[实用新型]外磁场控制微机器人运动及位姿系统

说明书

                        技术领域

本实用新型涉及微机器人的磁场控制技术，特别涉及一种外磁场控制微机器人运动及位姿系统。

                        背景技术

目前体内微机器人的无线驱动方法驱动主要可以分为感应耦合方法、电磁波以及磁场方法。其中，感应耦合方法是根据麦克斯韦(Maxwell)电磁场原理，通过松耦合变压器的初级线圈和次级线圈之间的电磁感应来传递能量的；电磁波方法是在体外电磁波发射源发射的电磁波通过体内微机器人设置的接收线圈转化成为电能驱动微机器人运动。上述两者适用于远距离能量传输，前者能够传输较大功率的能量，后者传输能量较小；但是两者都存在效率低的缺点，而且能量转化装置都比较复杂。磁场方式是通过体外的磁场发生装置产生需要的磁场驱动体内微机器人运动；外部恒稳磁场对于人体几乎没有伤害，已逐渐应用于体内胶囊的驱动，利用组合线圈可以在其内部区域得到均匀的磁场强度或均匀变化的场强梯度。M.Sendoh、Ishiyama等人使用正交的三轴亥姆霍兹线圈通电在其线圈内部合成一个旋转的磁场，研制了用于胶囊内窥镜的电磁驱动器；简晓云则提出使用亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对的组合线圈形成具有强度梯度的磁场直接驱动胶囊内窥镜。从驱动原理来看，这种组合电磁线圈的方法一个要求是，微机器人或微胶囊一定处于线圈内部。考虑到微机器人或微胶囊微机电系统应用于人体诊疗，如果线圈固定且其产生的磁场能够人体的整个腹部，则导致线圈的体积庞大，而体积增大会导致产生一定磁场强度需要的电流快速增大，同时直流电磁线圈的发热将消耗一大部分能量，并且磁场发生装置都很复杂。

                      实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点及不足，提供一种结构简单、合理，易于操作，效率高的外磁场控制微机器人运动及位姿的系统。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种外磁场控制微机器人运动及位姿系统，包括磁场发生装置、微机器人，磁场发生装置与微机器人通过磁场作用无线连接，其特征在于：所述磁场发生装置为永磁体圆周阵列，所述永磁体圆周阵列包括多个永磁体，每个永磁体处于各自不同的初始位置和角度并绕自身中心在阵列平面内以相同速度旋转，从而在阵列中心点产生一个旋转磁场；该旋转磁场强度大小恒定，旋转速度等于永磁体的自转速度；所述微机器人包括胶囊状基体，在胶囊状基体的圆柱段上附着两个磁性相对的永磁片，所述两个永磁片使微机器人产生一个磁矩。

所述微机器人的胶囊状基体圆柱段的表面为螺旋表面。

所述微机器人的胶囊状基体圆柱段的永磁片为片状、条状、瓦状或其他形状。

所述永磁体可为圆柱体、长方体或者多面柱体等形状。

所述永磁体圆周阵列由多个永磁体的体积中心点沿圆周阵列，并且每个永磁体按照排列要求转到各自相应的初始角度。

所述永磁体的数量可为2个或2个以上，数量越多形成的旋转磁场越均匀，在实际使用中根据需要确定永磁体的数量。

一种由上述系统实现的外磁场控制微机器人运动及位姿的方法，包括下述步骤：

1、将n个永磁体沿圆周方面阵列排列布置，形成永磁体圆周阵列，具体步骤为——

(1)建立固定的全局坐标系YOZ，以及随永磁体转动的局部坐标系Y_iO_iZ_i(i＝1，2，...，n)，局部坐标系正向Z_i为永磁体磁化方向，原点O_i为永磁体体积中心点。

(2)将局部坐标系Y₁O₁Z₁原点O₁固定在全局坐标系下点(r_p，0)，并以其为基点将所有圆柱永磁体绕O点沿圆周正向(逆时针)均匀布置。永磁体的中心点均在半径为r_p的圆周上，相邻永磁体中心点对应的圆心角为360°/n。

(3)旋转每个永磁体到对应位置；依次旋转局部坐标系Y_iO_iZ_i使其相对于全局坐标系YOZ的转角依次为720°*(i-1)/n(i＝1，2，...，n)；这样在阵列中心区域，得到一个强度非常均匀的磁场，其转动速度等于阵列永磁体的转动速度。