[发明专利]一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置

说明书

本发明提供了一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置，主要由电磁线圈、电磁铁铁芯、操作空间、功率放大器、散热风扇、双目摄像头、计算机、手动电压调节装置、数据采集/控制卡、图像采集卡、LED照明灯及各种连接件组成。被控磁性微小机器人置于操作空间内，通过双目摄像头获取其位置及姿态，工作时分为手动与自动两种控制方式：手动控制时，通过手动电压调节装置上的调节旋钮及档位开关调节各电磁线圈电压大小与方向，从而改变磁场强度实现手动控制；自动控制时，首先通过双目摄像头获取磁性微小机器人的位置、运送物位置，然后计算机通过这些位置规划磁性微小机器人的运动轨迹及姿态改变，实验过程中计算机运用图像处理技术获取磁性微小机器人的运动状态、位置及姿态，根据所规划的下一步动作生成新的电压值，控制机器人完成一定任务，实现自动控制。

技术领域

本发明属于磁性微小机器人控制领域，涉及对磁性微小机器人的驱动、控制以及运动追踪。

背景技术

微小机器人具有体积小、灵活、适应性高等优点，在医学、军事等领域都有着广阔的应用前景。微小机器人的尺寸通常在亚毫米甚至微纳米级别，这个尺寸级别的物体在流体中将处于低雷诺数环境，这时惯性力基本可以忽略不计，起主导作用的是黏滞力。所以必须持续提供动力才能驱动微小机器人。但由于尺寸问题，传统的动力源无法装载在微小机器人上，而有缆驱动也不适合需要进行复杂任务的微小机器人，因此需要开发出新的驱动以及控制方式。

近年来微小机器人发展迅速，现有的微小机器人可按驱动方式分为两种类型：自驱动与外场驱动。自驱动是指自身能从所处环境中获得动力，常见的自驱动方式有自电泳驱动、气泡驱动、自热驱动等。外场驱动指需要施加外场才能获得动力，常见的外场驱动方式有声场驱动、磁场驱动、光驱动等。其中低强度、低频率的磁场可以穿透人体且不会对人体组织造成损伤，故磁场驱动在医学领域有着巨大的应用前景。只要采用磁性材料制作微小机器人，就能使用磁场来对其进行驱动和控制。通过对电磁铁的设计可以得到所需的磁场，调节电磁线圈的电流强度，就能改变磁场强度，从而调节作用在磁性微小机器人上的磁力与磁力矩，对磁性微小机器人进行驱动与控制。然而国内对该领域的研究正处于起步阶段，研究资料相对国外较少，因此设计出用于磁性微小机器人的磁力驱动与控制装置对磁场驱动的微小机器人的发展具有重大意义。

综上所述，磁性微小机器人的发展迫切需要一种装置，可以使用磁场驱动磁性微小机器人按一定轨迹运动，且可以控制其姿态完成一定动作，同时能快速测试磁场变化对其运动及姿态的影响。设计开发出一种用于磁性微小机器人的磁力驱动与控制装置，具有重要意义与研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磁性微小机器人的驱动与控制的装置，可通过磁场驱动磁性微小机器人控制其进行六自由度运动及改变姿态完成一定的动作，能对其进行运动追踪，并可通过手动或自动两种方式实现控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置，主要由电磁装置、控制设备、电源系统、支承系统和辅助设备组成。其中电磁装置包括电磁铁铁芯、电磁线圈与功率放大器。控制设备包括手动电压调节装置、操作空间、图像采集卡、数据采集/控制卡、双目摄像头与计算机。电源系统由220V交流电以及各用电设备对应型号的电源适配器组成。支承系统包括外箱体、内箱体、箱盖与调平支座。辅助设备有散热风扇与LED照明灯。

所述的操作空间是一个有机玻璃圆柱筒，用于放置磁性微小机器人进行控制实验。

所述的外箱体侧部上方有四个凹槽，分别用于放置前/后/左/右四个电磁铁铁芯的螺纹端，起支承作用；底部有一圆孔用于固定下方电磁铁铁芯的螺纹端；底部有16个螺纹孔，用于安装4个调平支座；侧部下方有两个相对的圆孔，用于穿过导线。

所述的内箱体为一正方体壳体，顶部为开口，用于放置有机玻璃圆柱筒操作空间与上电磁线圈；底部开有圆孔，与下方电磁铁铁芯无螺纹端配合；侧部有四个圆孔，分别与前后左右四个电磁铁铁芯的无螺纹端配合。