一种用于管道清理的磁驱动软体机器人及其工作方法
阅读说明：本技术 一种用于管道清理的磁驱动软体机器人及其工作方法 (Magnetic drive soft robot for cleaning pipeline and working method thereof ) 是由 许明 孙启民 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于管道清理的磁驱动软体机器人及其工作方法。该软体机器人,包括磁性软机器人主体和钩爪。所述的磁性软机器人主体包括前腿结构、后腿结构、扭转伸缩结构和清理环。前腿结构、后腿结构分别设置在扭转伸缩结构的两端。清理环套置在扭转伸缩结构的外侧。多个钩爪均设置在前腿结构的内侧。钩爪能够跟随前腿结构一同翻转。前腿结构、后腿结构和扭转伸缩结构均为具有弹性的永磁体；前腿结构与后腿结构受到相同的径向磁场作用时,其中一个向内翻折,另一个向外翻折。扭转伸缩结构受到轴向磁场时,能够在磁场控制下扭转和伸缩。本发明以非接触式控制该机器人运动,无需外加导线等信号的传输,增加了软体机器人在弯曲管道的灵活性。(The invention discloses a magnetic drive soft robot for cleaning a pipeline and a working method thereof. The soft robot comprises a magnetic soft robot body and a claw. The magnetic soft robot main body comprises a front leg structure, a rear leg structure, a torsion telescopic structure and a cleaning ring. The front leg structure and the rear leg structure are respectively arranged at two ends of the torsion telescopic structure. The cleaning ring is sleeved outside the torsion telescopic structure. A plurality of fingers are all disposed on the inside of the front leg structure. The claw can turn over along with the front leg structure. The front leg structure, the rear leg structure and the torsion telescopic structure are all permanent magnets with elasticity; when the front leg structure and the rear leg structure are subjected to the same radial magnetic field, one of the front leg structure and the rear leg structure is turned inwards, and the other one of the front leg structure and the rear leg structure is turned outwards. When the torsion telescopic structure is subjected to an axial magnetic field, the torsion and the extension can be controlled by the magnetic field. The invention controls the robot to move in a non-contact way without the transmission of signals such as additional wires and the like, thereby increasing the flexibility of the soft robot in bending the pipeline.)
技术领域
本发明设计一种实现在弯曲复杂的柔性非金属管中疏通与清洗工作磁驱动软体机器人，具体涉及一种硅胶与磁粉集成的软体机器人结构与其利用磁矩的驱动控制方法，能够实现在复杂柔性管中的牵引、疏通堵塞物和释放清理液等工作，防止了柔性管在传统的清理过程中受到刚性物体的损伤。
背景技术
橡胶管或高分子材料制成的柔性管因其良好的柔顺性与极低的杨氏模量而具备了灵活性与方便性，应用于一些移动型、灵活性的工业、医疗或生活的排污中。这些柔性管在长时间的工作下使其内部沉积了大量的污垢甚至产生堵塞，传统管道疏通是刚性结构难以清理或疏通复杂弯曲的柔性管，且容易损坏其柔性管的内部管壁。因此提出设计一种基于磁矩驱动控制的软体机器人用于清理或疏通柔性管，解决在高度复杂弯曲柔性管中的清理与疏通问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种在高度弯曲的柔性管内部中实现柔性疏通与清理的磁矩驱动与控制的软体机器人及其工作方法。
本发明一种用于管道清理的磁驱动软体机器人，包括磁性软机器人主体和钩爪。所述的磁性软机器人主体包括前腿结构、后腿结构、扭转伸缩结构和清理环。前腿结构、后腿结构分别设置在扭转伸缩结构的两端。清理环套置在扭转伸缩结构的外侧。多个钩爪均设置在前腿结构的内侧。钩爪能够跟随前腿结构一同翻转。
所述的扭转伸缩结构包括两个连接环和多条磁性变形条。磁性变形条的两端与两个连接环分别连接。各磁性变形条沿着扭转伸缩结构轴线的周向依次排列。两个连接环与前腿结构、后腿结构分别连接。所述的前腿结构包括沿扭转伸缩结构轴线的周向依次排列的多个前腿单元。后腿结构包括沿扭转伸缩结构轴线的依次排列的多个后腿单元。前腿结构、后腿结构和扭转伸缩结构均为具有弹性的永磁体；前腿结构与后腿结构受到相同的径向磁场作用时，其中一个向内翻折，另一个向外翻折。扭转伸缩结构受到轴向磁场时，能够在磁场控制下扭转和伸缩。
作为优选，所述的前腿结构、后腿结构和扭转伸缩结构在电磁驱动线圈组驱动下进行运动。所述电磁驱动线圈组包括亥姆霍兹线圈和多个矩形线圈。各矩形线圈均设置在亥姆霍兹线圈内的两个圆形线圈之间，且沿着亥姆霍兹线圈轴线的周向均布。工作过程中，磁性软机器人主体1进入到被清理的管道内，电磁驱动线圈组套置到被清理的管道外侧，为磁性软机器人主体1提供轴向磁场和径向磁场。
作为优选，所述磁性软机器人主体外侧的两端均设置有一个或多个微型红外源。所述的电磁驱动线圈组安装在电磁控制架上。所述的电磁控制架包括机架、带式输送机和红外探测仪。带式输送机、红外探测仪和电磁驱动线圈组均安装在机架上。所述带式输送机的输送方向平行于亥姆霍兹线圈的轴线方向。电磁驱动线圈组位于带式输送机正上方。红外探测仪设置在电磁驱动线圈组的侧部，用于接收微型红外源发射的信号，从而检测到磁性软机器人主体的位置。
作为优选，所述的前腿结构、后腿结构和扭转伸缩结构均通过掺杂磁粉形成磁场。
作为优选，前腿结构与后腿结构的相反端极性相反。扭转伸缩结构内各磁性变形条的磁极方向沿着自身长度方向设置，或沿着磁性软机器人主体的轴线方向设置。
作为优选，所述的磁性软机器人主体通过浇铸成型。浇铸材料通过磁性粒子与硅胶按照质量1：1混合得到。
作为优选，所述的清理环设置在后腿结构与扭转伸缩结构的连接处的外侧。
作为优选，磁性变形条相对于扭转伸缩结构的轴线倾斜设置。前腿单元和后腿单元均呈内大外小的等腰梯形；钩爪的外端为向外伸出且弯曲分叉的爪体。
作为优选，连接环的外侧开设有环形凹槽；环形凹槽减小前腿结构和后腿结构相对于扭转伸缩结构翻折的阻力。
该用于管道清理的磁驱动软体机器人的管道清理方法具体如下：
步骤一、将磁性软机器人主体以前腿结构朝前的姿态放入被清理的柔性管的管口内。柔性管的内径大于扭转伸缩结构的直径，且小于前腿结构和后腿结构扩张后的外径。将柔性管的管口穿过电磁驱动线圈中的亥姆霍兹线圈，并放置在带式输送机上，使得磁性软机器人主体处于亥姆霍兹线圈内的两个圆形线圈之间。带式输送机带动柔性管沿轴向输送。带式输送机的输送速度根据红外探测仪探测到的磁驱动软体机器人位置动态调整，使得磁性软机器人主体始终保持在红外探测仪的探测范围内。
步骤二、电磁驱动线圈中的各矩形线圈正向通电产生径向磁场，控制后腿结构扩张，前腿结构收缩；电磁驱动线圈中的亥姆霍兹线圈正向通电产生轴向磁场，控制扭转伸缩结构正向扭转并伸长；由于扩张的后腿结构抵住柔性管的内壁，扭转伸缩结构推动前腿结构螺旋前进。
步骤三、各矩形线圈和亥姆霍兹线圈均反向通电，控制后腿结构收缩，前腿结构扩张，扭转伸缩结构反向扭转并缩短；由于扩张的前腿结构抵住柔性管的内壁，扭转伸缩结构拉动后腿结构和清理环螺旋前进。螺旋前进清理环对柔性管内壁的污垢进行清理。
步骤四、重复执行步骤二和三，使得磁性软机器人主体在柔性管内前进，且前进方向与软性管的输送方向相反，前进速度与软性管的输送速度相等；使得磁性软机器人主体相对于电磁驱动线圈的位置保持不变。
当磁性软机器人主体遇到堵塞物时，执行疏通操作，具体过程如下：
①.带式输送机停止输送或输送速度降低。
②.电磁驱动线圈控制前腿结构扩张、后腿结构收缩、扭转伸缩结构缩短，前腿结构抵住柔性管的内壁，并与堵塞物接触。
③.电磁驱动线圈控制后腿结构扩张，前腿结构收缩，扭转伸缩结构伸长，使得后腿结构抵住柔性管的内壁；前腿结构向堵塞物施加压力，并带动钩爪翻转来抓解堵塞物。
④.重复执行过程②和③，实现对堵塞物的不断抓解和疏通，以及磁性软机器人主体的前进。堵塞物被清除后，带式输送机恢复初始输送速度。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明能够通过在管道外侧施加变化磁场来驱动管道内的磁性软机器人主体，可以应用到柔性管中的清理与疏通，磁性软机器人主体的材料柔顺性大大降低了对柔性管道内壁的损伤。
2、本发明以磁作为驱动方式，以非接触式控制该机器人运动，无需外加导线等信号的传输，增加了磁驱动的软体机器人在弯曲管道的灵活性。
3、本发明的制造即使用硅胶与磁性粒子的混合材料浇铸而成的整体结构，并将其进磁化，实现了小型纯软体机器人的磁驱动与控制。
4、本发明磁驱动的软体机器人在其表面分开固定四个微型红外源，并用红外探测仪进行成像，实现了观察机器人在不透明管道内部的形态变化，用于对磁驱动的软体机器人形成闭环控制。
附图说明
图1本发明的系统整体结构与工作原理示意图；
图2本发明中磁性软机器人主体的结构示意图；
图3本发明中钩爪的结构示意图；
图4本发明中磁性软机器人主体的磁极方向与受力方向示意图
图5本发明中磁性软机器人主体的伸长过程示意图；
图6本发明中磁性软机器人主体的缩短过程示意图；
图7本发明中电磁线圈组的结构示意图
图8本发明中的磁性软机器人主体在柔性管中爬行的工作原理图；
图9本发明中的磁性软机器人主体在柔性管中进行堵塞物疏通的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1和2所示，一种用于管道清理的磁驱动软体机器人，包括磁性软机器人主体1、钩爪2、电磁控制架3和微型红外源4。电磁控制架3能够输送柔性管5，并控制磁性软机器人主体1在柔性管5内运动。磁性软机器人主体1的外侧设置有多个微型红外源4。磁性软机器人主体1的制造方法为模具浇铸为一整体，其浇铸材料为磁性粒子与硅胶1：1混合。
如图1、2和3所示，磁性软机器人主体1呈圆柱状，包括前腿结构1-1、后腿结构1-2、扭转伸缩结构1-3和清理环1-5。前腿结构1-1、后腿结构1-2分别设置在扭转伸缩结构1-3的两端。清理环1-5设置在后腿结构1-2与扭转伸缩结构1-3的连接处的外侧。前腿结构1-1的内侧设置有多个钩爪2。扭转伸缩结构1-3能够在磁场控制下伸缩；前腿结构1-1和后腿结构1-2均能够向外翻折，实现与管道内壁的固定。通过循环执行“前腿结构1-1外翻，后腿结构1-2内翻复位→扭转伸缩结构1-3缩短→前腿结构1-1内翻复位，后腿结构1-2外翻固定→扭转伸缩结构1-3伸长”的过程，能够实现该用于管道清理的磁驱动软体机器人在管道内的蠕动式前进。清理环1-5用于在管道清理的磁驱动软体机器人前进的过程中刮除管道内壁的污垢。钩爪2的材质为硅胶，用于遇到堵塞时跟随前腿结构1-1内外反复翻转，实现对堵塞部位的挖掘疏通。
扭转伸缩结构1-3包括一体成型的两个连接环1-4和多条磁性变形条。磁性变形条的两端与两个连接环1-4分别连接。各磁性变形条沿着扭转伸缩结构1-3轴线的周向均布。磁性变形条相对于扭转伸缩结构1-3的轴线倾斜设置，呈平行四边形状。本实施例中，磁性变形条的数量为四条。两个连接环1-4与前腿结构1-1、后腿结构1-2分别连接。连接环1-4的外侧开设有环形凹槽，以便于前腿结构1-1和后腿结构1-2向外翻折。
前腿结构1-1包括沿扭转伸缩结构1-3轴线的周向均布的八个前腿单元。前腿单元呈内大外小的等腰梯形；各前腿单元的内侧均开有爪孔。爪孔上均固定有钩爪2。钩爪2为铸造的整体结构，一端为安装圆盘2-1，另一端为向外伸出且弯曲分叉的爪体2-2。安装圆盘2-1与前腿单元的爪孔固定。后腿结构1-2包括沿扭转伸缩结构1-3轴线的周向均布的八个后腿单元。后腿单元呈内大外小的等腰梯形。
如图4所示，前腿结构1-1、后腿结构1-2和扭转伸缩结构1-3内均设置有磁极方向一致的磁粉。前腿结构1-1和后腿结构1-2的磁极方向相同，均沿着磁性软机器人主体1的轴线方向设置，即前腿结构1-1与后腿结构1-2的相对端极性相反。扭转伸缩结构1-3内的各磁性变形条的磁极方向沿着自身长度方向设置，或沿着磁性软机器人主体1的轴线方向设置。扭转伸缩结构1-3与后腿结构1-2的相对端极性相反。本实施例中，前腿结构1-1的外端为N极，后腿结构1-2的外端为S极；扭转伸缩结构1-3朝向前腿结构1-1的端部为N极，朝向后腿结构1-2的端部为S极。
如图5和6所示，当前腿结构1-1与后腿结构1-2受到相反的径向磁场时，将一个向外翻折扩张，另一个向内翻折收缩。当扭转伸缩结构1-3受到轴向磁场时，将发生伸长或缩短。在工作过程中，当后腿结构1-2扩张时，前腿结构1-1收缩，扭转伸缩结构1-3同步伸长；当前腿结构1-1扩张时，后腿结构1-2收缩，扭转伸缩结构1-3同步缩短，由此即可实现磁性软机器人主体1在管道内的不断前进。
所述微型红外源4为一个能够自发产生红外信号的元器件。在所述磁性软机器人主体1外侧表面固定四个微型红外源4。其中两个微型红外源4分别固定在前腿结构1-1和后腿结构1-2的外侧，且位于磁性软机器人主体1的相反侧。另外两个微型红外源4分别固定在扭转伸缩结构1-3外侧面的两端，且位于磁性软机器人主体1的相反侧。
如图1所示，电磁控制架3包括机架3-5、带式输送机3-1、红外探测仪3-2、电磁驱动线圈组3-3和控制板3-4。带式输送机3-1、红外探测仪3-2和电磁驱动线圈组3-3均安装在机架3-5上。带式输送机3-1由电机驱动，用于沿轴向传输柔性管。电磁驱动线圈组3-3位于带式输送机3-1正上方，用于带动磁性软机器人主体1在柔性管内移动；红外探测仪3-2设置在电磁驱动线圈组3-3的侧部，用于接收微型红外源4发射的信号，从而将磁性软机器人主体1的运动形态进行成像，实现对该用于管道清理的磁驱动软体机器人进行闭环控制。由于柔性管在带式输送机3-1的驱动下移动，故磁性软机器人主体1在移动的过程中能够相对于电磁驱动线圈组3-3保持位置基本不变。使磁性软机器人主体1始终保持在电磁驱动线圈组3-3控制范围内和红外探测仪3-2的探测范围内。控制板3-4用于接收红外探测仪3-2的探测信号，控制带式输送机3-1和电磁驱动线圈组3-3工作。
如图1和7所示，所述电磁驱动线圈组3-3包括亥姆霍兹线圈3-3-1和四个矩形线圈3-3-2，且由六个可调电源独立控制，形成电磁驱动系统，用于控制磁性软机器人主体1在管道内的运动。组成亥姆霍兹线圈3-3-1的两个圆形线圈同轴且间隔设置。亥姆霍兹线圈3-3-1的轴线方向平行于带式输送机3-1的输送方向。四个矩形线圈3-3-2均设置在亥姆霍兹线圈3-3-1内的两个圆形线圈之间，且沿着亥姆霍兹线圈3-3-1轴线的周向均布。亥姆霍兹线圈3-3-1用于提供轴向磁场，控制磁性软机器人主体1的伸缩；矩形线圈3-3-2用于提供径向磁场，控制磁性软机器人主体1前后两端的扩张与收缩。
该用于管道清理的磁驱动软体机器人的管道清理方法具体如下：
步骤一、如图1所示，将磁性软机器人主体1以前腿结构1-2朝前的姿态放入被清理的柔性管5的管口内。柔性管5的内径大于扭转伸缩结构1-3的直径，且小于前腿结构1-1和后腿结构1-2扩张后的外径。将柔性管5的管口穿过电磁驱动线圈3-3中的亥姆霍兹线圈3-3-1，并放置在带式输送机3-1上，使得磁性软机器人主体1处于亥姆霍兹线圈3-3-1内的两个圆形线圈之间。控制板3-4控制电磁驱动线圈组3-3产生磁场即构成电磁驱动系统控制用于管道清理的磁驱动软体机器人在柔性管5内进行位移变化。带式输送机3-1带动柔性管5沿轴向输送。带式输送机3-1的输送速度根据红外探测仪探测到的磁驱动软体机器人位置动态调整，使得磁性软机器人主体1始终保持在电磁驱动线圈组控制范围内和红外探测仪的探测范围内。
步骤二、如图8所示，电磁驱动线圈3-3中的各矩形线圈正向通电产生径向磁场，控制后腿结构1-2扩张，前腿结构1-1收缩；电磁驱动线圈3-3中的亥姆霍兹线圈3-3-1正向通电产生轴向磁场，控制扭转伸缩结构1-3正向扭转并伸长；由于扩张的后腿结构1-2抵住柔性管5的内壁，扭转伸缩结构1-3推动前腿结构1-1螺旋前进。
步骤三、如图8所示，各矩形线圈和亥姆霍兹线圈3-3-1均反向通电，控制后腿结构1-2收缩，前腿结构1-1扩张，扭转伸缩结构1-3反向扭转并缩短；由于扩张的前腿结构1-1抵住柔性管5的内壁，扭转伸缩结构1-3拉动后腿结构1-2和清理环1-5螺旋前进。螺旋前进清理环1-5对柔性管5内壁的污垢进行清理。
步骤四、重复执行步骤二和三，使得磁性软机器人主体1在柔性管5内前进，且前进方向与软性管5的输送方向相反，前进速度与软性管5的输送速度相等；使得磁性软机器人主体1相对于电磁驱动线圈3-3的位置保持不变。
如图9所示，在此过程中，安装在磁性软机器人主体1上的微型红外源4释放红外信号。红外探测仪3-2检测红外信号，从而确定磁性软机器人主体1的位置，判断磁性软机器人主体1是否遇到堵塞物。当磁性软机器人主体1遇到堵塞物时，执行疏通操作，具体过程如下：
①.带式输送机停止输送或输送速度降低。
②.电磁驱动线圈3-3控制前腿结构1-1扩张、后腿结构1-2收缩、扭转伸缩结构1-3缩短。此时用于管道清理的磁驱动软体机器人几何中心位置前进或不发生变化，且前腿结构1-1抵住柔性管5的内壁，并与堵塞物接触。
③.如图9所示，电磁驱动线圈3-3控制后腿结构1-2扩张，前腿结构1-1收缩，扭转伸缩结构1-3伸长，使得后腿结构1-2抵住柔性管5的内壁；前腿结构1-1向堵塞物施加压力，并带动钩爪2翻转来抓解堵塞物。
④.重复执行过程②和③，实现对堵塞物的不断抓解和疏通，以及磁性软机器人主体1的前进，直到堵塞物被清除后，带式输送机恢复初始输送速度。
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