WO2022142050A1 - 一种磁性软体机器人的可控和可重构磁化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁性软体机器人的可控和可重构磁化系统及方法。该系统包括脉冲电源模块、上下轴对称设置的磁化线圈单元（7）以及置于上下磁化线圈单元之间的磁性软体机器人（9），通过改变上下磁化线圈单元的相对通流方向即可在相对设置的磁化线圈之间产生径向和垂直方向磁场，无需任何机械运动，从而可简单灵活地配置磁性软体机器人的内部磁化方向。
Description
本发明属于磁控软体机器人技术领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人的可控和可重构磁化系统及方法。
基于外加磁场驱动的磁性软体机器人技术由于其非接触性和强可控性等显著优势以及在生物医学和仿生学等诸多领域的潜在应用而受到了广泛的关注。
磁性软体机器人的主体材料是磁性粒子与软体材料组成的磁性复合材料，其中为了使得磁性软体机器人在较低的外加磁场下亦可产生明显的磁响应效果，磁性粒子一般采用如钕铁硼等永磁材料，经高场磁化后可以具有较强的剩余磁化强度。
在磁性软体机器人领域，一个有趣且具有挑战性的难题是如何在材料内部实现可控的磁化分布，以便其可以与外部磁场相互作用来产生丰富的形变特征和运动模式。到目前为止，主要有三种主流磁化调控方法：(1)磁化后微组装；(2)模板辅助磁化；以及(3)磁场辅助磁化粒子的重新定向。与后两种方法相比，第一种方法的缺点是组装带来的耗时长问题以及难以用于小型复杂磁化调控。第二种方法操作最简单，但是磁化方向的配置受到限制，并且要求模板随磁化特性变化而变化。第三种方法可以进一步分为基于3D打印方式和基于紫外线(UV)的方式，分别由麻省理工学院赵选贺教授课题组和加拿大多伦多大学Eric Diller教授课题组开发。他们的工作都表明，借助于外部磁场，可以有效地调节磁化粒子的局部磁化方向，从而实现具有多种分布模式的可编程磁化。但第三种方法也存在一些不足。例如，受取向磁场设备的限制，所施加的外部磁场通常不超过1T，无法确保磁化的粒子可以完全 沿着磁场方向重新定向，从而使磁性机器人的磁化强度减弱到在一定程度上。另外，由于第三种方法的磁化调控过程和软体材料硬化制备过程是同步进行的，使得材料制备完成后无法再改变其磁化特性，即难以重构。
近期，申请人所在课题组也提出了一种基于可控微型线圈阵列的磁控软体机器人磁化系统(申请号：201910557705.6)和一种基于长导线或螺线管线圈的磁性软体机器人内部磁化特性的调控装置及方法(申请号：201911010537.5)，但是前者通过在磁性软体材料内部引入高强度微型线圈，一方面对于线圈制备工艺要求高，另一方面如何保证嵌入后的线圈不影响软体材料的变形特性有待解决；后者的主要问题在于难以实现小尺度磁性软体机器人下的可控磁化。
【发明内容】
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种磁性软体机器人内部磁化特性调控系统及方法，其通过上下轴对称设置的磁化线圈单元进行磁场聚焦，并配合脉冲电流调控实现小尺度区域磁化磁场方向的产生和调控，旨在解决现有技术中磁控软体机器人磁化工艺复杂、内部磁化特性难以重构以及实施性差等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁性软体机器人内部磁化特性调控系统，包括脉冲电源模块、磁化线圈模块和磁性软体机器人；
所述脉冲电源模块用于为所述磁化线圈模块提供脉冲电流；
所述磁化线圈模块用于在所述脉冲电源模块提供的脉冲电流下产生振荡或非振荡磁场，并对所述磁性软体机器人进行非振荡式充磁或振荡式退磁；其中：
所述磁化线圈模块包括上磁化线圈单元和下磁化线圈单元，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元为上下轴对称设置，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中均包含线圈，且所述磁性软体机器人位于所述上磁化线圈单元 和下磁化线圈单元之间，且该磁性软体机器人的目标磁化区域位于所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元的磁场作用区域，上下轴对称设置的上磁化线圈单元和下磁化线圈单元用于将其线圈产生的磁场聚焦至所述磁性软体机器人目标磁化区域；
使用时，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而对所述磁性软体机器人目标磁化区域进行磁化调控。
优选地，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而控制所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向或轴向磁场；具体为：
控制所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相同时，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生轴向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成轴向磁化分布特征；控制所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相反时，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成径向磁化分布特征。
优选地，所述脉冲电源模块包括放电电容、放电开关和续流回路；
所述放电电容用于储存电能；
所述放电开关用于触发导通放电回路，使得由放电电容提供的脉冲电流能流入所述磁化线圈模块中；
所述续流回路包括续流二极管和续流电阻，用于调节电流波形。
优选地，所述线圈由导线绕制或导体切割而成，其外围设置有加固材料，该线圈用于作为放电回路负载来产生磁场。
优选地，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中均还包括集磁器，所述集磁器由良导体材料制成，所述集磁器包括上下设置、同轴且端面面积不同的两个空心柱体结构，其中第一柱体结构的端面面积小于第二柱体结构的端面面积；该集磁器还包括沿径向设置的集磁器缝隙。
优选地，所述沿径向设置的集磁器缝隙一端位于所述第一柱体结构和第二柱体结构的内壁，另一端位于所述第二柱体结构的外侧边缘。
优选地，所述下磁化线圈单元自下而上依次同轴设置有：第一支撑板、外围设置有加固层的下线圈、绝缘板、下集磁器和第二支撑板；
所述上磁化线圈单元自上而下依次同轴设置有：第一支撑板、外围设置有加固层的上线圈、绝缘板、上集磁器和第二支撑板；
所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间设置有用于对磁性软体机器人进行定位的定位板；
所述上集磁器和下集磁器结构相同，且呈上下轴对称设置；所述磁性软体机器人设置于所述上集磁器第一柱体结构端面和下集磁器的第一柱体结构端面之间，上下轴对称设置的上集磁器和下集磁器用于进一步将上线圈和下线圈产生的磁场聚焦至所述磁性软体机器人目标磁化区域；
所述上线圈和下线圈为串联设置，以确保时序的一致性。
使用时，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上线圈和下线圈的接线方式，控制所述上线圈和下线圈内的电流方向，以及所述上集磁器和下集磁器中感应出的涡流流向，进而控制所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向或轴向磁场。
优选地，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而控制所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向或轴向磁场；具体为：
控制所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相同时，所述上集磁器中感应出的涡流流向和下集磁器中感应出的涡流流向相同，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生轴向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成轴向磁化分布特征；所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相反时，所述上集磁器中感应出的涡流流向和下集磁器中感应出的涡流流向相反，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成径向磁化分布特征。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于所述的系统进行磁性软体机器人内部磁化特性调控的方法，包括如下步骤：
(1)将磁性软体机器人放置于上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间，且将该磁性软体机器人的目标磁化区域移至磁场作用区域；
(2)根据磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求来确定所述脉冲电源模块中续流回路电阻的大小；
(3)根据磁性软体机器人的目标磁化区域的磁化方向需求来选定上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的连接方式；
(4)对脉冲电源模块中的放电电容进行充电，然后触发放电开关对上磁化线圈单元和下磁化线圈单元进行放电，在磁性软体机器人目标磁化区域产生磁场以产生磁化效果。
优选地，该方法还包括步骤(5)：重复步骤(1)至步骤(4)完成所述磁性软体机器人其他目标磁化区域的磁化调控。
优选地，步骤(2)所述磁化需求包括充磁或退磁；所述脉冲电源模块中续流回路电阻的大小为0或无穷大。
优选地，步骤(3)所述连接方式包括正接或反接。
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)本发明提供的磁性软体机器人内部磁化特性调控系统，其系统构造和调控方法均比较简单。该系统包括上下轴对称设置的磁化线圈单元以及置于上下磁化单元之间的磁性软体机器人，通过改变上下磁化线圈模块的相对通流方向即可在相对设置的磁化线圈之间集磁器下方区域产生局部的径向和垂直方向磁场，无需任何机械运动，从而可简单灵活地配置磁性软体机器人的内部磁化方向，实现机器人内部的磁化特性可控。
(2)本发明优选技术方案中，在上下磁化单元中还整合有集磁器，使得本发明磁化系统磁场产生效率高，磁化能力强。本发明中的磁化系统包含两个层面的聚磁效果：一是通过采用上下轴对称设置的磁化驱动线圈系统，可以将磁场聚集在磁性软体机器人所在的中心区域；二是上下轴对称设置的集磁器可以进一步将磁场聚集在其小尺寸端面区域，也就是磁性软体机器人的目标磁化区域；因此，基于该磁化系统，可以很容易产生2T以上的脉冲强磁场条件，实现粒子的饱和充磁。
(3)本发明带集磁器的磁性软体机器人内部磁化特性调控系统可以通过调节双线圈的通流方向实现轴向和径向两种磁化模式，同时通过集磁器可以实现磁场的聚焦，一方面提高了磁场利用率，另一方面为实现局部小尺度区域磁场的精准调控提供了有效途径。本发明首次实现了粒子磁化与双向取向的同步，并将磁性软体机器人的材料制备过程与磁化过程解耦，使整个制造过程非常简单，且内部磁化分布可重构，为实现多功能磁性软体机器人提供了全新的技术途径。
(4)可实现多功能重复使用。本发明中磁化调控过程位于软体材料硬化制备过程之后，即二者相互独立，所以可根据磁化需求对先前已磁化后的磁性软体机器人进行再次调控，如可改变磁化方向分布或进行退磁等，进行磁性软体机器人的可重构磁化。
(5)易于实现跨尺度磁性软体机器人的磁化特性调控。本发明中通过集磁器来产生局部磁场，磁场作用区域与线圈尺寸关联度不大，而主要取决于集磁器，故在线圈不变的情况下，通过调节集磁器尺寸即可实现不同尺度软体机器人的磁化特性调控，使得微型软体机器人的磁化特性调控成为可能。
图1是本发明提供的磁化线圈模块的三维结构爆炸图及集磁器中的电流流向示意图；
图2是本发明提供的磁性软体机器人磁化系统的电路结构示意图；
图3是本发明提供的轴向磁化模式下的电流及磁化效果示意图：图3a为轴向磁化模式下双线圈及集磁器中的电流分布示意图；图3b为轴向磁化后样品中的粒子磁化方向示意图；
图4是本发明提供的径向磁化模式下的电流及磁化效果示意图：图4a为径向磁化模式下双线圈及集磁器中的电流分布示意图；图4b为径向磁化后样品中的粒子磁化方向示意图；
图5是本发明用于实现磁性软体机器人二维和三维变形的磁化设计、仿真及实验图；
图6是本发明基于同一磁化样品实现多类磁性软体机器人的实施示意图及实验图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种磁性软体机器人内部磁化特性调控系统，包括脉冲电源模块、磁化线圈模块和磁性软体机器人；所述脉冲电源模块用于为所述磁化线圈模块提供脉冲电流；所述磁化线圈模块用于在所述脉冲电源模块提供 的脉冲电流下产生振荡或非振荡磁场，并对所述磁性软体机器人进行非振荡式充磁或振荡式退磁；其中：所述磁化线圈模块包括上磁化线圈单元和下磁化线圈单元，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元为上下轴对称设置，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中均包含线圈，且所述磁性软体机器人位于所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间，且该磁性软体机器人的目标磁化区域位于所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元的磁场作用区域，上下轴对称设置的上磁化线圈单元和下磁化线圈单元用于将其线圈产生的磁场聚焦至所述磁性软体机器人目标磁化区域；使用时，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而对所述磁性软体机器人目标磁化区域进行磁化调控。
其中脉冲电源模块用于为包含双线圈的磁化线圈模块进行供电，通过续流开关的开断可以实现充磁或退磁功能；优选实施例中，上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中还整合有集磁器，带集磁器的磁化线圈模块可以通过调节双线圈的通流方向实现轴向和径向两种磁化模式，同时通过集磁器可以实现磁场的聚焦，一方面提高了磁场利用率，另一方面为实现局部小尺度区域磁场的精准调控提供了有效途径。本发明首次实现了粒子磁化与双向取向的同步，并将磁性软体机器人的材料制备过程与磁化过程解耦，使整个制造过程非常简单，且内部磁化分布可重构，为实现多功能磁性软体机器人提供了全新的技术途径。
一些实施例中，所述脉冲电源模块包括放电电容、放电开关和续流回路；所述放电电容用于储存电能；所述放电开关用于触发导通放电回路，使得由放电电容提供的脉冲电流能流入所述磁化线圈模块中；所述续流回路包括续流二极管和续流电阻，用于调节电流波形。其中，续流电阻较小(可低至0)时，放电电流为非振荡波形，其流入线圈后可产生非振荡磁场用于对磁性软 体机器人进行充磁；续流电阻较大(最佳值为无穷大)或续流回路断开时，放电电流为振荡波形，其流入线圈后可产生振荡磁场用于对磁性软体机器人进行退磁。
一些实施例中，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中均还包括集磁器，所述集磁器由良导体材料制成。本发明一些实施例中，集磁器包括上下设置、同轴且端面面积不同的两个空心柱体结构，其中第一柱体结构的端面面积小于第二柱体结构的端面面积；该集磁器还包括沿径向设置的集磁器缝隙。第一柱体结构的端面和第二柱体结构的端面形状不限，比如圆形、规则或不规则多边形等。优选实施例中，所述沿径向设置的集磁器缝隙一端位于所述第一柱体结构和第二柱体结构的内壁，另一端位于所述第二柱体结构的外侧边缘。一般而言，集磁器缝隙的宽度越小其集磁效果越好，本发明优选实施方式中集磁器的宽度可以设置为不大于第二柱体端面周长与第二柱体端面周长之差的1/40。集磁器的设置可以将磁场聚集在其小尺寸端面区域，也就是磁性软体机器人的目标磁化区域，在线圈不变的情况下，通过调节集磁器端面尺寸即可实现不同尺度软体机器人的磁化特性调控，使得微型软体机器人的磁化特性调控成为可能。
一些实施例中，所述下磁化线圈单元自下而上依次同轴设置有：第一支撑板、外围设置有加固层的下线圈、绝缘板、下集磁器和第二支撑板；上磁化线圈单元和下磁化线圈单元呈上下轴对称设置，因此，上磁化线圈单元自上而下依次同轴设置有：第一支撑板、外围设置有加固层的上线圈、绝缘板、上集磁器和第二支撑板。第二支撑板设置有中心孔，该中心孔用于供所述集磁器具有小端面尺寸的第一柱体结构嵌入。
一些实施例中，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中的各子部件分别通过螺母和螺杆连接固定为一个整体。
一些实施例中，所述磁性软体机器人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、TPE材料、水凝胶等)构成。
由上下磁化线圈单元中的第一支撑板、第二支撑板、绝缘板等构成的工装系统主要由非导磁导电材料(如环氧板)制成的支撑构件和螺栓构成，一方面用于将线圈和集磁器连接成一整体，另一方面用于确保在放电过程中上下驱动线圈受力后的稳定性。比如第一支撑板和第二支撑板均为环氧支撑板。
本发明还提供了一种基于所述的系统进行磁性软体机器人内部磁化特性调控的方法包括如下步骤：
(1)将磁性软体机器人放置于上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间，且将该磁性软体机器人的目标磁化区域移至磁场作用区域；
(2)根据磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求(充磁或退磁)来确定所述脉冲电源模块中续流回路电阻的大小(0或无穷大)；
(3)根据磁性软体机器人的目标磁化区域的局部磁化方向需求来选定上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的连接方式(正接或反接)；
(4)对脉冲电源模块中的放电电容进行充电，然后触发放电开关对上磁化线圈单元和下磁化线圈单元进行放电，在磁性软体机器人目标磁化区域产生磁场以产生磁化效果。
一些实施例中，还包括步骤：
(5)重复步骤(1)至步骤(4)完成所述磁性软体机器人其他目标磁化区域的磁化调控。
(6)完成磁化后，取出磁性软体机器人样品。
一些实施例中，如图1所示，所采用的磁性软体机器人内部磁化特性调控系统由上磁化线圈单元7、下磁化线圈单元(自下而上依次包括环氧支撑板即第一支撑板16、铜导体即下线圈14、加固层13、绝缘板12、下集磁器11和环氧支撑板即第二支撑板10组成)、螺杆17、螺母6和线圈鼻子15等构成。其中，上磁化线圈单元7的内部构造与下磁化线圈单元相同，整个线圈 系统通过螺母6和螺杆17固定为一整体。为了确保样品即磁性软体机器人9可以有效地置于磁场作用区，可通过设计的定位板8来进行定位。
该集磁器11包括上下设置、同轴且截面积不同的两个空心圆柱体，其中上部圆柱体截面积远小于下部圆柱体的截面积；该集磁器缝隙同时穿过上部圆柱体的纵向半截面、下部圆柱体结构的纵向半截面以及两个柱体结构共同的轴线。集磁器11的正反视角下的示意图如11a和11b所示，其工作原理是通过缝隙11c阻断具有较大截面中的电流流通11f，从而将电流引至具有较小的截面11e实现电流和磁场的聚焦。
一些实施例中，采用如图2所示的电路系统来实现磁性样品的磁化，具体包括放电电容1、本发明所述的磁性软体机器人内部磁化特性调控系统2、放电开关4、线路阻抗5(线路电阻5-1和电感5-2)、续流回路3(二极管3-1，续流电阻3-2和续流开关3-3)。放电前，闭合续流回路开关3-3，对电容1进行充电，后闭合放电开关4对磁化线圈模块2进行放电。如图3内容(a)和内容(b)所示，对于轴向磁化模式，上铜线圈的电流流向(18a和18b)和下铜线圈的电流流向(21a和21b)相同。相应的，上集磁器中感应出的涡流流向(19a和19b)和下集磁器中感应出的涡流流向(20a和20b)相同。基于上述电流流向特征，样品区域的磁场以中心区域的轴向磁场为主22，从而可使得样品中的粒子形成如23所示的轴向磁化分布特征。
一些实施例中，采用如图2所示的电路系统来实现磁性样品的磁化，具体包括放电电容1、本发明所述的磁性软体机器人内部磁化特性调控系统2、放电开关4、线路阻抗5(线路电阻5-1和电感5-2)、续流回路3(二极管3-1，续流电阻3-2和续流开关3-3)。放电前，闭合续流回路开关3-3，对电容1进行充电，后闭合放电开关4对磁化线圈模块2进行放电。如图4内容(a)和内容(b)所示，对于径向磁化模式，上铜线圈的电流流向(24a和24b)和下铜线圈的电流流向(26a和26b)相反。相应的，上集磁器中感应出的涡 流流向(25a和25b)和下集磁器中感应出的涡流流向(26a和26b)相反。基于上述电流流向特征，样品区域的磁场以径向分量为主28，从而可使得样品中的粒子形成如29所示的轴向磁化分布特征。
另一些实施例中，多类径向磁化式磁性软体机器人的实现如下：图5显示了基于本发明提供的径向磁化技术实现的多类磁性软体机器人在磁场作用下的形变特征，其中A行至F行分别代表六类磁性软体机器人类型，a列至f列分别代表磁性软体机器人初始形貌、磁化示意图、在垂直向下磁场作用下的变形实验图、在垂直向下磁场作用下的变形仿真图、在垂直向上磁场作用下的变形实验图、在垂直向上磁场作用下的变形仿真图。具体情况如下：1)图5Aa-5Af(其中图5Aa表示图5中第A行第a列，以下含义同)显示了具有单组对称径向磁化特性的条状软磁性机器人从一维条状到二维“n”和“v”形貌的转变。该类机器人可以基于所提供的磁化装置单次放电来实现。2)图5Ba-5Bf显示了具有双组对称径向磁化特性的条状软磁性机器人从一维条状到二维“m”和“w”形貌的转变。该类磁性软体机器人可以基于所提供的磁化装置以两步磁化法(依次对机器人左侧和右侧进行放电)来实现。3)图5Ca-5Cf显示了具有对称径向磁化特性的圆形软磁性机器人在磁场作用下的形貌转变特性。该类机器人可以基于所提供的磁化装置单次放电来实现。4)图5Da-5Df显示了四组对称径向磁化特性的圆环形磁性软体机器人在磁场作用下的形貌转变特性。该类磁性软体机器人可以基于所提供的磁化装置以四步磁化法(依次沿着圆环的0°、90°、180°、270°位置处进行放电)来实现。5)图5Ea-5Ef显示了单组对称径向磁化特性的四爪磁性软体机器人在磁场作用下的形貌转变特性。该类机器人可以基于所提供的磁化装置单次放电来实现。6)图5Fa-5Ff显示了单组对称径向磁化特性的六爪磁性软体机器人在磁场作用下的形貌转变特性。该类机器人可以基于所提供的磁化装置单次放电来实现。上述结果充分证明本发明提供的磁化技术可以在磁性样品内部实现丰富的磁化分布特 性，从而可用于实现多类不同磁性软体机器人功能。
另一些实施例中，基于同一磁化样品实现多类磁性软体机器人如下：图6显示如何基于本发明提供的磁化方法实现同一磁化样品下的多类磁性软体机器人。图6内容A显示了多类磁性软体机器人的制备及磁化过程。具体来说，首先制备由磁性复合软体材料构成的圆盘状样品(包括NdFeB粒子和Ecoflex00-10的混合搅拌30、混合液浇注31、样品凝固32、取样33)，然后通过简单的一步磁化方式34预先制造出具有径向磁化特性的圆盘状样品，然后可将其剪切成特定的结构(35)。图6内容B显示了所切割而成的条状机器人、三爪状机器人、圆环状机器人和六爪状机器人在垂直向上磁场作用下的变形形貌特征。图6内容C显示基于本发明提供的磁化方法可以对条状机器人36进行磁化特性重构，包括可以去掉磁性37(操作如下：放电前，断开图1中的续流回路开关3-3，对电容1进行充电，后闭合放电开关4对磁化线圈模块2进行放电，形成振荡磁场实现退磁功能)，添加轴向磁化分量38(基于图3所示的轴向磁化模式对机器人36的中心区域进行磁化，磁化磁场方向向上)，变换径向磁化分量方向39(基于图4所示的径向磁化模式对机器人36进行磁化，磁化磁场方向与原有的磁化方向相反)，调整局部磁化分量方向40(基于图3所示的轴向磁化模式对机器人36的左侧区域进行磁化，磁化磁场方向向上)。上述结果充分证明本发明提供的磁化技术操作简单、功能性强，并可以对磁性软体机器人的内部磁化特性进行重构。
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)
- 一种磁性软体机器人内部磁化特性调控系统，其特征在于，包括脉冲电源模块、磁化线圈模块和磁性软体机器人；所述脉冲电源模块用于为所述磁化线圈模块提供脉冲电流；所述磁化线圈模块用于在所述脉冲电源模块提供的脉冲电流下产生振荡或非振荡磁场，并对所述磁性软体机器人进行非振荡式充磁或振荡式退磁；其中：所述磁化线圈模块包括上磁化线圈单元和下磁化线圈单元，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元为上下轴对称设置，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中均包含线圈，且所述磁性软体机器人位于所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间，且该磁性软体机器人的目标磁化区域位于所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元的磁场作用区域，上下轴对称设置的上磁化线圈单元和下磁化线圈单元用于将其线圈产生的磁场聚焦至所述磁性软体机器人目标磁化区域；使用时，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而对所述磁性软体机器人目标磁化区域进行磁化调控。
- 如权利要求1所述的系统，其特征在于，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而控制所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向或轴向磁场；具体为：控制所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相同时，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生轴向磁 场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成轴向磁化分布特征；控制所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相反时，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成径向磁化分布特征。
- 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲电源模块包括放电电容、放电开关和续流回路；所述放电电容用于储存电能；所述放电开关用于触发导通放电回路，使得由放电电容提供的脉冲电流能流入所述磁化线圈模块中；所述续流回路包括续流二极管和续流电阻，用于调节电流波形。
- 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线圈由导线绕制或导体切割而成，其外围设置有加固材料，该线圈用于作为放电回路负载来产生磁场。
- 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中均还包括集磁器，所述集磁器由良导体材料制成，所述集磁器包括上下设置、同轴且端面面积不同的两个空心柱体结构，其中第一柱体结构的端面面积小于第二柱体结构的端面面积；该集磁器还包括沿径向设置的集磁器缝隙。
- 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述下磁化线圈单元自下而上依次同轴设置有：第一支撑板、外围设置有加固层的下线圈、绝缘板、下集磁器和第二支撑板；所述上磁化线圈单元自上而下依次同轴设置有：第一支撑板、外围设置有加固层的上线圈、绝缘板、上集磁器和第二支撑板；所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间设置有用于对磁性软体机器人进行定位的定位板；所述上集磁器和下集磁器结构相同，且呈上下轴对称设置；所述磁性软 体机器人设置于所述上集磁器第一柱体结构端面和下集磁器的第一柱体结构端面之间，上下轴对称设置的上集磁器和下集磁器用于进一步将上线圈和下线圈产生的磁场聚焦至所述磁性软体机器人目标磁化区域；所述上线圈和下线圈为串联设置，以确保时序的一致性。使用时，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上线圈和下线圈的接线方式，控制所述上线圈和下线圈内的电流方向，以及所述上集磁器和下集磁器中感应出的涡流流向，进而控制所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向或轴向磁场。
- 如权利要求6所述的系统，其特征在于，根据所述磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求设置所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的接线方式，控制所述上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈内的电流方向，进而控制所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向或轴向磁场；具体为：控制所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相同时，所述上集磁器中感应出的涡流流向和下集磁器中感应出的涡流流向相同，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生轴向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成轴向磁化分布特征；所述上磁化线圈单元中线圈的电流方向与所述下磁化线圈单元中线圈的电流方向相反时，所述上集磁器中感应出的涡流流向和下集磁器中感应出的涡流流向相反，则在所述磁性软体机器人目标磁化区域内产生径向磁场，该目标磁化区域内的磁性粒子形成径向磁化分布特征。
- 一种基于如权利要求1至7任一项所述的系统进行磁性软体机器人内部磁化特性调控的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将磁性软体机器人放置于上磁化线圈单元和下磁化线圈单元之间，且将该磁性软体机器人的目标磁化区域移至磁场作用区域；(2)根据磁性软体机器人目标磁化区域的磁化需求来确定所述脉冲电源 模块中续流回路电阻的大小；(3)根据磁性软体机器人的目标磁化区域的磁化方向需求来选定上磁化线圈单元和下磁化线圈单元中线圈的连接方式；(4)对脉冲电源模块中的放电电容进行充电，然后触发放电开关对上磁化线圈单元和下磁化线圈单元进行放电，在磁性软体机器人目标磁化区域产生磁场以产生磁化效果。
- 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述磁化需求包括充磁或退磁；所述脉冲电源模块中续流回路电阻的大小为0或无穷大。
- 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述连接方式包括正接或反接。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200027653A1 (en) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Magnetic coupling coil element and method of manufacturing the same |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| HONGBIAO XIANG, YAN LI, JIANCHENG BA, SHOUJUN WANG, XIAN HUANG, HANG XU: "Motion Characteristics of Magnetic Control Micro-soft Crawling Robot", JIXIE GONEHENG XUEBAI - CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, JIXIE GONGYE CHUBANCHE, BEIJING, CN, vol. 56, no. 17, 1 September 2020 (2020-09-01), CN , pages 39 - 47, XP055949018, ISSN: 0577-6686, DOI: 10.3901/JME.2020.17.039 * |
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