一种双模式磁控蛇形连续体机器人及其制备和驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种双模式磁控蛇形连续体机器人及其制备和驱动方法，涉及微型机器人仿生技术领域。设计包括头部、颈部、躯干部和尾部，其中躯干部由多个磁性关节和多个柔性关节组成。整体结构采用同轴线设计，各个部分首尾相连，形成一个连续整体。在头部、磁性关节和尾部内部都含有磁性物质，并设定成不同的磁化方向，在磁场的作用下，使柔性关节逐渐弯曲，整体形成类似蛇一样的连续曲线形态。通过分析自然界中蛇类风琴运动、侧行运动两者之间共性，利用外部三维亥姆霍兹线圈产生的均匀空间磁场，使得蛇形机器人依靠静摩擦力和滑动摩擦力相结合的方式实现风琴模式和侧行模式两种运动，本发明专利技术的实现对微型机器人仿生技术领域的进一步研究有着重要意义。一步研究有着重要意义。一步研究有着重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种双模式磁控蛇形连续体机器人及其制备和驱动方法


[0001]本专利技术涉及微型机器人仿生
，特别涉及一种双模式磁控蛇形连续体机器人及其制备和驱动方法。

技术介绍

[0002]蛇形机器人是一种基于仿生学设计的机器人，它的外形和运动方式都模仿了蛇的特点，可以在狭窄、不规则的环境中进行灵活的移动和探索，且自主控制适应不同环境和任务。磁控蛇形连续体机器人是一种利用磁控技术实现运动的微型机器人，由多个连续的关节连接组成，通过内置的磁性材料和外部磁场的相互作用来控制身体的运动，具有灵活性高、适应性强、操作简单等优点。
[0003]当前的蛇形机器人研究还是集中于刚性驱动范围内，以传统的电机驱动为主，实现较大的转矩和简单的控制。由于刚性的驱动难以实现机器人的微型化，研究人员为了降低机器人的重量通常会探索新的结构、技术、材料，以实现机器人的轻量化。已公开专利申请CN202211470453.1公开了一种模块化蛇形机器人，两两机械臂模块转动连接，驱动模块和传动模块集成在机械臂模块内部，结构紧凑，在实现稳定运动前提下减少了结构尺寸。已公开专利申请CN202210520499.3公开了一种绳驱椎体结构蛇形机器人，机械臂采用柔性中心杆与椎体结构关节，多自由度、灵活性好，能够在狭小封闭环境中穿梭。已公开专利授权CN201922176268.1公开了一种电控形状记忆合金丝驱动蛇形机器人，机器人上每个关节与四根记忆合金丝相连，电控装置信号传导至记忆合金丝，然后带动关节发生动作，通过记忆合金丝驱动，减轻了机器人本身重量。
[0004]尽管目前蛇形机器人结构逐步改善，但仍存在驱动装置体积大、内部刚性机械臂单元和关节占用大空间，在一些狭小的受限空间内无法发挥优势，因此蛇形机器人未来的发展前景需要做到微型化、轻量化、柔性化、无缆化。
[0005]已公开专利申请CN202110712174.0公开了一种微型磁控机器人，机器人依次层叠设置的金属氧化物层、磁性金属层和金属有机骨架层，可以完成在狭窄环境中运载药物。已公开专利申请CN202211321049.8公开了一种磁控微型运载机器人，通过主体内部开设空腔结构进行药物装载、运输和释放。分析现有的磁控微型机器人虽然可以实现磁控运动、运输药物的功能，但仍面临着结构复杂、制作难度较大、复杂环境下运动模式单一的问题。因此对于磁控蛇形连续体机器人，通过简单的外加磁场控制、优化的内部结构设计实现多模式的运动是十分必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种能够利用外部均匀空间磁场实现风琴模式和侧行模式两种运动的磁控蛇形连续体机器人。
[0007]本专利技术的另一目的是提供一种制备上述磁控蛇形连续体机器人的制备方法。
[0008]本专利技术的再一目的是提供一种驱动上述磁控蛇形连续体机器人实现双模式运动
的驱动方法。
[0009]为此，本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种磁控蛇形连续体机器人，包括头部(1)、颈部(2)、躯干部(3)、尾部(4)；蛇形机器人结构采用同轴线设计，头部(1)、颈部(2)、躯干部(3)、尾部(4)顺次连接，形成一个连续的整体。
[0011]进一步地，所述的磁控蛇形连续体机器人躯干部(3)还包括多个磁性关节(3
‑
A1、3
‑
A2、3
‑
A3)，相邻的磁性关节通过柔性关节(3
‑
B1、3
‑
B2、3
‑
B3)连接。
[0012]进一步地，头部(1)、磁性关节(3
‑
A1、3
‑
B1、3
‑
C1)和尾部(4)在空间中具有设定的磁化方向，其中：
[0013]头部(1)的磁化方向为沿着头部(1)的横截面逆时针旋转约15
°
的方向；磁性关节(3
‑
A1)的磁化方向为沿着磁性关节(3
‑
A1)的横截面顺时针旋转约170
°
的方向；磁性关节(3
‑
A2)的磁化方向为沿着磁性关节(3
‑
A2)的横截面逆时针旋转约10
°
的方向；磁性关节(3
‑
A3)的磁化方向为沿着磁性关节(3
‑
A3)的横截面顺时针旋转约170
°
的方向；尾部(4)的磁化方向为沿着尾部(4)的横截面逆时针旋转约5
°
的方向。
[0014]进一步地，头部、磁性关节、尾部均是由道康宁硅橡胶与钕铁硼磁性颗粒按照1∶4的体积比例均匀混合，之后进行真空吸气处理，经过固化后，它们的弹性模量约为11.2MPa。颈部、弯曲关节则是使用Ecoflex0010有机硅橡胶制成，经40℃的温度下固化后弹性模量约为0.4MPa。
[0015]进一步地，磁控蛇形连续体机器人的制备方法包括头部制作、颈部制作、躯干部制作、尾部制作，其中，
[0016]头部、躯干部中的磁性关节、尾部制作方法为：量取体积比例1∶4的道康宁硅橡胶与钕铁硼磁性颗粒于烧杯中均匀混合，接着，采用真空吸气处理，之后将处理后的混合液浇注到模具中，待固化成型后，头部、磁性关节和尾部弹性模量约为11.2MPa，最后按照设定的磁化方向放置到充磁机(ME
‑
1225)中进行磁化，从而得到磁化后的头部、磁性关节和尾部，对于头部、磁性关节和尾部磁化强度均为0.3T。
[0017]颈部、躯干部中的柔性关节制作方法为：将磁化后的头部、躯干部中的磁性关节、尾部按照机器人的结构距离水平放置于机器人模具中，之后将Ecoflex0010有机硅橡胶对颈部和柔性关节位置进行填充，并在40℃的温度下固化，待Ecoflex0010有机硅橡胶固化成型后，得到的颈部、柔性关节的弹性模量约为0.4Mpa，从而完整的磁控蛇形连续体机器人结构制作完成。
[0018]进一步地，驱动磁控蛇形连续体机器人实现双模式运动的方法，具体步骤为：
[0019]通过外部三维亥姆霍兹线圈磁场发生装置，控制均匀空间磁场的方向和大小实现风琴模式和侧行模式运动，以机器人水平面作为坐标系x
‑
y平面，机器人头部自由端为坐标系原点o，选择机器人尾部指向作为x轴正方向，而垂直于水平面向上方向作为z轴正方向。
[0020]在风琴模式运动中，分为两种运动过程即收缩过程和伸展过程。收缩过程：磁场方向在xoz面内呈
‑
170
°
，磁场大小随时间线性增加到80Gs，头部自由端以静摩擦力锚定地面，另一端慢慢抬起，躯干部和尾部也同时受到磁场作用并克服滑动摩擦力往头部锚定点移动，整个身体形成了两个连续、振幅和周期大小不同的正弦波。伸展过程：调整磁场方向在xoz面内呈
‑
180
°
，即x轴负方向，使尾部以静摩擦力锚定地面，磁场大小随时间线性减小至
0Gs，头部、颈部和躯干部克服滑动摩擦力水平向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双模式磁控蛇形连续体机器人，其特征在于，包括头部(1)、颈部(2)、躯干部(3)、尾部(4)；所述的磁控蛇形连续体机器人结构采用同轴线设计，头部(1)、颈部(2)、躯干部(3)、尾部(4)顺次连接，形成一个连续的整体；所述躯干部(3)还包括多个磁性关节(3
‑
A1、3
‑
A2、3
‑
A3)，相邻的磁性关节通过柔性关节(3
‑
B1、3
‑
B2、3
‑
B3)连接。2.根据权利要求1所述的磁控蛇形连续体机器人，其特征在于，头部(1)、磁性关节(3
‑
A1、3
‑
A2、3
‑
A3)和尾部(4)在空间中具有设定的磁化方向，其中：头部(1)的磁化方向为沿着头部(1)的横截面逆时针旋转约15
°
的方向；磁性关节(3
‑
A1)的磁化方向为沿着磁性关节(3
‑
A1)的横截面顺时针旋转约170
°
的方向；磁性关节(3
‑
A2)的磁化方向为沿着磁性关节(3
‑
A2)的横截面逆时针旋转约10
°
的方向；磁性关节(3
‑
A3)的磁化方向为沿着磁性关节(3
‑
A3)的横截面顺时针旋转约170
°
的方向；尾部(4)的磁化方向为沿着尾部(4)的横截面逆时针旋转约5
°
的方向。3.根据权利要求1所述的磁控蛇形连续体机器人的制备方法，其特征在于，磁控蛇形连续体机器人的制备方法包括头部制作、颈部制作、躯干部制作、尾部制作。其中：头部、躯干部中的磁性关节、尾部制作方法为：量取体积比例1∶4的道康宁硅橡胶与钕铁硼磁性颗粒于烧杯中均匀混合，接着，采用真空吸气处理，之后将处理后的混合液浇注到模具中，待固化成型后，头部、磁性关节和尾部弹性模量约为11.2MPa，最后按照设定的磁化方向放置到充磁机(ME
‑
1225)中进行磁化，从而得到磁化后的头部、磁性关节和尾部，对于头部、磁性关节和尾部磁化强度均为0.3T。颈部、躯干部中的柔性关节制作方法为：将磁化后的头部、躯干部...

【专利技术属性】
技术研发人员：向红标，徐亚丛，孙善强，张现苗，张冕，杨璐，王收军，黄显，霍文星，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：