【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人领域，涉及一种磁驱动管道爬行软体机器人及使用方法。
技术介绍
1、人体内存在大量的自然管道系统，如血管、气管、肠道等，它们负责输送血液、氧气和营养物质等，维持人体生命活动正常进行。管道组织发生病变将直接威胁人体生命健康，因此，管道健康一直是关注的热点问题。由于人体管道是柔软的且环境比较复杂，对健康监测和诊疗提出了挑战。管道软体机器人由软材料组成，具有良好的环境适应性，在人体自然腔道内移动时，可在微创或无创的条件下辅助管道检查和治疗，在人体健康监测和诊疗方面具有重要的应用价值。
2、磁驱动软体机器人是一类重要的管道爬行软体机器人。专利技术专利一种流体管道中爬行的软体机器人及其设计方法(zl202111434936.1)利用点阵结构设计了可在流体管道内爬行的软体机器人，为人体内血管等管道健康机器人设计提供了新的思路。但是该专利技术设计的机器人采用气压或液压的方式进行驱动，爬行过程中需要通过气管等与气压或液压调节装置进行连接。对于管路形状复杂且长度偏长的管道，拖着长长的气管等爬行会限制机器人的爬行能力和活动范围，严重影响机器人在血管等人体管道内执行检测和维护任务的能力。磁驱动软体机器人由磁弹性体组成，在变化的外部磁场驱动下，机器人能够以不同模态在不同的场景内无拖线移动。与压力等激励驱动的软体机器人相比，磁驱动软体机器人在爬行过程中不用考虑气管、导线等限制。另外，磁场也可以透过人体对磁弹性体组成的软体机器人进行无线控制。因此，提供一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人对流体管道内爬行的点阵软体机器人(zl20
技术实现思路
1、针对现有流体管道中爬行的点阵软体机器人(zl202111434936.1)不能实现无拖线爬行的缺点，本专利技术提供一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，由多个磁弹性体组成的点阵结构组成，在变化的外磁场驱动下，各部分点阵结构产生不同的变形行为和摩擦力，机器人在人体自然管道内无拖线爬行。
2、为了实现上述目标，本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人可在人体自然管道内无拖线爬行移动。所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人包括前锚定部件1、后锚定部件2、磁性弹簧3、前连接环13、后连接环14、前约束环15、后约束环16和磁场发生器20。所述的前锚定部件1和后锚定部件2位于磁性弹簧3的两侧，前锚定部件1的尾部通过前连接环13与磁性弹簧3相连，后锚定部件2的头部通过后连接环14与磁性弹簧3相连。所述的前约束环15与前锚定部件1的头部相连，后约束环16与后锚定部件2的尾部相连，所述的前约束环15用于约束前锚定部件1在磁场驱动下的端部变形，所述的后约束环16用于约束后锚定部件2在磁场驱动下的端部变形。所述的前锚定部件1、后锚定部件2、磁性弹簧3均是由带有磁性的软材料组成的一体化壳点阵结构，当被放置在磁场发生器20产生的磁场空间内时，磁场发生器20产生的磁场可驱动其产生主动变形。
4、所述的前锚定部件1是由带有磁性的软材料组成的一体化壳点阵结构，由单胞a4组成的周期性平板结构a10弯曲组成。在轴向拉伸和压缩载荷作用下，所述的前锚定部件1可以分别产生环向膨胀和环向收缩变形。在磁场发生器20产生的轴向磁场驱动下，环向还可以产生主动的膨胀或收缩变形。
5、所述的后锚定部件2是由带有磁性的软材料组成的一体化壳点阵结构，由单胞b5组成的周期性平板结构b11弯曲组成。在轴向拉伸和压缩载荷作用下，所述的后锚定部件2可以分别产生环向收缩和环向膨胀变形。在磁场发生器20产生的轴向磁场驱动下，环向还可以产生主动的膨胀或收缩变形。
6、所述的磁性弹簧3是由带有磁性的软材料组成的一体化壳点阵结构，由单胞c6组成的周期性平板结构c12弯曲组成。在磁场发生器20产生的轴向磁场驱动下，磁性弹簧3可以产生主动的轴向伸缩变形。在轴向变形过程中，磁性弹簧3的环向基本不变形。
7、所述的磁场发生器20是亥姆霍兹线圈、电磁铁或永磁体等，用于产生驱动磁场，驱动前锚定部件1、后锚定部件2和磁性弹簧3。
8、进一步的，所述的单胞a4由一个多杆件结构a7和由该多杆件结构a7沿平面a30镜像得到的另一个多杆件结构组成。所述的多杆件结构a7由一个横杆杆件a31、一个横杆杆件b33、一个横杆杆件c35、一个斜杆杆件a32、一个斜杆杆件b34组成：所述的横杆杆件a31、斜杆杆件a32、横杆杆件b33、斜杆杆件b34、横杆杆件c35从上到下依次连接，且斜杆杆件a32、斜杆杆件b34关于横杆杆件b33对称，与横杆杆件b33的同一端相连，横杆杆件a31、横杆杆件b33与横杆杆件c35之间互相平行。所述的斜杆杆件a32的磁化方向a36与杆件轴向平行，从与横杆杆件a31相连的一端指向与横杆杆件b33相连的一端。所述的斜杆杆件b34的磁化方向b37与杆件轴向方向平行，从与横杆杆件b33相连的一端指向与横杆杆件c35相连的一端。
9、进一步的，所述的单胞b5由一个多杆件结构b8和由该多杆件结构b8沿平面b50镜像得到的另一个多杆件结构组成。所述的多杆件结构b8由一个横杆杆件d51、一个横杆杆件e53、一个横杆杆件f55、一个斜杆杆件c52、一个斜杆杆件d54组成：所述的横杆杆件d51、斜杆杆件c52、斜杆杆件d54、横杆杆件f55从上到下依次连接，斜杆杆件c52、斜杆杆件d54关于横杆杆件e53对称，且与横杆杆件e53的同一端相连，横杆杆件d51、横杆杆件e53、横杆杆件f55之间互相平行。所述的斜杆杆件c52的磁化方向c56与杆件轴向平行，从与横杆杆件d51相连的一端指向与横杆杆件e53相连的一端。所述的斜杆杆件d54的磁化方向d57与杆件轴向方向平行，从与横杆杆件e53相连的一端指向与横杆杆件f55相连的一端。
10、进一步的，所述的单胞c6由一个多杆件结构c9和由该多杆件结构c9沿平面c70镜像得到的另一个多杆件结构组成。所述的多杆件结构c9由一个横杆杆件g71、一个横杆杆件h74、一个横杆杆件i75、一个横杆杆件j76、一个斜杆杆件e72、一个斜杆杆件f73组成：横杆杆件g71、斜杆杆件e72、斜杆杆件f73、横杆杆件h74依次相连。横杆杆件g71与横杆杆件i75平行，且与斜杆杆件e72的同一端相连。横杆杆件h74与横杆杆件j76平行，且与斜杆杆件f73的同一端相连。所述的斜杆杆件e72的磁化方向e77与杆件轴向平行，从与斜杆杆件f73相连的一端指向与横杆杆件g71相连的一端。所述的斜杆杆件f73的磁化方向f78与杆件轴向方向平行，从与横杆杆件h74相连的一端指向与斜杆杆件e72相连的一端。
11、进一步的，所述的前锚定部件1、后锚定部件2和磁性弹簧3可选用含有硬磁(钕铁硼等)颗粒的软材料(pdms、ecoflex等)制造。针对所述的材料，所述的前锚定部件1、后锚定部件2和磁性弹簧3可通过铸造、激光切割或3d本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于，所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人可在人体自然管道内无拖线爬行移动；所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人包括前锚定部件(1)、后锚定部件(2)、磁性弹簧(3)、前连接环(13)、后连接环(14)、前约束环(15)、后约束环(16)和磁场发生器(20)；所述的前锚定部件(1)和后锚定部件(2)位于磁性弹簧(3)的两侧，前锚定部件(1)的尾部通过前连接环(13)与磁性弹簧(3)相连，后锚定部件(2)的头部通过后连接环(14)与磁性弹簧(3)相连；所述的前约束环(15)与前锚定部件(1)的头部相连，后约束环(16)与后锚定部件(2)的尾部相连，所述的前约束环(15)用于约束前锚定部件(1)在磁场驱动下的端部变形，所述的后约束环(16)用于约束后锚定部件(2)在磁场驱动下的端部变形；所述的前锚定部件(1)、后锚定部件(2)、磁性弹簧(3)均是由带有磁性的软材料组成的一体化壳点阵结构，当被放置在磁场发生器(20)产生的磁场空间内时，磁场发生器(20)产生的磁场可驱动其产生主动变形。
2.根据权利要求1所述的一种磁驱动壳点阵管
3.根据权利要求2所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于：所述的前锚定部件(1)、后锚定部件(2)和磁性弹簧(3)选用含有硬磁颗粒的软材料制造而成；所述的前锚定部件(1)、后锚定部件(2)和磁性弹簧(3)的磁性利用强磁场进行充磁得到。
5.一种权利要求1-4任一所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，所述的步骤S2中，组成前锚定部件(1)的单胞A(4)中带有磁性的斜杆杆件A(32)和斜杆杆件B(34)在磁矩的作用下发生偏转，杆件的轴向方向趋向于垂直于磁场方向，前锚定部件(1)产生主动的环向收缩变形；组成后锚定部件(2)的单胞B(5)中带有磁性的斜杆杆件C(52)和斜杆杆件D(54)在磁矩的作用下发生偏转，杆件的轴向方向趋向于垂直于磁场方向，后锚定部件(2)产生主动的环向膨胀变形；前锚定部件(1)由于环向收缩与管道内壁间的接触压力减小，最大静摩擦力变小；相对地，后锚定部件(2)由于环向膨胀，与管道内壁接触压力增大，最大静摩擦力变大；当前锚定部件(1)与管道内壁之间的最大静摩擦力小于后锚定部件(2)与管道内壁之间的最大静摩擦力，且小于磁性弹簧(3)所产生的轴向压力时，后锚定部件(2)锚定在管道内，前锚定部件(1)随磁性弹簧(3)的伸长而向前滑动。
7.根据权利要求5所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，所述的步骤S3中，组成前锚定部件(1)的单胞A(4)中带有磁性的斜杆杆件A(32)和斜杆杆件B(34)在磁矩的作用下发生偏转，杆件的轴向方向趋向于平行于磁场方向，前锚定部件(1)产生主动的环向膨胀变形；组成后锚定部件(2)的单胞B(5)中带有磁性的斜杆杆件C(52)和斜杆杆件D(54)在磁矩的作用下发生偏转，杆件的轴向方向趋向于平行于磁场方向，后锚定部件(2)产生主动的环向收缩变形；后锚定部件(2)由于环向收缩与管道内壁间的接触压力减小，最大静摩擦力变小；相对地，前锚定部件(1)由于环向膨胀，与管道内壁接触压力增大，最大静摩擦力变大；当后锚定部件(2)与管道内壁之间的最大静摩擦力小于前锚定部件(1)与管道内壁之间的最大静摩擦力，且小于磁性弹簧(3)产生的轴向拉力时，前锚定部件(1)锚定在管道内，后锚定部件(2)随磁性弹簧(3)的收缩而向前滑动。
8.根据权利要求5所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人是中空壳体结构，在管道内爬行时允许流体流通。
9.根据权利要求5所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，磁驱动管道爬行软体机器人可以携带微型摄像头、激光器、针头、药物胶囊或其他功能部件，完成对应的检测和维护任务。
...【技术特征摘要】
1.一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于，所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人可在人体自然管道内无拖线爬行移动；所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人包括前锚定部件(1)、后锚定部件(2)、磁性弹簧(3)、前连接环(13)、后连接环(14)、前约束环(15)、后约束环(16)和磁场发生器(20)；所述的前锚定部件(1)和后锚定部件(2)位于磁性弹簧(3)的两侧，前锚定部件(1)的尾部通过前连接环(13)与磁性弹簧(3)相连，后锚定部件(2)的头部通过后连接环(14)与磁性弹簧(3)相连；所述的前约束环(15)与前锚定部件(1)的头部相连，后约束环(16)与后锚定部件(2)的尾部相连，所述的前约束环(15)用于约束前锚定部件(1)在磁场驱动下的端部变形，所述的后约束环(16)用于约束后锚定部件(2)在磁场驱动下的端部变形；所述的前锚定部件(1)、后锚定部件(2)、磁性弹簧(3)均是由带有磁性的软材料组成的一体化壳点阵结构，当被放置在磁场发生器(20)产生的磁场空间内时，磁场发生器(20)产生的磁场可驱动其产生主动变形。
2.根据权利要求1所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人，其特征在于：所述的前锚定部件(1)、后锚定部件(2)和磁性弹簧(3)选用含有硬磁颗粒的软材料制造而成；所述的前锚定部件(1)、后锚定部件(2)和磁性弹簧(3)的磁性利用强磁场进行充磁得到。
5.一种权利要求1-4任一所述的磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种磁驱动壳点阵管道爬行软体机器人的使用方法，其特征在于，所述的步骤s2中，组成前锚定部件(1)的单胞a(4)中带有磁性的斜杆杆件a(32)和斜杆杆件b(34)在磁矩的作用下发生偏转，杆件的轴向方向趋向于垂直于磁场方向，前锚定部件(1)产生主动的环向收缩变形；...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜儒晗，王毅强，郭迪，亢战，徐浩淼，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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