四足仿生机器人二维工程图 仿生多足机器人的分析与控制

文 | 慢纪硬核说

编辑 | 慢纪硬核说

人工机器人的设计主要是刚性的。基于现有的刚体动力学，它们可以被精确控制，并在速度、强度和重复性任务上表现出良好的性能。

近年来，机器人利用软质材料实现了更安全的人机交互，对复杂地形的运动适应性更好，以及在极端环境下更好的自我保护能力。

软体机器人可以比刚性机器人更深入地模拟生物运动机制，在机器人领域开辟了无限的可能性。

现阶段，大多数软体机器人是在宏观尺度上制造的，由各种新颖的驱动机构驱动，可分为三类：变长肌腱，流体驱动，或电活性聚合物。

当涉及到在有限空间内的精确操作或运动时，软机器人需要缩小到小尺寸，并由外部供电或驱动。

在这种情况下，磁控制显示出其独特的优势，在外力驱动研究中做出了贡献，许多不同的外力被用来驱动小型机器人，包括游动的微生物和收缩细胞，通过微生物的滑行行为，化学反应，温度，光，pH和远程传递的磁场。

在所有这些外力中，磁是特别重要的，因为它可以提供广域直接控制，允许各种编程方法。

此外，当机器人在体内应用时，受微生物、化学反应、温度、光、pH等外力驱动的机器人控制较为复杂。因此，选择磁场作为小型软机器人的驱动方式是非常合适的。

虽然电磁系统比永磁系统更受欢迎，但永磁系统以更低的成本产生更大的力，并提供更大的灵活性。因此，本工作采用永磁系统。

在自然界中，许多生物进化出腿来移动身体，以应对复杂的地形和各种条件。目前，大多数小型机器人只能以一种简单的方式移动，如滚动和爬行。

在磁性控制领域，腿内的钕铁硼硬磁性粒子进行编程实现了以划水方式向前爬行的磁性多腿机器人。

之后，又有人设计了一种受海星启发的百万软机器人，能够进行全方位运动。然而，目前微型多足机器人的设计还存在许多不足。

这是因为微型机器人的腿只能实现单关节的动作，而这些关节的活动是在制造之前确定的。

在本文中，我们提出了一种类似棘皮动物的多足软体机器人。利用磁体磁场的不均匀性，实现了不同排腿的独立驱动。

在这些腿的配合下，机器人执行不同的运动模式。

腿和/或脚在许多活着的动物身上很常见。这些结构用来支撑它们的体重，提供有效的运动，从而允许它们不断地移动到有利的环境。

在这项工作中，我们设计了一种新型的装饰柱阵列软机器人来模仿这些生物系统的卓越能力。

利用这样的设计，机器人可以实现单个有腿动物固有的综合功能，例如章鱼对各种环境的适应性，毛毛虫出色的过障能力等。

机器人的设计原则是，在现有设备的基础上，机器人的尺寸要尽可能的小，并且腿的分布可以控制。

如图1所示，机器人被设计为具有预定义均匀分布的细长腿的软体体。身体由纯硅凝胶制成，腿由硅铁混合物制成，由外部磁场驱动。

因为只有机器人的腿上有磁性颗粒，所以机器人的运动能力完全取决于腿。为了使机器人的形貌保持一致，本文采用了基于模具的制造方法。

此外，由于无法获得均匀饱和磁化的钕铁硼，我们采用铁粉作为磁致动源，它具有生物相容性，具有不同于硬磁材料的独特特性。

图2描绘了制造无系绳多足软机器人的整个过程。它们由以下步骤组成：首先，通过3d打印技术制造组合模具。

模具由两部分组成。第一部分是一块3毫米的正方形板材，长度为45毫米。一系列直径为0.7 mm的通孔均匀分布在方片的中心。第二部分是厚度为3.5 mm的方形环片，可与方形环片内嵌，形成完整的模具。

模具制作完成后，开始用硅胶和铁微粒组合制作磁腿。首先，将A、B瓶硅胶和铁粉按1:1:2的质量比混合在一个塑料杯中。

搅拌均匀后，将塑料杯放入真空中去气5 - 7分钟，以尽量减少起泡。然后，将硅铁混合物倒入方形板材中，确保每个通孔都填满。

刮掉多余的硅酮后，两块切割好的丙烯酸(也涂上脱模剂)用胶带夹在方形板材上。等待约45分钟后，我们从磁铁上取下方形片，将其与方形环混合，并将混合的纯龙皮20放在上面。

待上层纯硅胶和下层掺磁硅胶完全固化牢固粘合在一起后，用镊子小心地将硅胶从模具中取出。

最后，我们检查腿部的可动性。最后一步是至关重要的，因为如果我们在其中一个中间步骤上浪费太多时间，铁-硅混合物就会半凝固，内部的铁颗粒就不能重新排列到最佳方向。

3.1. 矩形永磁体的磁场分布

为了更直观地了解磁场，利用有限元软件对磁场进行了模拟。图4为磁场在分界面-分界面的分布。

磁铁的参数被设置为饱和状态，所以它们比实际值大。然而，它在空间中的磁场分布为我们提供了很好的参考。

3.2. 磁腿驱动原理

假设我们使用的纯铁粒子的直径近似等于临界直径，则每个粒子的畴结构可以看作是单一的。将铁粉与硅胶按1:1的质量比混合，并将混合物放入3d打印模具中，模具在使用前喷上脱模剂。

在铁硅粉固化过程中，沿支腿长轴施加外磁场，使内部铁颗粒的易轴倾向于与支腿长轴对齐，导致人工干预导致磁化的各向异性。为了定量研究腿的驱动能力，我们用振动样品磁强计测量了腿在不同磁场下的磁化强度。

3.3. 多足机器人的运动分析

将多足机器人的转发策略设置为一系列重复循环。机器人运动的核心是控制与机器人相关的磁体的往复运动。

如图5(a) - (d)所示，在一个新周期的开始，机器人由于磁性拖曳力和静摩擦的平衡，是静止的。

然后，由于磁铁的偏离，作用在机器人前腿上的倾斜磁场产生磁力矩，使机器人的前半部向上翻转。这种变形的极值取决于磁铁和机器人之间的垂直距离，背离距离的最大值也是如此。

在此之后，磁铁返回并拖动机器人向前移动，直到机器人的所有腿都回到地面。可以看出，在整个运动过程中，磁铁与磁腿之间产生的拖拽力对机器人的前进起着决定性的作用。

然而，这并不意味着随机放置磁铁就能使机器人以稳定的模式前进。在大多数情况下，机器人会被拉到磁势能最小点，姿态扭曲，最终失去可控性。

为了保持机器人姿态的稳定性，磁铁与机器人的相对位置不能太近也不能太远。因此，多腿机器人的运动非常类似于木偶戏，磁性作为看不见的线，磁性腿作为木偶的关节。

文中测试了机器人对磁铁的反应，机器人被放置在一块平坦的亚克力板上，磁铁被放置在亚克力板下方，并与亚克力板保持约5至7厘米的距离。

当以一定的方式移动底部的磁铁时，机器人的形状随着它与磁铁的相对距离而变化。研究发现，在每个运动周期中，只有一小部分腿始终受到磁场的影响，结果如图6所示。

当磁铁从机器人的正面水平靠近到一个距离阈值时，机器人的正面会在短时间内发生屈曲，并很快屈曲到一个峰值。

这是一个微妙的平衡，要保持它的关键是磁铁向前移动的加速度必须大于机器人向前移动的加速度。

然而，磁铁的每次迭代都必须到达一个允许机器人做出反应的位置。这使得我们有必要了解磁铁周围磁场的确切分布。

为了说明磁场是如何变化的，我们测量了工作空间中磁场的精确分布，如图7所示。

最后，测试了机器人在多地形迷宫中的综合运动能力。如图8所示，迷宫中有多条不同地形设置的路线，包括减速带、浅坑、斜坡、驼峰和狭窄的角落。

腿在动物运动中起着至关重要的作用，他们可以提供足够的身体支持，更高的运动灵活性和更好的跨越障碍的能力。

本文设计了一种多足微型软体机器人。通过改进的磁粉辅助成型方法，机器人可以在磁场的控制下向前、向后、转弯和跨越障碍物。

此外，从受力层面分析了永磁体的磁场分布和机器人的步态，为后续的磁场控制奠定了基础。

通过实验，我们可以知道我们的机器人可以在300秒内走出迷宫，并且路径的总长度超过30个机器人身长。

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