一种基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人及其控制方法

1.本发明涉及软体机器人技术领域或者柔性驱动技术领域，特别涉及一种基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人及其控制方法。


背景技术：

2.与传统的机器人技术相比，软体机器人技术提供了许多独特的功能：形状变形、改变形态、增强的生存能力以及在复杂和受限的地形中导航。近年来，随着仿生技术与智能材料的兴起，科学家们使用记忆合金、电活性聚合物和液晶弹性体等柔性智能材料，模仿生物结构和基于生物运动原理研发出软体机器人广泛应用于人机交互、抓持、野外勘探等领域。
3.软体机器人具有弹性柔性，对受限的协作环境具有更强的适应性，特别是在人-机器人一体化的工作空间中，能够产生多种机械动作的软体机器人是很有帮助的。软体机器人其出色的灵活性和对环境的适应能力，在军事、探测、医疗等诸多领域也会得到良好的发展与应用。
4.现有技术公开了一种水陆两栖软体机器人。其主要结构为柔性驱动关节、蓄水腔。通电后柔性驱动关节产生形变、改变其弯折角度，且蓄水腔内有排水装置可供在水中行走。该发明结构稳定、机动性高。但由于其主体为刚性结构，无法实现复杂环境内的运动。
5.现有技术公开了一种磁控仿尺蠖双向运动软体机器人。其主体由柔性躯干、前腿结构和后腿结构构成。该机器人通过调节磁场方向，可以让软体机器人稳定完成拱起、收缩、前进、后退的运动动作，但其运动方式单一且难以应对复杂多变的路况。
6.现有技术公开了一种高度集成的全向跳跃软体机器人。其主要结构为上层模块，绝缘油液，环形弹性框架，下层模块。通过四对电极的异步控制完成全向跳跃，制作简单。但由于其电极控制的设计较为复杂，在每部分配合和传动的过程中会造成的控制偏差较大。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人及其控制方法，可实现任意方向上的自由度变化，能够完成更加复杂的姿态变换。相较于其它复杂的结构，本发明的对折刚毛结构虽然简单，但是能够快速形态变换并且具有很高的稳定性、灵敏性以及功能性。
8.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
9.一种基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，包括近红外光头部和可见光尾部，所述近红外光头部与可见光尾部为对折结构，所述近红外光头部内填充近红外光响应颗粒，所述可见光尾部内填充可见光响应颗粒，所述近红外光头部底部与可见光尾部底部分别设有多足刚毛结构，所述多足刚毛结构内填充磁响应颗粒；
10.通过选择性的施加近红外光场和匀强磁场，使近红外光头部和多足刚毛结构产生形变，用于使软体机器人产生一个方向上的蠕动变形；通过选择性的施加可见光场和匀强
磁场，使可见光尾部和多足刚毛结构产生形变，用于使软体机器人另一个方向上的蠕动变形；通过选择性施加匀强磁场，使多足刚毛结构产生变形，调控软体机器人的运动位姿；通过选择性施加磁感应加热磁场，使多足刚毛结构缩短，使降低机器人运动的高度，用于累计弹性势能进行跳跃运动。
11.进一步，所述近红外光头部为近红外光温敏响应液晶弹性体，所述近红外光头部表面进行溶液喷枪处理，所述溶液为近红外光响应颗粒溶液，通过对近红外光温敏响应液晶弹性体进行喷枪处理，使近红外光响应颗粒在红外光头部表面均匀排列分布。
12.进一步，所述可见光尾部为可见光温敏响应液晶弹性体，所述可见光尾部表面进行溶液喷枪处理，所述溶液为可见光响应颗粒溶液，通过对可见光温敏响应液晶弹性体进行喷枪处理，使可见光响应颗粒在可见光尾部表面均匀排列分布。
13.进一步，所述多足刚毛结构为磁响应液晶弹性体，所述磁响应液晶弹性体为驱液油墨掺入磁响应颗粒，通过利用掺入磁响应颗粒的驱液油墨4d打印形成磁响应液晶弹性体。
14.进一步，通过改变匀强磁场的方向和大小，用于改变多足刚毛结构的弯曲角度和弯曲方向；通过改变施加磁感应加热磁场的温度，用于改变多足刚毛结构收缩量。
15.一种所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人的攀爬障碍物的控制方法，包括如下步骤：
16.在所述近红外光头部侧施加近红外光场，使近红外光头部产生一个正前方的力，使得软体机器人向前运动；
17.通过在可见光尾部施加竖直向上的匀强磁场，通过多足刚毛结构竖直向上，使得软体机器人向上弯曲；
18.通过选择性的施加近红外光场和匀强磁场，使近红外光头部和多足刚毛结构产生形变，使软体机器人攀爬障碍物；
19.当软体机器人攀爬到障碍物顶部时，仅在所述近红外光头部侧施加近红外光场，使得软体机器人向前运动。
20.本发明的有益效果在于：
21.1.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，采用可见光尾部和近红外光头部作为软体机器人的驱动能源；多足刚毛结构作为软体机器人的舵手，掌握软体机器人的运动方向和位姿。
22.2.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，可见光尾部和近红外光头部为对折结构，底部为多足刚毛结构，两种结构之间地控制相互独立，互不干扰，最大限度地利用光磁复合作用。
23.3.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，利用磁场磁导航调控底部刚毛结构弯曲的方向与角度，并且利用磁热设备使得刚毛整体缩短，使得该软体机器人高度降低便于穿过狭窄的场所。
24.4.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，利用光磁复合作用可以实现攀爬、越过障碍、跳跃和游泳运动，能够在更为复杂的路况更加稳定的运动。
25.5.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，采
用4d打印技术，一体化打印成型并且能够使得磁响应颗粒在液晶弹性体内稳定均匀分布。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人结构示意图。
28.图2为本发明所述的机器人在近红外光场、可见光场和磁场的复合作用下全向运动示意图。
29.图3为本发明所述的机器人在水中游泳示意图。
30.图4为本发明实施例爬行并越过障碍物示意图，其中图4a为第一状态，图4b为第二状态，图4c为第三状态，图4d为第四状态。
31.图5为本发明实施例穿过狭窄区域示意图。
32.图6为本发明实施例飞跃障碍物示意图。
33.图中：
34.1-近红外光头部；2-可见光尾部；3-多足刚毛结构；4-近红外光响应颗粒；5-可见光响应颗粒；6-磁响应颗粒。
具体实施方式
35.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
36.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.如图1和图2所示，本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，包括近红外光头部1和可见光尾部2，所述近红外光头部1与可见光尾部2为对折结构，所述近红外光头部1内填充近红外光响应颗粒4，所述可见光尾部2内填充可见光响应颗粒5，所述近红外光头部1底部与可见光尾部2底部分别设有多足刚毛结构3，所述多足刚毛结构3内填充磁响应颗粒6；
40.通过选择性的施加近红外光场和匀强磁场，使近红外光头部1和多足刚毛结构3产生形变，用于使软体机器人产生一个方向上的蠕动变形；通过选择性的施加可见光场和匀强磁场，使可见光尾部2和多足刚毛结构3产生形变，用于使软体机器人另一个方向上的蠕动变形；通过选择性施加匀强磁场，使多足刚毛结构3产生多自由度的变形，调控软体机器人的运动位姿；通过选择性施加磁感应加热磁场，使多足刚毛结构3缩短，使降低机器人运动的高度，用于累计弹性势能进行跳跃运动。
41.所述近红外光头部1、可见光尾部2和多足刚毛结构3，均利用4d打印技术制备液晶弹性体。所述近红外光头部1为近红外光温敏响应液晶弹性体，所述近红外光头部1表面进行溶液喷枪处理，所述溶液为近红外光响应颗粒4溶液，通过对近红外光温敏响应液晶弹性体进行喷枪处理，使近红外光响应颗粒4在近红外光头部1表面均匀排列分布。所述可见光尾部2为可见光温敏响应液晶弹性体，所述可见光尾部2表面进行溶液喷枪处理，所述溶液为可见光响应颗粒5溶液，通过对可见光温敏响应液晶弹性体进行喷枪处理，使可见光响应颗粒5在可见光尾部2表面均匀排列分布。所述多足刚毛结构3为磁响应液晶弹性体，所述磁响应液晶弹性体为驱液油墨掺入磁响应颗粒6，通过利用掺入磁响应颗粒6的驱液油墨4d打印形成磁响应液晶弹性体。所述近红外响应颗粒4为金纳米棒；所述可见光颗粒5为碳纳米棒。
42.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人，通过近红外光场、可见光场和磁场多场协同作用，可以实现该软体机器人全方位、多地形水陆两栖的运动场景。如图2所示，通过在近红外响应头部1处施加近红外光场，近红外响应头部1产生一个正前方的力，使得软体机器人向前运动；通过在可见光响应尾部2处施加可见光场，可见光响应尾部2产生一个正后方的力，使得软体机器人向后运动；通过在机器人周围施加不同方向和强度的磁场，调节多足刚毛结构3内磁性颗粒6排列位置进而改变多足刚毛结构3弯曲的方向与角度，调节软体机器人的运动方向和位姿。
43.如图3所示，软体机器人在水中游动，通过在近红外响应头部1处施加近红外光场，近红外响应头部1产生一个正前方的力，使得软体机器人向前运动，并且施加正前方匀强磁场，使得多足刚毛结构3向前方弯曲，避免水流冲散刚毛的弯曲方向，使得机器人可以在预定方向继续前进。
44.一种本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人的攀爬障碍物的控制方法，包括如下步骤：
45.如图4a所示，该软体机器人遇到障碍时，在所述近红外光头部1侧施加近红外光场，使近红外光头部1产生一个正前方的力，使得软体机器人向前运动；
46.通过在可见光尾部2施加竖直向上的匀强磁场，通过多足刚毛结构3竖直向上，使得软体机器人向上弯曲；
47.如图4b所示，通过选择性的施加近红外光场和匀强磁场，使近红外光头部1和多足
刚毛结构3产生形变，使软体机器人攀爬障碍物；
48.当软体机器人攀爬到障碍物顶部如图4c所示时，仅在所述近红外光头部1侧施加近红外光场，近红外响应头部1产生一个正前方的力，使得软体机器人向前运动。如图4d所示，软体机器人越过障碍物。
49.本发明所述的基于光磁驱动的全向、水陆两栖复合液晶弹性体软体机器人利用磁场的磁热和磁导航原理可执行穿越狭窄通道和飞跃障碍物运动行为。如图5所示，在软体机器人周围施加磁感应加热磁场，使得刚毛3受热缩短，降低机器人的运动高度，通过在近红外光头部1侧施加近红外光场，近红外响应头部1产生一个正前方的力，使得软体机器人向前运动，可实现狭窄通道的穿越。若软体机器人底部多足刚毛结构3受热收缩积累一定的弹性势能，在磁导航磁场的作用下可执行飞跃障碍物动作如图6所示。
50.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
51.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。