一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型。

背景技术：

在一些非结构环境下，受尺寸和作业空间的限制，如在管道检测、人体医疗检查、倒塌狭小空间搜救等，由于应用的场合属于非结构环境，并且会遇到各种障碍，对机器人的移动方式提出更高的要求，如需要能进入狭窄管道进行检查，或是能无损害地进入人体消化道进行检查，或是能进入尺寸比自身更小的地下空间进行搜救或运送饮食等。因此，机器人能够在复杂而无规则的地形中移动变得至关重要，这就要求机器人能够更好适应环境，随着环境的变化改变自身的状态。目前常规的刚性机器人和其驱动方式已不能满足上述的需求。

单细胞生物的主要运动方式是利用鞭毛、纤毛和伪足，其中伪足是单细胞胞质流动过程中形成的，可以延伸自身，类似一个足。细胞在运动过程中，伪足的细胞质突出外质管向前流动，使得整个皮肤都牵引向前运动。阿米巴虫的运动机制与伪足相似，是更为复杂的前端扩张和尾部收缩相结合的整体皮肤翻转驱动模式。阿米巴虫的胞质是由凝胶状外质和液体状内质组成。内质在外质形成的外质管中向前流动，外质管充当外表面的皮肤。当内质到达前端时，它就会转换成凝胶状外质从而在透明冠区域形成伪足前端。伪足前端接着外质管的延伸，使机体向前运动。随着阿米巴向前运动，其外质管在后端变成液态内质，或者为细胞的细胞液，并且重复上述过程。这种外质和内质转换过程的净效应就是阿米巴的向前运动。

磁流体是由基载液体和粒状的磁性固体组成的一种胶体分散体系。基载液体即分散介质，普遍为煤油和机械油等，作为分散相的固体磁性颗粒通常是铁磁性物质，如铁、钻、镍和它们的磁性氧化物等。铁磁流体具有胶体稳定性和组分稳定性，以及具有良好的磁化性能。目前以磁铁矿为固相颗粒的铁磁流体，其饱和磁化强度最高可达约34000a/m。另一个特点是铁磁流体一般不具有磁滞现象，即不存在剩磁和矫顽力，因为磁性颗粒本身悬浮于基载液中，外磁场移去以后，热运动终使它们变成无规则状态，这就意味着完全退磁。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型，为后续软体机器人的研究建立模型基础，以克服现有的机器人驱动方式的不足。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型，包括n个基于磁流体的可伸缩环形体单元，n为自然数，且n≥4，环形体单元沿轴向等间距排列成内外两层，环形体单元之间以弹性膜相连；每个环形体单元平均分成m个环段，m为自然数，且m≥4，每相隔一个环段为填充磁流体的环段，两填充磁流体的环段之间为弹性带。

优选的，所述n＝12，所述m＝6。

优选的，所述弹性膜为橡胶薄膜。

优选的，所述弹性带为弹性橡胶壳。

优选的，所述弹性橡胶壳上带有环形折痕。

优选的，所述弹性橡胶壳上具有通气孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型，仿阿米巴虫的整体皮肤翻转运动模式，依据磁流体的磁化性能，建立起全皮肤运动的软体机器人模型；该模型不仅符合软体机器人的柔性物理特点，而且采用整体皮肤翻转运动模式，即与外部环境接触面大、运动平稳；执行构件填充磁流体，驱动能力强，反应迅速；采用外部磁场控制，能够适应复杂的环境工作，有利于进一步软体机器人研究应用工作的开展；该模型结构简单，重量轻，易变形，不易损坏，不受传统机械结构的限制；该模型具有很大弹性，通过改变环形体单元直径与个数及其环形体单元上的环段数，可以在各种复杂环境中移动。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种防阿米巴虫运动的软体机器人模型的轴对称剖面图；

图2是本发明实施例中的一种防阿米巴虫运动的软体机器人模型的左视图和主视图；

图3是本发明实施例中的环形体单元的结构示意图；

标记说明：1、磁流体环段，2、弹性橡胶壳，3、外层环形体单元，3’、内层环形体单元，4、橡胶薄膜，5、通气孔。

具体实施方式：

下面参照附图对本发明做进一步描述。

实施例

如图1和2所示，一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人设计模型，由十二个基于磁流体的可伸缩环形体单元(3，3’)构成。十二个环形体单元(3，3’)沿轴向等间距排列成内外两层，环形体单元3之间以橡胶薄膜4相连，形成类似中空圆柱体的软体机器人模型。环形体单元(3，3’)具有扩张态和压缩态两种状态，其中，外层的环形体单元3处于扩张态，内层的环形体单元3’处于收缩态。

如图3所示，每一个环形体单元(3，3’)平均分成六个环段，每个环段占据整个环形体单元(3，3’)的60°角。环形体单元(3，3’)中，有三个环段为填充磁流体的环段1，另外三个环段为可压缩、可扩张的弹性橡胶壳2，磁流体环段1和弹性橡胶壳2交替排布。弹性橡胶壳2上具有环形折痕，弹性橡胶壳2沿环形折痕收缩或扩张，此外，弹性橡胶壳2上还具有通气孔5。

中空圆柱体形软体机器人模型的移动，通过外部磁场控制环形单元体(3，3’)的压缩态与扩张态的切换实现。在外部磁场的作用下，环形体单元(3，3’)的磁流体环段1会受到向外扩张或向内收缩的力。随着磁流体环段1的扩张或收缩，弹性橡胶壳2也处于两种相应的扩张态和收缩态两种状态。当一个内层环形体单元3’上交替分布的三个磁流体环段1受到向外扩张的力时，磁流体环段1扩张并同时拉伸弹性橡胶壳2，使弹性橡胶壳2处于扩张状态，从而使内层环形体单元3’扩张到外层；当一个外层环形体单元3上的三个磁流体环段1受到向内收缩的力时，三个磁流体环段1压缩并同时压缩弹性橡胶壳2使其处于压缩态，从而使外层环形体单元3收缩进内层。

通过有限元法分析，在多磁场耦合作用下可计算磁流体环段1与弹性橡胶壳2的受力的平衡问题。如图3所示，将软体机器人置于外部梯度磁场控制下，a、b处分别具有两个场源，磁场方向可由a处指向b处，也可由b处指向a处。假设a处为n极，b处为s极，两处为梯度磁场场源且磁场强度密集，中间位置磁场较弱，可分析模型两侧环形体的受力状态。软体机器人模型a侧边缘，在梯度磁场作用下，内层环形体单元3’内的磁流体环段1受到扩张力扩张到外层，同时在b侧边缘，外层环形体单元3内的磁流体环段1受到收缩力，而收缩到内层。通过计算分析改变外部磁场，即a、b处的场源，来控制软体机器人模型两侧环形体单元(3，3’)形态的扩张与收缩，进而实现模型内层环形体单元3’与外层环形体单元3的交替循环，从而通过处于a、b两端的环形体单元(3，3’)分别收缩与扩张，实现软体机器人的移动。在持续的外部磁场控制下，本发明的软体机器人模型外层表现出循环的翻转运动，有效合理的模拟了阿米巴虫的整体皮肤翻转驱动机制。

技术特征：

技术总结
一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型，包括n个基于磁流体的可伸缩环形体单元，n为自然数，且n≥4，环形体单元沿轴向等间距排列成内外两层，环形体单元之间以弹性膜相连；每个环形体单元平均分成m个环段，m为自然数，且m≥4，每相隔一个环段为填充磁流体的环段，两填充磁流体的环段之间为弹性带。本发明提供的一种基于阿米巴虫运动机制的软体机器人模型，利用磁流体的磁化性能，建立起全皮肤运动的软体机器人模型；该模型采用整体皮肤翻转运动模式，与外部环境接触面大、运动平稳；执行构件驱动能力强，反应迅速；采用外部磁场控制，能够适应复杂的环境工作，有利于进一步软体机器人研究应用工作的开展。

技术研发人员：刘新华;华德正;张晓光;赵欣
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2018.09.04
技术公布日：2019.02.12