现无接触运动，避免了摩擦和磨损，减少了机械故障的风险和传动损耗，球型结构抗压强度高，能够在液体、气体和其他复杂环境中自由移动，如水下、油井、管道等，这种环境适应性使得球形磁流体机器人在工业、救援、探险等领域具有广阔的应用前景。
其次，由于磁力和磁流体的可控性，可以对本发明机器人的运动进行精确控制。磁力和磁流体可以根据需要调整，使机器人能够在狭小的空间中进行高度精确的操作。这种精度优势使得本发明球型磁驱动机器人在需要精细定位和操作的任务中表现出色。
2、磁流体具有可控性和高流动性，通过改变运动电磁铁的磁场改变磁流体的位置，本发明机器人可以在任意方向上移动，并且可以自由转动，不受传统机器人的转向角度限制，这使得机器人能够在复杂的环境中灵活导航和操作。而且，通过改变跳跃模块的磁场大小可以使机器人产生不同高度的跳跃。因此本发明磁驱动机器人可以在不平坦的地面上自由移动，克服障碍物，适应各种工作场景。
3、本发明支撑件结构巧妙，运动噪音小。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明静止状态受力分析示意图。
图3为本发明运动初始状态受力分析示意图。
图4为本发明滚动开始示意图。
图5为本发明滚动过程示意图。
图6为本发明滚动结束示意图。
图7（a）、图7（b）为本发明跳跃过程示意图。
其中，1-外壳、2-中壳、3-内壳、4-弧形支手、5-软磁体、6-磁流体、7-运动电磁铁、8-软磁铁冲击块、9-导向柱、10-跳跃线圈。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种约束可变的磁驱动机器人，如图1所示，该磁驱动机器人为三层式球型壳体结构，包括内壳3、中壳2、外壳1、支撑件、磁流体6、软磁体5、运动电磁铁7、跳跃模块以及控制模块。
中壳2、外壳1固定连接，二者之间的夹层作为功能层可放置各种传感器；内壳3和中壳2采用弱约束，内壳3可绕中壳2的球心转动但不发生位置偏移，弱约束可以通过固连在中壳2上的支撑件来实现，用于支撑内壳3，支撑件包括三个以上弧形支手4，均匀分布在内壳3与中壳2之间；弧形支手4为支杆Ⅰ与弧形支撑部一体化结构。本实施例中，支撑件包括三个弧形支手4，一定量的磁流体6设置在中壳2与内壳3之间。
三块运动电磁铁7均布在内壳3下半球内壁，且三块运动电磁铁7处于同一水平面上，通过控制运动电磁铁7通电控制磁流体6的位置来改变机器人重心，通过重心改变产生的偏转力矩来实现机器人在平面上的滚动。为了防止机器人在滚动时，因内壳3中的电磁铁和中壳2中的磁流体6相互吸引造成的内壳3偏转重心偏移而产生与滚动方向相反的阻抗力矩，在弧形支撑部背部两端嵌入软磁体5，软磁体5与运动电磁铁7位置对应，当运动电磁铁7通电时，内壳3与中壳2由于运动电磁铁7对软磁体5和磁流体6的吸引力而紧密贴合，摩擦力增大，使得内壳3与中壳2在电磁铁通电的时候固连在一起，一起滚动而不产生相对转动。
在另一实施例中，支撑件也可以为支杆Ⅱ与球形支撑部一体化结构，支杆Ⅱ采用三个以上，均匀分布在球形支撑部与中壳2之间，球形支撑部与内壳3之间设有润滑液。一定量的磁流体6设置在球形支撑部与中壳2之间，软磁体5设置在球形支撑部内壁，软磁体5与运动电磁铁7位置对应，工作原理与弧形支手4的原理相同，通过球形支撑部与内壳3的紧密贴合来实现滚动。
控制模块设置在内壳3中，通过控制运动电磁铁7、跳跃模块充放电实现磁驱动机器人的滚动及跳跃。
跳跃模块包括导向柱9、软磁铁冲击块8及跳跃线圈10；导向柱9两端固定在内壳3内且过内壳3球心，软磁铁冲击块8、跳跃线圈10位于导向柱9两端，跳跃线圈10固定在内壳3上半球内壁，软磁铁冲击块8在磁场作用下与跳跃线圈10相吸，冲击内壳3完成跳跃。
平面滚动及转向原理：
磁流体6在磁场受到磁力吸引产生向磁场最强处流动偏移，基于此原理来改变球型磁驱动机器人的重心G2，来达到滚动的目的。磁驱动机器人静止处于地面时，机器人的重心G2位于球心（形心G1）的正下方，磁流体6只受到自身重力和中壳2内壁支持力的影响，此时重力和支持力大小相同方向相反，所以磁流体6上表面是水平的，而内壳3球体利用重力永远保持固定姿态，如图2所示。
内壳3内壁上分布着三块运动电磁铁7和一个跳跃线圈10，在控制模块的控制下可以产生磁场。当处于左侧的运动电磁铁7单独产生磁场时，这个磁场会对内壳3和外壳1间的磁流体6产生巨大的吸引力，原本处于水平的磁流体6受力情况发生变化，此时磁流体6除了受到自身重力和中壳2内壁的支持力外，还受到磁场的吸引力，磁流体6会朝着左侧运动电磁铁7所在之处流动，固连在中壳2上的弧形支手4上的软磁体5也受到磁场的吸引，推动弧形支手4与内壳3紧密贴合来增大内壳3、中壳2的支持力，故装有运动电磁铁7的内壳3虽也受到磁流体6和软磁体5的吸引，有相对于中壳2逆时针转动的趋势，但因内壳3、中壳2间的支持力增加，最大静摩擦增大，使内、中壳两壳一起转动而无相对滑动，改变约束，此时整个机器人的受力状态如图3所示，磁驱动机器人各结构之间状态如图4所示，磁流体6的流动偏移导致机器人的重心G2发生了偏移，此时重心G2偏向于左侧运动电磁铁7所在的方向，此时机器人整体受到自身重力G、地面支持力F、地面摩擦力f三个力的作用，重力G相对于机器人的形心G1的力臂为L，地面摩擦力分相对于机器人的形心G1的力臂为R，由受力分析得：M1=GL，M2=f R，且M1＞M2，所以机器人向左滚动，滚动过程如图5所示。滚动结束后，运动电磁铁7断电，内壳3、中壳2之间的支持力减小，故最大静摩擦减小，内壳3因自身重力方向偏移而产生顺时针旋转的力矩，内壳3相对中壳2顺时针旋转至重力在同一竖直方向上，如图6所示。基于此过程，内壳3上的控制模块控制三个运动电磁铁7可以产生不同方向的磁场，由此可以导致重心G2朝任意方向偏移，最终实现磁驱动机器人的任意方向可控滚动。
跳跃原理：
跳跃模块用于实现机器人的跳跃避障功能，如图7（a）、图7（b）所示，为磁驱动机器人（不带外壳1）的投影图，最外两层为中壳2投影。软磁铁冲击块8由软磁材料制成，能在磁场中磁化，受到磁场的作用。当机器人在执行任务过程中，通过传感器手段检测到台阶等障碍时，可以通过跳跃功能跳到台阶或者越过障碍。
原地起跳原理如下：静止状态时，跳跃模块的导向柱9处于竖直状态，首先控制跳跃线圈10通电，形成磁场，软磁铁冲击块8在磁场作用下磁化并被跳跃线圈10吸引。软磁铁冲击块8在导向柱9中竖直向上加速，并冲击跳跃线圈10。此时，在机器人这个系统中，动量守恒，整体跳起。然后控制跳跃线圈10断电，软磁铁冲击块8在重力作用下回复到导向柱9底部。
在执行任务过程中，磁驱动机器人可以实现原地起跳、运动中起跳两种含跳跃运动形式。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种约束可变的磁驱动机器人，其特征在于，所述磁驱动机器人为三层式球型壳体结构，包括内壳、中壳、外壳、支撑件、磁流体、软磁体、运动电磁铁、跳跃模块以及控制模块；
所述中壳、外壳固定连接，所述中壳通过支撑件支撑内壳，内壳可绕中壳的球心转动；三块运动电磁铁均布在内壳下半球内壁，且三块运动电磁铁处于同一水平面上；所述磁流体设置在中壳内，所述软磁体设置在支撑件上，且所述软磁体与运动电磁铁位置对应；所述跳跃模块两端固定在内壳内且过内壳球心；所述控制模块设置在内壳中，通过控制运动电磁铁、跳跃模块通电分别实现磁驱动机器人的滚动及跳跃；
所述跳跃模块包括导向柱、软磁铁冲击块及跳跃线圈；所述导向柱两端固定在内壳内且过内壳球心，所述软磁铁冲击块、跳跃线圈位于导向柱两端，所述跳跃线圈固定在内壳上半球内壁，所述软磁铁冲击块在磁场作用下与跳跃线圈相吸，冲击内壳完成跳跃。
2.如权利要求1所述的约束可变的磁驱动机器人，其特征在于，通过改变跳跃模块的磁场大小使磁驱动机器人产生不同高度的跳跃。
3.如权利要求1或2所述的约束可变的磁驱动机器人，其特征在于，所述支撑件包括三个以上弧形支手，均匀分布在内壳与中壳之间；弧形支手为支杆Ⅰ与弧形支撑部一体化结构。
4.如权利要求1或2所述的约束可变的磁驱动机器人，其特征在于，所述支撑件为支杆Ⅱ与球形支撑部一体化结构，支杆Ⅱ采用三个以上，均匀分布在球形支撑部与中壳之间，球形支撑部与内壳之间设有润滑液。
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