一种联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置的制作方法

1.本发明属于机器人驱动控制技术领域，尤其属于磁性机器人驱动装置技术领域。


背景技术：

2.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
3.现有技术中的磁性机器人驱动装置，主要用于实现各种尺寸微型机器人的远程运动控制，具有获取简单、调试方便、能够无损穿透生物组织等优点，用户可以通过调整磁性机器人驱动装置的磁场的方向和大小来对微尺度机器人实施控制，磁性机器人驱动装置一般由永磁体或者电磁铁(如亥姆霍兹线圈)组成。基于永磁体的磁性机器人驱动装置往往是通过电机的旋转或者拖动实现微尺度机器人周围磁场分布的调控,直接利用永磁体，并借助电机、机械臂等装置实现永磁体的机械运动来产生特定磁场；大部分基于永磁体的控制装置采用柱状或者长方体结构的永磁体以对操作对象产生较大的吸引力。基于电磁铁的磁性机器人驱动装置，则由多个通电螺旋管按照一定的几何配置组装而成，利用电磁铁组装成具有特定正交结构的线圈组，通过往线圈中通入交流电信号产生振荡或旋转的磁场；基于电磁铁的磁性机器人驱动装置内部通有直流或者交变电流，多个线圈相互配合可以产生空间中任意方向的静磁场或旋转磁场，为被操作对象提供梯度力或者扭矩。被操作对象往往被安放在电磁铁或者永磁体阵列内部。
4.现有技术中的磁性机器人驱动装置，主要存在如下问题：
5.①
基于电磁铁的磁性机器人驱动装置中，可提供的磁场强度较弱大约为10mt
‑
25mt之间。当微尺度磁性机器人与场源(例如线圈)距离的增加和微尺度磁性机器人的磁性部分尺寸的减小，由线圈产生的磁场梯度作用力会随之发生大幅度衰减，难以通过拖拽的方式操控微尺度(尤其是微米或者纳米尺度)的磁性机器人。造成控制失效。因此，难以满足微尺度弱磁性机器人的运动控制；
6.③
基于电磁铁的磁性机器人驱动装置中，线圈通入大电流后往往会产生大量热能，使得绝大部分能量损耗掉，一方面可用能量转化效率低，另一方面升温会改变线圈电阻，实验的稳定性较差；
7.④
基于永磁体的磁性机器人驱动装置中，往往采取永磁体与转动装置物理连接的方式，所产生的梯度磁场方向单一，难以利用机械的驱动实现磁场方向的任意切换，灵活性与可操作性较低；
8.⑤
基于永磁体的磁性机器人驱动装置中，电机拖动永磁体时旋转是的角速度受限，往往只能达到10～30赫兹每秒；
9.⑥
目前磁性机器人驱动装置(尤其是基于电磁铁的磁性机器人驱动装置)整体体积往往较大，但其工作空间的中心区域(磁场驱动控制磁性机器人的空间)反而很小，内部工作空间封闭，难以完全包含被操作对象或其所处环境，难以很好的适应任务执行环境，更灵活工作空间和更强大的磁场往往不可兼得；
10.综上所述，当前的磁性机器人驱动装置的产生的磁场要要么强度弱，要么灵活性差，难以实现任意方向强磁场和强磁梯度场在单一装置上的统一。


技术实现要素：

11.为此，本发明所要解决的技术问题在于如何兼顾磁性机器人驱动装置的磁场强度、磁场梯度以及灵活性。
12.为解决上述技术问题，本发明提供了一种联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，包括磁场发生组件和支撑组件，所述磁场发生组件包括一电磁铁阵列和一永磁体，所述电磁铁阵列包括安装于所述支撑组件上的多个电磁铁，所述多个电磁铁通电后产生复合磁场，所述永磁体为可转动的安装在所述支撑组件上的球形永磁体，所述球形永磁体在所述复合磁场作用下运动后产生驱动磁场。
13.作为进一步改进，所述多个电磁铁围绕所述球形永磁体的两磁极连线均布设置，各个所述电磁铁的两磁极连线延长相交于所述球形永磁体的中心位置，各个所述电磁铁对所述球形永磁体在水平和竖直方向的作用效果相同。
14.作为进一步改进，所述复合式磁性机器人驱动装置整体呈正置圆锥形，所述球形永磁体设于所述圆锥的锥尖位置，所述多个电磁铁围绕所述圆锥的轴线均布设置，所述电磁铁的两磁极连线与所述圆锥的母线平行。
15.作为进一步改进，所述圆锥的上方为用于放置样品池的观测空间。
16.作为进一步改进，所述支撑组件包括用于分别支撑所述多个电磁铁的多个第一支撑机构、用于支撑所述球形永磁体的第二支撑机构以及用于支撑固定所述多个第一支撑机构和所述第二支撑机构的底座，所述第一支撑机构包括连接于所述底座上的第一支撑座和连接于所述第一支撑座上的第一壳体，所述电磁铁间隙配合的插在所述第一壳体内，所述第二支撑机构包括连接于所述底座上的第二支撑座和连接于所述第二支撑座上的第二壳体，所述球形永磁体间隙配合的设于所述第二壳体内。
17.作为进一步改进，所述第一壳体为一端敞开的圆筒，所述电磁铁为圆柱状。
18.作为进一步改进，所述第一支撑座位置可调的连接于所述底座上，所述第一壳体角度可调节的连接于所述第一支撑座上。
19.作为进一步改进，所述第二壳体为半球形托盘，所述半球形托盘的托盘口设有用于支撑样品池的翻边。
20.作为进一步改进，所述第二壳体设置为自内而外依次嵌套的多个，最外层的所述第二壳体固定于所述第二支撑座上，不同所述第二壳体对应不同尺寸的所述球形永磁体。
21.作为进一步改进，所述复合式磁性机器人驱动装置模块化设计。
22.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
23.(1)本发明公开的联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，利用电磁铁产生的磁场来驱动球形永磁体，相当于通过永磁体放大了电磁信号，使得周围产生更强大的旋转、梯度或者其他变种磁场，解决了当前微尺度磁性机器人难以集成强磁场强度和大磁场梯度的问题，永磁体的旋转方向可通过旋转磁场精确调控，解决了原来基于永磁体的磁性机器人驱动装置灵活性与可操作性差、难以产生高速旋转磁场的问题，与基于纯线圈控制装置相比能产生更大的磁场强度(典型值>100mt)和梯度(典型值>1.5t/m)，并且需要更
小的能量输入(<8w)、发热量也远小于同类型产品(>100w)；相对于永磁体组成的系统来说，该发明可以灵活的产生任意方向旋转、摆动或者定向磁场，并且具有更高的响应速度
24.(2)本发明公开的联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，利用旋转磁场驱动永磁体，所需的电磁铁的线圈匝数减少，功率降低，解决了原来旋转磁场磁控系统功率大、线圈发热快、表面磁感应强度弱的问题；
25.(3)本发明公开的联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，本发明的盛有微尺度磁性机器人的样品台位于线圈上方，从样品台到显微观测模块之间的空间开阔，可观测视角更大，与之前的技术相比具有更高的灵活性和更大的可观测空间。
26.(4)本发明公开的联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，本发明的每个第一支撑套座与底座通过紧固螺丝连接，连接处的行程较大，可任意手动调节，从而使得本系统的工作中心区域可以任意放大或者缩小，整个系统的可调整性大幅提高；
27.(5)本发明公开的联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，模块化的结构设计，可以方便的任意组合来实现电磁铁整体的拓展性和磁场强度的按需调控，同时也为以后的产品升级和修改提供了更多的可能性；
28.(6)本发明公开的联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，本发明的系统结构简单、紧凑，比现有技术产品更美观和实用，整体科技感更强更精致，在微尺度磁性机器人驱动控制及生物体内应用等领域具有更高的可用性和操作性，具有很高的实用价值。
附图说明
29.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
30.图1为本发明中复合式磁性机器人驱动装置的爆炸拆分示意图；
31.图2为本发明中复合式磁性机器人驱动装置的主视图；
32.图3为本发明中复合式磁性机器人驱动装置的俯视图；
33.图4为本发明中第二支撑机构的拆分及组装示意图；
34.图5为本发明中产生水平旋转磁场时各个电磁铁线圈所施加的电压信号；
35.图6为本发明中产生水平静态磁场时各个电磁铁线圈所施加的电压信号；
36.图7为本发明中复合式磁性机器人驱动装置驱动微尺度磁性机器人的原理图。
37.其中，11、电磁铁；12、球形永磁体；21、底座；22、第一支撑座；23、第一壳体；24、第二支撑座；25、第二壳体；3、样品池。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
39.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供作为进一步改进说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。在本公开
中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
40.以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。
41.实施例一
42.参见图1至图3，如其中的图例所示，一种联合电磁与永磁的复合式磁性机器人驱动装置，包括磁场发生组件和支撑组件，上述磁场发生组件包括一电磁铁阵列和一永磁体，上述电磁铁阵列包括安装于上述支撑组件上的多个电磁铁11，上述多个电磁铁11通电后产生复合磁场，上述永磁体为可转动的安装在上述支撑组件上的球形永磁体12，上述球形永磁体12在上述复合磁场作用下运动后产生驱动磁场。
43.本实施例中优选的实施方式，上述多个电磁铁11围绕上述球形永磁体12的两磁极连线均布设置，各个上述电磁铁11的两磁极连线延长相交于上述球形永磁体12的中心位置，各个上述电磁铁11对上述球形永磁体12在水平和竖直方向的作用效果相同。
44.本实施例中优选的实施方式，上述复合式磁性机器人驱动装置整体呈正置圆锥形，上述球形永磁体12设于上述圆锥的锥尖位置，上述多个电磁铁11围绕上述圆锥的轴线均布设置，上述电磁铁11的两磁极连线与上述圆锥的母线平行。
45.本实施例中优选的实施方式，上述圆锥的上方为用于放置样品池3的观测空间。
46.本实施例中优选的实施方式，上述支撑组件包括用于分别支撑上述多个电磁铁11的多个第一支撑机构、用于支撑上述球形永磁体12的第二支撑机构以及用于支撑固定上述多个第一支撑机构和上述第二支撑机构的底座21，上述第一支撑机构包括连接于上述底座21上的第一支撑座22和连接于上述第一支撑座22上的第一壳体23，上述电磁铁11间隙配合的插在上述第一壳体23内，上述第二支撑机构包括连接于上述底座21上的第二支撑座24和连接于上述第二支撑座24上的第二壳体25，上述球形永磁体12间隙配合的设于上述第二壳体25内。
47.本实施例中优选的实施方式，上述第一壳体23为一端敞开的圆筒，上述电磁铁11为圆柱状。
48.本实施例中优选的实施方式，上述第一支撑座22位置可调的连接于上述底座21上，上述第一壳体23角度可调节的连接于上述第一支撑座22上。
49.本实施例中优选的实施方式，上述第二壳体25为半球形托盘，上述半球形托盘的托盘口设有用于支撑样品池3的翻边。
50.参见图4，如其中的图例所示，本实施例中优选的实施方式，上述第二壳体25设置为自内而外依次嵌套的多个，最外层的上述第二壳体25固定于上述第二支撑座24上，不同上述第二壳体25对应不同尺寸的上述球形永磁体12。
51.本实施例中优选的实施方式，上述复合式磁性机器人驱动装置模块化设计。
52.本发明的核心是实现了一种通过电磁铁带动永磁体旋转从而获得强大外部旋转
磁场和梯度磁场的复合式磁性机器人驱动装置，通过巧妙地结构设计将电磁铁产生的磁场与永磁体的梯度磁场相结合，使微尺度磁性机器人驱动控制系统可以产生空间任意方向的静态磁场或者旋转磁场，与传统技术产生的磁场相比相比该磁场具有更强的磁场强度、更大的磁场梯度、更高的灵活性，是本发明的最核心的思想。
53.上述电磁铁包括铜线和内部铁氧体磁芯，四个上述电磁铁两两相对并沿圆周对称分布安装，上述电磁铁插在圆筒内。电磁铁与圆筒为间隙配合，方便电磁铁的装入与拆卸。上述圆筒通过耳状结构紧固于第一支撑座上。电磁铁以底盘的几何中心呈中心对称，并且与水平面的倾斜角度和正方体对角线与水平面的倾斜角度一致，使得每个线圈对球形永磁体在垂直和水平方向上的作效果一致；四个线圈对称分布使得每个电磁铁对球形永磁体的作用效果一致。
54.上述球形永磁体为钕铁硼球形永磁体，球形永磁体设置在半球形托盘内，第二支撑座通过紧定螺丝固定在底座上，以保证球形永磁体运转过程中的稳定。球形永磁体安装在半球形托盘内部，并保持二者相互独立，即球形永磁体可以在半球形托盘内部自由转动，同时，为减小球形永磁体转动时的摩擦力，半球形托盘内部可涂一层润滑油。上述半球形托盘的作用是将球形永磁体束缚在一定范围内转动并保证其中心位置处于电磁铁延长线上的焦点；此外半球形托盘的上开口处设有翻边，可用于支撑样品池，使得样品池位于所有线圈的最顶端，进而为微尺度磁性机器人的运动提供开阔的环境空间。
55.当选择不同大小的球形永磁体时会得到不同强度和分布的磁场，因此，实现球形永磁体大小的可更换对于设备的灵活性具有重要意义，然而单一托盘无法实现不同尺寸球形永磁体的兼容装配(球形永磁体和半球形托盘不应有太大孔隙，否则容易造成球形永磁体摆动)。为此，本发明采用大球形托盘嵌套小球形托盘的方式，实现各种尺寸球形永磁体的装配。
56.在传统技术中，被观测的微尺度机器人一般位于多个电磁铁组成的半封闭空间内部，难以从不同角度对机器人进行观测。而在本发明中驱动磁场位于线圈组顶端的外部空间，球形永磁体顶端位于一个开放的区间，使得从样品台到显微观测模块之间的空间开阔，可观测视角更大，与之前的技术相比具有更高的灵活性和可观测空间。此外，现有技术产品还存在工作空间小的问题，只能对线圈内部的空间进行磁场的调控，而本发明中，由于工作空间位于整个系统外面，本发明可以对顶部开放空间内的磁场进行调控。
57.上述底座中间打孔以方便与各种实验平台相固定。
58.参见图5和图6，如其中图例所示，通过给四个电磁铁施加特定电压信号可激励电磁铁产生任意方向的磁场，该磁场作为永磁体的背景磁场可带动球形永磁体随之旋转，因此可在特定方向产生磁场。例如，当四个电磁铁(
①
、
②
、
③
、
④
)中分别通入的电压信号的时序如图5所示时，线圈周围会产生旋转磁场，球形磁体在该磁场的作用下以一定的相位差随之转动，进而在周围产生特定转速的更强大的旋转磁场；同理当给线圈施加直流电压时如图6所示时，电磁场会转动球形磁铁转向特定方向，以产生特定趋向极化的静态磁场，用于磁性机器人的拖动或者形状调控。
59.参见图7，如其中的图例所示，本发明中的复合式磁性机器人驱动装置用于驱动微尺度磁性机器人时，外部电脑充当控制系统的主机并用于显示人机交互界面和数据可视化；美国国家仪器daq板卡用于控制信号的产生和发出；四个功率放大器用于将控制信号进
一步放大并接入四个电磁铁中，实现每个电磁铁中电压信号的都独立控制、调整，使得电磁铁可以在特定的驱动平面上产生动态或者静态磁场，最终在四个通电电磁铁相互配合作用下，在工作空间产生特定方向的合成磁场，以该合成磁场作为媒介进一步用来驱动永磁体球沿特定方向运动，进而产生更加强大的可控磁场，以驱动工作空间内的微尺度机器人朝着平面中的任意方向转动或者滑动。该系统中电磁铁可以遵循预编程的控制信号产生固定的相应磁场，或者接收手柄的遥控操作信号来激活相应电磁体产生磁场实现更灵活的控制。此外本装置上方视野开阔允许使用正置显微镜进行成像观察。
60.下面介绍本发明中复合式磁性机器人驱动装置驱动微尺度磁性机器人的过程：
61.1、系统初始化，将20mm的球形永磁体放于半球形托盘内，然后把准备好的微尺度磁磁液滴机器人(由磁流体液滴组成)放入盛有水的样品池中，并安装于第一支撑机构的顶部；
62.2、打开顶部相机并移动相机位置，调整成像视野，通过显微镜初定位磁性机器人位置，选择感兴趣的实验区域，并定位该区域到显微镜的视场中心；
63.3、将四个电磁铁的线圈分别接入功率放大器模块输出端，daq板卡信号输出端接入功率放大器模块输入端，并接通电源；
64.4、打开本系统的主机控制软件，启动程序并接入手柄。
65.5、调整输出信号的最大值，避免线圈因电流过大而烧毁，启动主机的信号输出功能。
66.6、根据视野中微尺度磁液滴机器人的位置，调整手柄中摇杆的状态，使主机产生四路特定的电压信号(见图5和图6)，该电压信号经过功率放大器放大后接入四个电磁铁，使之在相互配合的作用下产生沿空间特定方向旋转的动态磁场，进而带动球形磁体随之旋转，产生更大范围和强度的空间磁场。
67.7、微尺度磁液滴机器人在永磁体运动所产生磁场的作用下，亦随之转动，当转动平面与样品池基底相切时，受底部摩擦力的作用实现滚动运动。
68.8、不断通过手柄调整输出电压的信号，改变球形永磁体的转动方向，进而调整微尺度磁液滴机器人的滚动方向，实现其运动行为的控制和路径的跟踪控制。
69.以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。