一种基于磁流体的两栖软体机器人的制作方法

本实用新型涉及一种机器人，特别涉及一种基于磁流体的两栖软体机器人。

背景技术：

磁流体，又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。

目前，磁流体广泛运用在医疗、发电、密封、减震等领域，但在机器人领域中研究甚少，而磁流体本身具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，能够做出超微型且拥有强大灵活性的软体机器人，磁流体在机器人领域具有很大的前景。2015年，Hernando Leon-Rodriguez等人设计了一种新型的软体微型机器人，磁流体材料的全皮肤运动，对于医学上有潜在发展前景。同年Bangxiang Chen做了球形磁流体机器人样机，能够在陆地上控制其变形、翻滚，达到驱动的目的。Zhang,T.S.等人在MEMS会议中提出了可控的“空翻”磁性软体机器人。而Tadayuki Tone等人研究了基于磁流体的软体片，能够控制其变形并运输物体，到了2018年，他们研究了铁磁流体的机器人工作液自动控制。但是上述机器人的运动均需要通过外部进行驱动，机器人的活动范围受限于电磁铁的区域大小与作用范围。

技术实现要素：

本实用新型的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种耗能低、噪音小、体积小以及隐秘性强的基于磁流体的两栖软体机器人，本实用新型通过实现电磁铁与磁流体机器人一体化结合，使得机器人能够脱离电磁铁的限制，获得更大的活动范围，能够在水陆两栖上实现快速、灵活的运动，在未来的水上、陆地侦查、勘察等方面具有良好的潜在价值。

本实用新型的第二目的在于提供另一种耗能低、噪音小、体积小以及隐秘性强的基于磁流体的两栖软体机器人，本实用新型通过实现电磁铁与磁流体机器人一体化结合，使得机器人能够脱离电磁铁的限制，获得更大的活动范围，能够在水陆两栖上实现快速、灵活的运动，在未来的水上、陆地侦查、勘察等方面具有良好的潜在价值。

本实用新型的第四目的在于提供一种上述基于磁流体的两栖软体机器人的运动控制方法。

本实用新型的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于磁流体的两栖软体机器人，包括机器人本体、空腔气囊和运动控制系统，所述空腔气囊设置在机器人本体上；所述机器人本体内部注入有磁流体；

所述运动控制系统包括控制器、电磁铁控制模块和电磁铁；所述电磁铁设置在空腔气囊内部；所述控制器的IO端口连接电磁铁控制模块的信号输入端，所述电磁铁控制模块的信号输出端连接电磁铁，控制器通过调节其输入到电磁铁控制模块的PWM信号的占空比来调节电磁铁控制模块输出到电磁铁的电压大小。

优选的，所述空腔气囊的个数为一个或多个，当所述空腔气囊的个数为多个时，所述运动控制系统中包括的电磁铁组数和空腔气囊的个数相同，各组电磁铁分别对应布置在各个空腔气囊中，各组电磁铁分别对应通过各电磁铁控制模块连接控制器。

更进一步的，所述空腔气囊的个数为四个时，四个空腔气囊正交设置在机器人本体的周围；所述运动控制系统中包括四组电磁铁，各组电磁铁分别对应布置在四个空腔气囊中，四组电磁铁分别对应通过四个电磁铁控制模块连接控制器。

优选的，所述机器人本体和空腔气囊由模具进行一体化制作得到；所述机器人本体和空腔气囊由硅胶材料制作得到。

优选的，所述电磁铁控制模块包括光电耦合器、开关管和二极管；

所述光电耦合器包括发射管和接收器，所述发射管的正极连接第一电阻后和负极作为电磁铁控制模块的信号输入端；接收器的一端通过电阻连接直流稳压电源，另一端通过第二电阻连接开关管的第一级，同时接收器的另一端通过第三电阻接地，开关管的第二极接地，开关管的第三极连接第四电阻后与连接直流稳压电源；所述二极管的正极连接开关管的第三极，负极连接直流稳压电源，将开关管的第三电极作为电磁铁控制模块的输出端连接电磁铁一电极，电磁铁的另一电极连接直流稳压电源；

所述开关管为三极管或MOS管；当开关管三极管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第开关管为PMOS管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

所述运动控制系统还包括与控制器连接的无线通信模块，控制器通过无线通信模块与上位机进行通信。

本实用新型的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于磁流体的两栖软体机器人，包括机器人本体、空腔气囊和运动控制系统，所述空腔气囊设置在机器人本体上；所述空腔气囊内部注入有磁流体；

所述运动控制系统包括控制器、电磁铁控制模块和电磁铁；所述电磁铁设置在机器人本体内部；所述控制器的IO端口连接电磁铁控制模块的信号输入端，所述电磁铁控制模块的信号输出端连接电磁铁，控制器通过调节其输入到电磁铁控制模块的PWM信号的占空比来调节电磁铁控制模块输出到电磁铁的电压大小。

优选的，所述空腔气囊的个数为一个或多个，当所述空腔气囊的个数为多个时，各空腔气囊内部均注入有磁流体；所述运动控制系统中包括的电磁铁组数和空腔气囊的个数相同，各组电磁铁分别对应布置在机器人本体内部靠近各空腔气囊的位置处；各组电磁铁分别对应通过各电磁铁控制模块连接控制器。

更进一步的，所述空腔气囊的个数为四个时，四个空腔气囊正交设置在机器人本体的周围；所述运动控制系统中包括四组电磁铁，各组电磁铁分别对应布置在机器人本体内部对应四个空腔气囊的位置处，四组电磁铁分别对应通过四个电磁铁控制模块连接控制器。

优选的，所述电磁铁控制模块包括光电耦合器、开关管和二极管；

所述光电耦合器包括发射管和接收器，所述发射管的正极连接第一电阻后和负极作为电磁铁控制模块的信号输入端；接收器的一端连接直流稳压电源，另一端通过第二电阻连接开关管的第一级，同时接收器的另一端通过第三电阻接地，开关管的第二极接地，开关管的第三极连接第四电阻后与连接直流稳压电源；所述二极管的正极连接开关管的第三极，负极连接直流稳压电源，将开关管的第三电极作为电磁铁控制模块的输出端连接电磁铁一电极，电磁铁的另一电极连接直流稳压电源；

所述开关管为三极管或MOS管；当开关管三极管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第开关管为PMOS管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

所述运动控制系统还包括与控制器连接的无线通信模块，控制器通过无线通信模块与上位机进行通信。

优选的，所述机器人本体和空腔气囊由模具进行一体化制作得到；所述机器人本体和空腔气囊由硅胶材料制作得到。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型第一目的于磁流体的两栖软体机器人，包括机器人本体、空腔气囊和运动控制系统，空腔气囊设置在机器人本体上；机器人本体内部注入有磁流体；运动控制系统包括控制器、电磁铁控制模块和电磁铁；电磁铁设置在空腔气囊内部；控制器的IO端口连接电磁铁控制模块的信号输入端，电磁铁控制模块的信号输出端连接电磁铁。在本实用新型中，控制器通过调节其输入到电磁铁控制模块的PWM信号的占空比来调节电磁铁控制模块输出到电磁铁的电压大小；电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，产生相应强度的磁场吸引机器人本体内部的磁流体；机器人本体内部的磁流体被电磁铁所产生的磁场吸引时，对机器人本体内壁产生压力，从而推动机器人本体向压力方向运动；通过上述可知，本实用新型的机器人通过实现电磁铁与磁流体机器人一体化结合，使得机器人能够脱离电磁铁的限制，获得更大的活动范围；并且由于空腔气囊能够机器人漂浮在水面上，因此本实用新型机器人能够在水陆两栖上实现快速、灵活的运动，在未来的水上、陆地侦查、勘察等方面具有良好的潜在价值，。相比传统的刚性机器人，本实用新型机器人具有耗能低、噪音小、体积小、隐密性强等优点。

(2)本实用新型第一目的基于磁流体的两栖软体机器人中，空腔气囊的个数可以为一个或多个，当空腔气囊的个数为多个时，各空腔气囊内部均设置有电磁铁，在本实用新型中，控制器可以通过各电磁铁控制模块控制各空腔气囊内部的电磁铁获取到对应大小的电压，各空腔气囊内部的电磁铁获取到相应大小的电压后，能够分别产生相应强度的磁场吸引机器人本体内部的磁流体；机器人本体内部的磁流体被各空腔气囊内部电磁铁所产生的各磁场吸引时，分别对机器人本体内壁产生各方向压力，各方向压力共同作用后驱动机器人本体朝某一方向运动。因此在本实用新型中，通过控制各电磁铁获取到的电压大小能够控制机器人本体内壁各方向所受到的压力大小，从而控制机器人所受合力的方向和大小，实现机器人朝任意方向运动的控制。

(3)本实用新型第二目的基于磁流体的两栖软体机器人中，包括机器人本体、空腔气囊和运动控制系统，空腔气囊设置在机器人本体上；空腔气囊内部注入有磁流体；运动控制系统包括控制器、电磁铁控制模块和电磁铁；电磁铁设置在机器人本体内部；控制器的IO端口连接电磁铁控制模块的信号输入端。在本实用新型中，控制器通过调节其输入到电磁铁控制模块的PWM信号的占空比来调节电磁铁控制模块输出到电磁铁的电压大小；电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，产生相应强度的磁场吸引机器人本体内部的磁流体；空腔气囊内部的磁流体被电磁铁所产生的磁场吸引时，对机器人本体外壁产生压力，从而推动机器人本体向压力方向运动；通过上述可知，本实用新型的机器人通过实现电磁铁与磁流体机器人一体化结合，使得机器人能够脱离电磁铁的限制，获得更大的活动范围；并且由于空腔气囊能够机器人漂浮在水面上，因此本实用新型机器人能够在水陆两栖上实现快速、灵活的运动，在未来的水上、陆地侦查、勘察等方面具有良好的潜在价值，相比传统的刚性机器人，本实用新型机器人具有耗能低、噪音小、体积小、隐密性强等优点。

(4)本实用新型第二目的基于磁流体的两栖软体机器人中，空腔气囊的个数可以为一个或多个，当空腔气囊的个数为多个时，各空腔气囊内部均注入有磁流体；运动控制系统中包括的电磁铁组数和空腔气囊的个数相同，各组电磁铁分别对应布置在机器人本体内部靠近各空腔气囊的位置处；各组电磁铁分别对应通过各电磁铁控制模块连接控制器。在本实用新型中，控制器可以通过各电磁铁控制模块控制机器人本体内部的各组电磁铁获取到对应大小的电压，机器人本体内部的各组电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，分别产生相应强度的磁场吸引各空腔气囊内部的磁流体；从而分别对各空腔气囊内壁产生各方向压力，进而对机器人本体外壁不同位置产生各方向的压力，各方向压力共同作用后驱动机器人本体朝某一方向运动。因此在本实用新型中，通过控制各电磁铁获取到的电压大小能够控制机器人本体外壁各方向所受到的压力大小，从而控制机器人所受合力的方向和大小，实现机器人朝任意方向运动的控制。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中两栖软体机器人主体图。

图2是本实用新型实施例1中两栖软体机器人斜视图。

图3是本实用新型实施例1中两栖软体机器人俯视图。

图4是本实用新型运动控制系统结构原理框图。

图5是本实用新型电磁铁控制模块电路原理图。

图6a和6b是本实用新型两栖软体机器人制作磨具。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种基于磁流体的两栖软体机器人，如图1至3所示，包括机器人本体1、空腔气囊2和运动控制系统，空腔气囊2设置在机器人本体1上；机器人本体1内部注入有磁流体；

本实施例中，如图4所示，运动控制系统包括控制器、电磁铁控制模块、电磁铁4和无线通信模块；电磁铁4设置在空腔气囊2内部；控制器的IO端口连接电磁铁控制模块的信号输入端，电磁铁控制模块的信号输出端连接电磁铁，控制器通过调节其输入到电磁铁控制模块的PWM信号的占空比来调节电磁铁控制模块输出到电磁铁的电压大小。在本实施例中，控制器连接无线通信模块，通过无线通信模块与上位机进行通信，控制器根据上位机发送的无线信号控制输出对应占空比PWM信号到电磁铁控制模块。无线通信模块可以是WIFI模块、蓝牙模块等，上位机可以是电脑、手机等设备。

在本实施例中，控制器可以选用Arduino、单片机、MCU等。

在本实施例中，如图5所示，电磁铁控制模块包括光电耦合器N1、开关管Q1和二极管D9；光电耦合器N1包括发射管和接收器，发射管的正极连接第一电阻R1后和负极作为电磁铁控制模块的信号输入端；接收器的一端通过电阻R9连接直流稳压电源，另一端通过第二电阻R连接开关管的第一级，同时接收器的另一端通过第三电阻R10接地，开关管的第二极接地，开关管的第三极连接第四电阻R33后与连接直流稳压电源；二极管D9的正极连接开关管的第三极，负极连接直流稳压电源，其中二极管D9并联有一个电磁保护装置，在本实施例中R41,将开关管的第三电极作为电磁铁控制模块的输出端连接电磁铁一电极，电磁铁的另一电极连接直流稳压电源；上述开关管为三极管或MOS管；当开关管三极管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第开关管为PMOS管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

在本实施例中，运动控制系统除电磁铁4以外的部分均设置在机器人外部，电磁铁4设置在空腔气囊2后，从空腔气囊2中引出导线连接机器人外部的电磁铁控制模块。当然，本实施例中，在空腔气囊2比较大的情况下，运动控制系统除电磁铁4以外的其他部分也可以直接设置在空腔气囊中，可以使得机器人更加便携。

在本实施例中，空腔气囊的个数为一个或多个。当空腔气囊的个数为多个时，各空腔气囊可以等间隔均匀的设置在机器人本体的周围，运动控制系统中包括的电磁铁组数和空腔气囊的个数相同，各组电磁铁分别对应布置在各个空腔气囊中，如图4中所示，各组电磁铁分别对应通过各电磁铁控制模块连接控制器。

如图1至3所示，本实施例中，机器人本体为扁球体形状，气囊为缸体形状。空腔气囊的个数为四个，四个空腔气囊正交设置在机器人本体的周围，每个空腔气囊占用机器人本体60°的位置，各空腔气囊之间的间隙为30°。

在本实施例中，机器人本体1和空腔气囊2由模具进行一体化制作得到，其中如图6a和6b所示，制作完成后用医用凡士林涂满每个地方，为了让机器人更好的拿出来，机器人本体1和空腔气囊2由5度医用硅胶倒模，制成两半机器人，然后在机器人本体硅胶内壁涂纳米氧化锌溶液亲水亲油氧化锌分散液涂料，由于磁流体的疏水性，该涂料使得硅胶内壁不会粘附磁流体。本实施例中，将电磁铁固定在空腔气囊内部后，用硅胶专用强力胶水HZ-740将两半机器人粘合起来，然后在外面涂一层10°的医用硅胶，增加机器人的恢复性和气密性；然后用超细针筒在机器人本体先插一个排气孔，吸取磁流体注入机器人本体部分，满了之后密封针孔；并且用针筒往空腔气囊充满气后进行密封。

本实施例中，上述基于磁流体的两栖软体机器人的运动控制过程具体如下：

控制器的IO端口输出相应占空比的PWM信号到电磁铁控制模块，由电磁铁控制模块输出相应大小的电压信号到空腔气囊内部的电磁铁；

空腔气囊内部的电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，产生相应强度的磁场吸引机器人本体内部的磁流体；

机器人本体内部的磁流体被空腔气囊内部电磁铁所产生的磁场吸引时，对机器人本体内壁产生压力，从而推动机器人本体向压力方向运动；

当控制器IO端口停止输出信号到电磁铁控制模块时，空腔气囊内部电磁铁失电，电磁铁所产生的磁场消失，机器人本体内部的磁流体作用于机器人本体内壁的压力消失，机器人本体停止运动。

本实施例中，当机器人的空腔气囊的个数为多个时，运动控制过程具体如下：

控制器的各IO端口分别输出相应占空比的PWM信号到各电磁铁控制模块，由各电磁铁控制模块输出相应大小的电压信号到各空腔气囊内部的各组电磁铁；

各空腔气囊内部的各组电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，分别产生相应强度的磁场吸引机器人本体内部的磁流体；

机器人本体内部的磁流体被各空腔气囊内部电磁铁所产生的各磁场吸引时，分别对机器人本体内壁产生各方向压力，各方向压力共同作用后驱动机器人本体朝某一方向运动。

例如，当本实施例中空腔气囊的个数为四个时，四个空腔气囊正交设置在机器人本体的周围，空腔气囊中四组电磁铁获取到电压后，能够产生对磁流体的四个方向的吸引，通过调节各组电磁铁的电压不同，可以共同驱动机器人在平面任意方向运动。

实施例2

本实施例公开了一种基于磁流体的两栖软体机器人，包括机器人本体、空腔气囊和运动控制系统，空腔气囊设置在机器人本体上；空腔气囊内部注入有磁流体。

如图4中所示，本实施例中运动控制系统和实施例1相同，包括控制器、电磁铁控制模块、电磁铁和无线通信模块。在本实施例中，电磁铁设置在机器人本体内部；控制器的IO端口连接电磁铁控制模块的信号输入端，电磁铁控制模块的信号输出端连接电磁铁，控制器通过调节其输入到电磁铁控制模块的PWM信号的占空比来调节电磁铁控制模块输出到电磁铁的电压大小。在本实施例中，控制器连接无线通信模块，通过无线通信模块与上位机进行通信，控制器根据上位机发送的无线信号控制输出对应占空比PWM信号到电磁铁控制模块。

在本实施例中，控制器可以选用Arduino、单片机、MCU等。

如图5所示，电磁铁控制模块包括光电耦合器N1、开关管Q1和二极管D9；光电耦合器N1包括发射管和接收器，发射管的正极连接第一电阻R1后和负极作为电磁铁控制模块的信号输入端；接收器的一端通过电阻R9连接直流稳压电源，另一端通过第二电阻R连接开关管的第一级，同时接收器的另一端通过第三电阻R10接地，开关管的第二极接地，开关管的第三极连接第四电阻R33后与连接直流稳压电源；二极管D9的正极连接开关管的第三极，负极连接直流稳压电源，其中二极管D9并联有一个电磁保护装置，在本实施例中R41,将开关管的第三电极作为电磁铁控制模块的输出端连接电磁铁一电极，电磁铁的另一电极连接直流稳压电源；上述开关管为三极管或MOS管；当开关管三极管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第开关管为PMOS管时，开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

在本实施例中，运动控制系统除电磁铁以外的部分均设置在机器人外部，电磁铁设置在机器人本体后，从机器人本体中引出导线连接机器人外部的电磁铁控制模块。当然，本实施例中，在空腔气囊浮力足够大的情况下，运动控制系统除电磁铁4以外的其他部分也可以直接设置在机器人本体中，可以使得机器人更加便携。

在本实施例中，空腔气囊的个数为一个或多个，当空腔气囊的个数为多个时，各空腔气囊内部均注入有磁流体；运动控制系统中包括的电磁铁组数和空腔气囊的个数相同，各组电磁铁分别对应布置在机器人本体内部靠近各空腔气囊的位置处；各组电磁铁分别对应通过各电磁铁控制模块连接控制器。

本实施例中机器人本体为扁球体形状，气囊为缸体形状。和实施例1中相同，空腔气囊的个数也可以为四个，四个空腔气囊正交设置在机器人本体的周围，每个空腔气囊占用机器人本体60°的位置，各空腔气囊之间的间隙为30°。

在本实施例中，机器人本体和空腔气囊由模具进行一体化制作得到，其中如图6a和6b所示，制作完成后用医用凡士林涂满每个地方，为了让机器人更好的拿出来，机器人本体和空腔气囊由5度医用硅胶倒模，制成两半机器人，然后在空腔气囊硅胶内壁涂纳米氧化锌溶液亲水亲油氧化锌分散液涂料，由于磁流体的疏水性，该涂料使得硅胶内壁不会粘附磁流体。本实施例中，将电磁铁固定在机器人本体内部后，用硅胶专用强力胶水HZ-740将两半机器人粘合起来，然后在外面涂一层10°的医用硅胶，增加机器人的恢复性和气密性；然后用超细针筒在空腔气囊先插一个排气孔，吸取磁流体注入空腔气囊内部，同时用针筒往空腔气囊充满气后进行密封。

本实施例中，上述基于磁流体的两栖软体机器人的运动控制过程具体如下：

控制器的IO端口输出相应占空比的PWM信号到电磁铁控制模块，由电磁铁控制模块输出相应大小的电压信号到机器人本体内部的电磁铁；

机器人本体内部的电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，产生相应强度的磁场吸引空腔气囊内部的磁流体；

空腔气囊内部的磁流体被机器人本体内部电磁铁所产生的磁场吸引时，对空腔气囊内部内壁产生压力，进而对机器人本体外壁产生压力，从而推动机器人本体向压力方向运动；

当控制器IO端口停止输出信号到电磁铁控制模块时，机器人本体内部电磁铁失电，电磁铁所产生的磁场消失，空腔气囊内部的磁流体作用于空腔气囊内壁的压力消失，进而作用于机器人本体外壁的压力消失，机器人本体停止运动。

在本实施例中，当空腔气囊的个数为多个时，运动控制步骤如下：

控制器的各IO端口分别输出相应占空比的PWM信号到各电磁铁控制模块，由各电磁铁控制模块输出相应大小的电压信号到机器人本体内部的各组电磁铁；

机器人本体内部的各组电磁铁得电并且获取到相应大小的电压信号后，分别产生相应强度的磁场吸引各空腔气囊内部的磁流体；

各空腔气囊内部的磁流体被机器人本体内部的各组电磁铁所产生的各磁场吸引时，分别对各空腔气囊内壁产生各方向压力，进而对机器人本体外壁不同位置产生各方向的压力，各方向压力共同作用后驱动机器人本体朝某一方向运动。

例如，当本实施例中空腔气囊的个数为四个时，四个空腔气囊正交设置在机器人本体的周围，同时四组电磁铁也是正交设置在机器人本体内部，并且四组电磁铁分别靠近四个空腔气囊。机器人本体内部四组电磁铁获取到电压后，能够产生对四个空腔气囊中的磁流体的吸引，通过调节各组电磁铁的电压不同，可以共同驱动机器人在平面任意方向运动。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。