本技术涵盖柔性微型机器人领域,介绍一款新型多尺度自适应电热磁驱动夹持机器人及其记忆夹爪。该机器人系统由记忆夹爪、运动机构、可调电源和控制器组成。记忆夹爪由基座和内置加热单元的弯曲夹臂构成,夹臂基体采用含铁磁性或永磁体颗粒的形状记忆聚合物。在自然状态下,夹臂闭合。运动机构与基座相连,可调电源供电给加热单元,控制器驱动夹爪移动并精准调控加热,以适应不同尺寸物体的抓取需求。该发明有效解决了传统夹持机器人动作调控困难和磁场干扰问题。
背景技术
基于形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,简称SMP)的夹持机器人是一种前沿的微型柔性机器人。不同于传统的基于机电设备的机器人,此类机器人中SMP的记忆恢复特性使得机器人本体及其部件被能够在外界条件刺激(如热,电,磁,光等)下恢复为初始形状,并据此实现动作控制;因此在航空航天、生物医疗、4D打印、柔性微电子等领域具有广阔的应用前景。
传统的SMP型机器人的驱动技术主要包括电热驱动、光热驱动技术和磁驱动。其中,电热驱动技术通过对机器人部件进行电加热进行动作调控,实现方式包括:(1)使用介电弹性体(DEA)作为基体;(2)在形状记忆聚合物基体中掺杂碳质填料(石墨烯、炭黑、碳纤维等);(3)在形状记忆聚合物基体中掺杂金属填料(金、银纳米颗粒等)。光热驱动技术包括激光驱动、光纤驱动、红外光驱动、紫外光驱动。(3)磁驱动技术则使得机器人部件具有导磁性,然后通过动态磁场调控其执行动作。
在实际应用过程中,以上三种驱动技术均存在某些缺陷,例如:
对于电热驱动技术:介电弹性体(DEA)制成的记忆夹爪需要非常高的电压(通常达到数千伏)才能进行操纵,容易造成介电击穿,存在安全隐患,不具备生物安全性。而碳质填料往往存在热传导效率慢、加热不均匀等问题,影响响应时间(普遍在几十至上百秒),同时缺乏对易碎物体的抓取策略。金属填料价格昂贵,而且易在空气中氧化。
对于光热驱动技术:光热记忆夹爪因材质柔软而提高响应时间,同时导致刚性低,往往依赖于法向摩擦力产生的粘附力,导致其夹持力不足。且这种驱动方式仅能实现“夹”的动作,难以应对较大负载的物体。此外,光热记忆夹爪的驱动效果在复杂空间环境中应用时存在局限性,例如在某些遮挡状态下,然后实现光激发。
对于磁热驱动技术:由于铁氧材料的低磁化率,导致磁驱记忆夹爪的载重比较低(自重的几十倍至百倍);同时,磁驱记忆夹爪工作时需要磁场全程跟随,且需要工作在非磁场环境下,以避免环境磁场对驱动磁场造成干扰。因此,磁热驱动的夹持机器人通常无法用于抓取铁磁性物体,灵活性受到限制。
实现思路