[發明專利]一種磁性微小機器人六維磁力驅動與控制裝置

在審

• 申請號: 201811312269.8
• 申請日: 2018-11-06
• 公開（公告）號: CN109249375A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 裴永臣;徐龍;瞿川;趙儒仕;李皓
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B25J7/00
• 分類號: B25J7/00;B25J9/10;B25J9/16;B25J13/00;B25J13/08;B25J19/00
• 代理公司: 蘇州創策知識產權代理有限公司 32322
• 代理人: 董學文

本發明提供了一種磁性微小機器人六維磁力驅動與控制裝置，主要由電磁線圈、電磁鐵鐵芯、操作空間、功率放大器、散熱風扇、雙目攝像頭、計算機、手動電壓調節裝置、數據采集/控制卡、圖像采集卡、LED照明燈及各種連接件組成。被控磁性微小機器人置于操作空間內，通過雙目攝像頭獲取其位置及姿態，工作時分為手動與自動兩種控制方式：手動控制時，通過手動電壓調節裝置上的調節旋鈕及檔位開關調節各電磁線圈電壓大小與方向，從而改變磁場強度實現手動控制；自動控制時，首先通過雙目攝像頭獲取磁性微小機器人的位置、運送物位置，然后計算機通過這些位置規劃磁性微小機器人的運動軌跡及姿態改變，實驗過程中計算機運用圖像處理技術獲取磁性微小機器人的運動狀態、位置及姿態，根據所規劃的下一步動作生成新的電壓值，控制機器人完成一定任務，實現自動控制。

技術領域

本發明屬于磁性微小機器人控制領域，涉及對磁性微小機器人的驅動、控制以及運動追蹤。

背景技術

微小機器人具有體積小、靈活、適應性高等優點，在醫學、軍事等領域都有著廣闊的應用前景。微小機器人的尺寸通常在亞毫米甚至微納米級別，這個尺寸級別的物體在流體中將處于低雷諾數環境，這時慣性力基本可以忽略不計，起主導作用的是黏滯力。所以必須持續提供動力才能驅動微小機器人。但由于尺寸問題，傳統的動力源無法裝載在微小機器人上，而有纜驅動也不適合需要進行復雜任務的微小機器人，因此需要開發出新的驅動以及控制方式。

近年來微小機器人發展迅速，現有的微小機器人可按驅動方式分為兩種類型：自驅動與外場驅動。自驅動是指自身能從所處環境中獲得動力，常見的自驅動方式有自電泳驅動、氣泡驅動、自熱驅動等。外場驅動指需要施加外場才能獲得動力，常見的外場驅動方式有聲場驅動、磁場驅動、光驅動等。其中低強度、低頻率的磁場可以穿透人體且不會對人體組織造成損傷，故磁場驅動在醫學領域有著巨大的應用前景。只要采用磁性材料制作微小機器人，就能使用磁場來對其進行驅動和控制。通過對電磁鐵的設計可以得到所需的磁場，調節電磁線圈的電流強度，就能改變磁場強度，從而調節作用在磁性微小機器人上的磁力與磁力矩，對磁性微小機器人進行驅動與控制。然而國內對該領域的研究正處于起步階段，研究資料相對國外較少，因此設計出用于磁性微小機器人的磁力驅動與控制裝置對磁場驅動的微小機器人的發展具有重大意義。

綜上所述，磁性微小機器人的發展迫切需要一種裝置，可以使用磁場驅動磁性微小機器人按一定軌跡運動，且可以控制其姿態完成一定動作，同時能快速測試磁場變化對其運動及姿態的影響。設計開發出一種用于磁性微小機器人的磁力驅動與控制裝置，具有重要意義與研究價值。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于磁性微小機器人的驅動與控制的裝置，可通過磁場驅動磁性微小機器人控制其進行六自由度運動及改變姿態完成一定的動作，能對其進行運動追蹤，并可通過手動或自動兩種方式實現控制。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種磁性微小機器人六維磁力驅動與控制裝置，主要由電磁裝置、控制設備、電源系統、支承系統和輔助設備組成。其中電磁裝置包括電磁鐵鐵芯、電磁線圈與功率放大器。控制設備包括手動電壓調節裝置、操作空間、圖像采集卡、數據采集/控制卡、雙目攝像頭與計算機。電源系統由220V交流電以及各用電設備對應型號的電源適配器組成。支承系統包括外箱體、內箱體、箱蓋與調平支座。輔助設備有散熱風扇與LED照明燈。

所述的操作空間是一個有機玻璃圓柱筒，用于放置磁性微小機器人進行控制實驗。

所述的外箱體側部上方有四個凹槽，分別用于放置前/后/左/右四個電磁鐵鐵芯的螺紋端，起支承作用；底部有一圓孔用于固定下方電磁鐵鐵芯的螺紋端；底部有16個螺紋孔，用于安裝4個調平支座；側部下方有兩個相對的圓孔，用于穿過導線。

所述的內箱體為一正方體殼體，頂部為開口，用于放置有機玻璃圓柱筒操作空間與上電磁線圈；底部開有圓孔，與下方電磁鐵鐵芯無螺紋端配合；側部有四個圓孔，分別與前后左右四個電磁鐵鐵芯的無螺紋端配合。