[发明专利]一种用于磁性微型机器人致动的电磁线圈磁场生成系统

权利要求书

1.一种用于磁性微型机器人致动的电磁线圈磁场生成系统，其特征在于，所述电磁线圈磁场生成系统包括电源模块以及依次相连的驱动模块、电磁线圈模块、采样调理模块和控制模块，所述控制模块连接所述驱动模块形成闭环系统，所述电源模块连接所述驱动模块用于提供能量；所述驱动模块采用双极性功率放大器，用于对所述控制模块输出的模拟电压信号进行放大、为所述电磁线圈模块提供动态电压；所述电磁线圈模块包括三轴亥姆霍兹线圈和三轴麦克斯韦线圈，用于产生动态磁场以驱动微纳机器人；所述采样调理模块用于采集所述电磁线圈模块的电流信息；所述控制模块包括通讯交互的计算机和嵌入式系统，用于根据所述电流信息自适应调整输出的所述模拟电压信号。

2.根据权利要求1所述的电磁线圈磁场生成系统，其特征在于，所述动态磁场为所述亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场和麦克斯韦线圈产生的梯度磁场合成的旋转磁场；

所述匀强磁场的磁场强度与电流呈线性关系，表达式为：

其中，B_H(t)为t时刻匀强磁场的磁场强度，μ₀为真空磁导率，N为单个线圈的匝数，I(t)为t时刻的线圈电流，a为单个线圈半径；

所述梯度磁场的磁场强度与电流呈线性关系，表达式为：

其中，B_M(t)为t时刻梯度磁场的磁场强度。

3.根据权利要求1所述的电磁线圈磁场生成系统，其特征在于，所述采样调理模块包括采样电阻、电流信号运放器和巴特沃斯滤波器，所述采样电阻的第一端连接所述电磁线圈模块的采样端，第二端连接所述电流信号运放器的输入端，所述电流信号运放器的输出端连接所述巴特沃斯滤波器的输入端，所述巴特沃斯滤波器的输出端作为所述采样调理模块的输出端连接所述嵌入式系统，所述采样电阻将所述电磁线圈模块的线圈电流信号转换为电压信号，经放大后输入至所述巴特沃斯滤波器进行低通滤波。

4.根据权利要求1所述的电磁线圈磁场生成系统，其特征在于，所述嵌入式系统包括依次连接的AD转换器、卡尔曼滤波器、基于神经网络的比例谐振微分前馈控制器和DA转换器，所述AD转换器的输入端作为所述嵌入式系统的输入端连接所述采样调理模块的输出端，所述DA转换器的输出端作为所述嵌入式系统的输出端连接所述驱动模块的输入端，所述计算机中设有所述比例谐振微分前馈控制器的神经网络结构；

比例谐振微分控制器的传递函数为：

其中，K_p为比例系数，K_R为谐振项系数，ω₀为谐振频率，ω_c为准谐振系数，K_d为微分系数；

在所述比例谐振微分控制器中增加前馈控制模块形成所述比例谐振微分前馈控制器，所述前馈控制模块的增益系数为：

其中，n′为初始化采样次数，v为采样电压，i为采样电流。

5.根据权利要求1所述的电磁线圈磁场生成系统，其特征在于，所述双极性功率放大器包括第一功放、第二功放和多个电阻，所述第一功放的同相输入端连接所述第二功放的输出端，所述第一功放的反相输入端连接所述第一功放的输出端，所述第二功放的同相输入端作为所述驱动模块的输入端连接所述嵌入式系统的输出端，所述第二功放的输出端依次连接第四电阻、第五电阻后接地，所述第二功放的反相输入端接在所述第四电阻和第五电阻之间，所述第一功放和第二功放的输出端均通过电阻连接所述电磁线圈模块的输入端。