一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

所述的电磁铁铁芯一端有螺纹，用于与电磁铁锁紧螺母配合；材料为工业纯铁/软铁dt4c，该种材料放入磁场中易被磁化，去除磁场后，能立刻退磁，故所述的电磁铁铁芯具有线圈通断电流时磁化与消磁响应速度快的优点。

所述的调平支座一端为半球型壳体，用于与地面接触承受载荷；另一端为开有四个孔的圆形托盘，用于与实验台箱体连接；中部为一螺杆与上下两部分通过螺纹相连接，用于调节支座高度。

本发明的优势在于：本装置基于电磁铁原理设计，装配、拆卸方便，可方便快速地调节磁场强度、方向。操作空间可更换，能模拟多种环境下的磁性微小机器人控制实验，例如大气环境、人体血液环境、油液环境等。通过双目摄像头获取图像，配合图像处理等技术可实现对磁性微小机器人的自动控制，可模拟执行定点送物、地形勘探、牵引导管等任务。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图

图2为本发明的电压调节装置细节图

图3为本发明的电磁铁安装细节图

图4为本发明的圆柱筒操作空间安放细节图

图5为本发明的散热风扇安装细节图

图6为本发明的手动控制硬件架构图

图7为本发明的手动控制实验流程图

图8为本发明的自动控制硬件架构图

图9为本发明的自动控制实验(定点运送)流程图

具体实施方法

以下结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1所示，本发明为一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置，各部分依次为：电源适配器(1)、手动电压调节装置(2)、数据采集/控制卡(3)、功率放大器(4)、电磁铁锁紧螺母(5)、有机玻璃板外箱体(6)、电磁线圈(7)、有机玻璃板箱盖(8)、电磁铁铁芯(9)、摄像头支架固定螺钉(10)、双目摄像头固定螺钉(11)、双目摄像头(12)、双目摄像头支架(13)、上部电磁线圈(14)、散热风扇(15)、led照明灯(16)、有机玻璃圆柱筒操作空间(17)、有机玻璃板内箱体(18)、支座固定螺钉(19)、调平支座(20)、图像采集卡(21)；计算机等部件未在图中表示。

本发明中的电压调节装置如图2所示，共有6组旋钮/开关，分别控制6个线圈。每组有3个部分：档位开关(22)、电压数值显示屏(23)、调节旋钮(24)。其中档位开关(22)分为3档，用于调节电压方向，中间为空挡无电压；电压数值显示屏(23)用于显示当前电压值；调节旋钮(24)用于调节电压大小。手动电压调节装置(2)上有两个相对的导线孔(25)，用于引入引出导线。

本发明的电磁铁安装细节如图3所示。六个电磁铁分为上、中、下三个部分：上部无铁芯，仅有上部电磁线圈(14)；中部有前/后/左/右四组电磁线圈(7)与电磁铁铁芯(9)；下部仅有一组电磁线圈(7)与电磁铁铁芯(9)。安装时，首先分别组装中、下部各个电磁铁铁芯(9)与电磁线圈(7)；再将各电磁铁铁芯(9)无螺纹端穿过内箱体(19)上的圆孔；然后将整体放入外箱体(6)，使其与外箱体侧壁上的凹槽及底面上的圆孔相配合；再用锁紧螺母(5)从电磁铁铁芯(9)螺纹端将其固定，从而实现中、下部电磁铁的定位。上部电磁线圈(7)在放置完有机玻璃圆柱筒操作空间(17)后放入，底面与有机玻璃圆柱筒操作空间(17)相接触，上表面外缘与有机玻璃板内箱体(18)内壁相切。电磁线圈(7)引出的导线穿过外箱体导线孔(25)与手动电压调节装置(2)相连接。至此电磁铁部分安装完成。

本发明的有机玻璃圆柱筒操作空间安放细节如图4所示。有机玻璃板圆柱筒操作空间(17)放置于有机玻璃板内箱体(18)内，其外部侧壁及底面与五个电磁铁铁芯(9)的无螺纹端紧贴；led照明灯(16)为一贴于操作空间内部侧壁上方的带状圆环，其上均布有数个led灯。

本发明的散热风扇安装细节如图5所示。共有六个散热风扇(15)，分上下两层安装：上层风扇共有四个，分别胶粘于外箱体内部的四个侧壁上，用于给中部的四个电磁线圈(7)散热，四个散热风扇(15)使内部气体循环流动形成循环风；下层风扇共有两个，胶粘于外箱体内部底面，与侧壁夹角为45度，用于给下部的电磁线圈(7)散热。由六个散热风扇(15)推动外箱体内气流流动形成空气流场加速热量散发。

以下结合附图1对本发明各组成部分进行进一步说明：

所述支承系统中，四个调平支座(20)通过支座固定螺钉(19)固定在有机玻璃板外箱体(6)的外侧底面上；外箱体侧壁上开有凹槽、底面上开有圆孔，与有机玻璃板内箱体(18)配合固定各电磁铁铁芯；有机玻璃圆柱筒操作空间(17)为磁性微小机器人的运动空间，为保证其内部光线均匀，所用材料为乳白色亚克力。

所述辅助设备中，散热风扇(15)用于给电磁线圈(7)散热，防止线圈通电时产生的热量积累导致温度过高而损坏装置；led照明灯(16)用于保证有机玻璃圆柱筒操作空间(17)内有足够的亮度使双目摄像头(12)能采集到清晰的图像。在接通电源前，将档位开关(22)调至中间空挡，接通电源后应首先开启散热风扇(15)防止装置损坏，再开启led照明灯(16)保证双目摄像头(12)能采集到清晰图像。

所述控制系统中，双目摄像头(12)采集图像信号经图像采集卡(21)处理后显示于计算机上，通过计算机实时观察磁性微小机器人的运动状态、位置及姿态。

以下结合附图1、6、7描述实施例1：手动控制

进行手动控制时，所述电磁装置由电源适配器(1)将交流电整流为手动电压调节装置(2)所需的12v直流电，再通过功率放大器(4)放大功率后分别驱动各线圈产生磁场。被控磁性微小机器人置于有机玻璃圆柱筒操作空间(17)内，通过调节手动电压调节装置(2)上的档位开关(22)与调节旋钮(24)控制其进行运动，改变姿态完成一定动作，记录相应电压。通过双目摄像头(12)记录磁性微小机器人的运动状态、位置及姿态的改变，存储于计算机中。

由于手动控制具有不灵活、无连续性、操作速度慢等缺点，故手动控制方式主要用于完成一些简单的动作，获取控制磁性微小机器人的电压数据。

以下结合附图1、8、9描述实施例2：自动控制

与手动控制相比较，自动控制时装置的工作方式有所变化。此时，手动电压调节装置(2)与功率放大器(4)的连接断开，无法手动控制。数据采集/控制卡(3)与功率放大器(4)连接，驱动电磁线圈(7)和(14)工作；由计算机及数据采集/控制卡(3)输出信号调节电压大小和方向，控制磁性微小机器人运动。其中，计算机用于接收并处理图像数据；规划磁性微小机器人的运动轨迹及姿态；通过图像处理技术获取被控磁性微小机器人的位置及姿态，判断机器人下一步所要执行的动作并规划各线圈的新电压值；输出新的电压信号至数据采集/控制卡(3)，调节磁场强度，实现对磁性微小机器人的自动控制。

以附图9所示的定点运送任务为例对自动控制流程进行说明：放入磁性微小机器人及运送物后开启散热风扇(15)与led照明灯(16)；开启双目摄像头(12)获取磁性微小机器人及运送物初始位置；对磁性微小机器人本次任务的运动轨迹及姿态进行规划；给予初始电压驱动机器人，控制机器人按轨迹移动；判断机器人是否运动至运送物位置，若到达则调节电压值控制机器人改变姿态夹持运送物，若未到达则检查机器人是否偏离设定轨迹并修改轨迹重新控制机器人移动；机器人携带运送物按轨迹继续运动；判断机器人是否运动至终点，若到达终点则调节电压值控制机器人改变姿态卸下运送物，若未到达则检查机器人是否偏离设定轨迹并修改轨迹重新控制机器人移动；通过识别终点是否有运送物来判断机器人是否完成任务，若完成任务则控制机器人回到初始位置，若未完成任务则检查错误后修改数据重新实验。