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申请/专利权人：清华大学

摘要：本发明公开了一种柔性微型磁控机器人跳跃动态的分析方法，采用数值分析描述机器人在准静态变形时所能达到的稳态挠度曲线，将稳态挠度曲线应用于大挠度跳跃模型，综合运用稳态分析和瞬态分析的方法，从理论上分析不同磁场强度对机器人变形的影响，阐明了垂直跳跃的过程和本质，得出了使机器人跳跃的理论最小磁场强度，通过构建数学模型，预测在一定磁场强度下机器人的跳跃高度的。

主权项：1.一种柔性微型磁控机器人跳跃动态的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、搭建三维磁场亥姆霍兹线圈控制模型，并通过该三维磁场亥姆霍兹线圈提供一个强度、方向适当的磁场来控制磁性微型机器人的运动；所述三维磁场亥姆霍兹线圈由三对正交的电磁铁组成，通过Python程序智能调控每一个电磁铁上的电压随时间的变化，实现四维时空磁场控制，具体是通过包括聚集、分散、振荡、涡旋、飘带等多种运动模态在内的Python—ACDCPower进行三维磁场亥姆霍兹线圈智能控制；步骤二、对柔性微型磁控机器人进行准静态分析，将柔性微型机器人视为一根梁，将磁力的作用视为磁扭矩，进行材料力学分析，通过弧微分变换，将材料力学分析结果转换为挠度曲线；所述步骤二进一步包括以下子步骤：子步骤S21：定义m是指由输入磁场B0引起的单位体积的磁矩，即磁化强度分布,表示为如式1所示： 式中，Mt是总磁化强度，也称为净磁矩；m描述磁化方向的分布，在磁化之后，将展开之后的柔性微型磁控机器人初始的磁化强度分布m0描述为如式2所示： 式中，m0x和m0y代表m在x轴和y轴上的分量,m和ω分别代表m0s的模和角频率，其中ω＝2πL；施加外磁场B,按照分量表示为B[Bx,By,Bz]T；所述柔性微型磁控机器人初始时刻的总磁化强度Mt0，表示为如式3所示： 式中，A为横截面积,A＝wh；在初始时刻，施加在机器人上面的力矩Mw0来自总磁化强度Mt与外加磁场B的向量积，表示为如式4所示：Mw0＝Mt0×B4，当Mt0和B不平行时,在外加磁场B的作用下，机器人整体会发生刚体转动，直到Mt0与B达到平行，力矩变为零；当机器人整体与外加磁场B相互作用后达到平衡时，m不再是变形前的方向，而是绕z轴旋转了θ角,用ms来表示变形后的m；子步骤S22：用绕z轴的标准旋转矩阵R来表示ms,如式5、式6所示： ms＝Rm0s6；选取所述柔性微型磁控机器人沿长度方向的一段微元，将其曲率1ρ、旋转θ和沿长度方向的微段长度ds之间的关系表示为如式7所示： 对于力学梁的弯曲，有曲率1ρ和沿z方向弯矩Mz之间的关系，如式8所示： 将式7带入式8计算得出Mz,如式9所示： 子步骤S23：在准静态的条件下，所述每一段微元都处在近似平衡的状态，其平衡方程表达为如式10所示：Mz＝Mz+dMz+ΔMz10，式10中，Mz和Mz+dMz分别表示微元两端的力矩,而ΔMz是由于微元体的分布力所产生的力矩，式10进一步被写成如式11所示： 引入一个新的物理量τz,定义为z方向上单位体积产生的磁扭矩,表示为如式12所示：τz＝Rm0×B12,将其带入式11，得到如式13所示： 其中，τz是τz的模,τz＝[001]Rm0×B，Iz是z轴的惯性矩,计算得出从而完成了所述柔性微型磁控机器人的变形与力的关系的表征；步骤三、对柔性微型磁控机器人进行稳态分析与瞬态分析，构建模拟的柔性微型磁控机器人的跳跃过程；所述稳态分析指利用步骤二所得到柔性微型磁控机器人的准静态分析结果；所述瞬态分析指将稳态分析中所输入参数的改变视为时间尺度上瞬态的变化；通过所述稳态分析和瞬态分析，用若干静止的挠度曲线构建柔性微型磁控机器人跳跃过程，分析得到使所述柔性微型磁控机器人跳跃的最小磁场强度；步骤四、粘弹性机器人的跳跃阻力分析，计算在一定磁场强度下的柔性微型磁控机器人的跳跃高度；将粘弹性机器人的跳跃过程分为“带动加速段”和“带动匀速段”，构建数学模型，通过所述“带动加速段”和“带动匀速段”的过程计算，得出在一定磁场强度下柔性微型磁控机器人的跳跃高度。

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