专利名称：电磁悬浮与驱动的空间微运动方法与机械装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁悬浮与驱动的空间微运动方法与机械装置。
背景技术：
当前，各种微操作器驱动技术，虽然有多种微驱动方法和驱动器，如压电驱动器、静电驱动器和形状记忆合金驱动器，但对微操作驱动器的研究往往只论述和侧重于提高运动精度或分辨率这单一参数，虽然运动精度或分辨率可以达到较高指标，具有纳米级甚至亚纳米级的运动精度和分辨率，但是它们的运动范围却很小，一般只限于微米量级以下的小运动范围，即现有的各种微驱动方法均不能兼顾高运动精度和大运动范围这一矛盾。其次，当前各种微操作器驱动技术，均采用单一形式的驱动方式，可实现的自由度一般为单自由度和两自由度，难以满足微操作器位置姿态调整需要的多自由度要求。因此，当前各种微操作器驱动技术，运动响应速度较慢、加速度较小。
发明内容
针对当前微操作器运动范围小、自由度低、响应慢的不足，本发明的目的在于提供一种电磁悬浮与驱动的空间微运动方法与机械装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是1.一种电磁悬浮与驱动的空间微运动方法将微操作器固定在运动体上，在运动体的四个侧面和底面分别嵌入一组永磁阵列，与每组永磁阵列对应布置一组导线阵列，当运动体底面下的导线阵列通入电流时，导线阵列产生的电磁场与永磁阵列产生的电磁场相互作用，使运动体处于悬浮状态；改变通过每组导线阵列电流的大小和方向，能实现运动体上的微操作器所需6自由度的空间微运动。
每组导线阵列的高斯形磁场位置随对应永磁阵列同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置。
2.一种电磁悬浮与驱动的空间微运动机械装置包括四组导线阵列，四组永磁阵列，运动体，运动体底面下的一组永磁阵列，运动体底面下的一组导线阵列，微操作器固定座。微操作器安装在微操作器固定座上，微操作器固定座固定在运动体上，运动体的四个侧面和底面分别嵌入一组永磁阵列，与分别嵌入一组永磁阵列的运动体的四个侧面和底面，对应布置一组导线阵列。所述的微操作器为微探针、微吸管或微夹持器。
本发明具有的有益效果是采用磁悬浮技术，可实现运动体在X、Y、Z方向的平动及绕X、Y、Z轴的旋转运动等6自由度、大运动范围、高运动精度、快响应速度的微运动，运动精度可达纳米级、运动范围可达毫米级。该装置主要适用于微机电系统、生物工程、集成电路芯片制造技术、分子原子操纵等纳米级大范围运动操作领域。
图1是本发明的总体结构示意图；图2是一组永磁阵列和一组导线阵列结构示意图。
图中1.第一组导线阵列，2.第一组永磁阵列，3.运动体 4.第二组导线阵列，5.第二组永磁阵列，6.第三组永磁阵列，7.第三导线阵列，8.运动体底面下的一组导线阵列，9.第四组导线阵列，10.第四组永磁阵列，11.微操作器固定座12.导线阵列中通入箭头方向的电流，13.通电的导线阵列产生的磁场强度波形。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括包括四组导线阵列1、4、7、9，四组永磁阵列2、5、6、10，运动体3，运动体底面下的一组永磁阵列，运动体底面下的一组导线阵列8，微操作器固定座11；微操作器安装在微操作器固定座11上，微操作器固定座11固定在运动体3上，运动体3的四个侧面和底面分别嵌入一组永磁阵列，与分别嵌入一组永磁阵列的运动体3的四个侧面和底面，对应布置一组导线阵列。即第一组永磁阵列2与第一组导线阵列1、第二组永磁阵列5与第二组导线阵列4、第三组永磁阵列6与第三组导线阵列7、第四组永磁阵列10与第四组导线阵列9、运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)与运动体底面下的一组导线阵列8分别相对应。运动体3由五组永磁阵列和导线阵列实现电磁悬浮与驱动，是一个多驱动源的复杂系统。以上所述的微操作器为微探针、微吸管或微夹持器等。
如图2所示，是第三组永磁阵列和第三组导线阵列结构示意图。
永磁阵列是由基本的Halbach阵列经过二维矢量叠加而成的。这种方式排列的磁体阵列，一个表面产生的磁场强度是常规排列方式的磁场强度的倍，相应聚集的磁能是按常规排列方式的磁能的两倍，而另一表面几乎没有磁场强度存在。导线阵列产生的磁场强度大小与磁场强度峰值的位置，随通入导线阵列的电流大小和方向而变化。在导线阵列中通入箭头方向的电流12，则在导线阵列表面产生高斯形的磁场强度波形13。当永磁阵列随运动体运动时，改变导线阵列的不同导线通电，可使导线阵列的高斯形磁场位置随对应永磁阵列同步移动，始终保持导线阵列和永磁阵列的两磁场的准确作用位置。
首先运动体底面下的一组导线阵列8中的某些导线通入电流，运动体底面下的一组导线阵列8产生的电磁场与运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)产生的电磁场相互作用，使运动体处于悬浮状态。
(1)运动体在Z方向的运动实现运动体(微操作器)所需Z方向的运动轨迹和位移等参数经数学变换后，转换成运动体的运动参数。通过此参数，改变运动体底面下的一组导线阵列8中的电流大小，使运动体底面下的一组导线阵列8产生的磁场和运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)的磁场相互作用力大小变化，实现Z方向的位置移动；同时，改变通过四组导线阵列1、4、7、9电流的大小和方向，使侧面导线阵列的高斯形磁场位置分别随四组永磁阵列2、5、6、10同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置，保持运动体的稳定。
(2)运动体在X方向的运动实现运动体(微操作器)所需X方向的运动轨迹和位移等参数经数学变换后，转换成运动体的运动参数；通过此参数，改变第二、第四组导线阵列4、9中的电流大小，使第二、第四组导线阵列4、9的磁场和第二、第四组永磁阵列5、10的磁场相互作用力大小，按相反的方向变化，实现X方向的位置移动；同时，改变运动体底面下的一组导线阵列8和第一、第三组导线阵列1、7中电流的大小和方向，使导线阵列的高斯形磁场位置分别随运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)和第一、第三组永磁阵列2、6同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置，保持运动体的稳定。
(3)运动体在Y方向的运动实现运动体(微操作器)所需Y方向的运动轨迹和位移等参数经数学变换后，转换成运动体的运动参数；通过此参数，改变第一、第三组导线阵列1、7中的电流大小，使第一、第三组导线阵列1、7的磁场和第一、第三组永磁阵列2、6的磁场相互作用力大小，按相反的方向变化，实现Y方向的位置移动；同时，改变运动体底面下的一组导线阵列8和第二、第四组导线阵列4、9中电流的大小和方向，使导线阵列的高斯形磁场位置分别随运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)和第二、第四组永磁阵列5、10同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置，保持运动体的稳定。
(4)运动体绕X轴旋转的实现运动体绕X轴旋转是通过改变运动体底面下的一组导线阵列8的电流大小和方向来实现的。
运动体(微操作器)所需绕X轴旋转运动轨迹和角位移等参数经数学变换后，转换成运动体的运动参数；通过此参数，改变运动体底面下的一组导线阵列8中的电流大小和方向，使运动体底面下的一组导线阵列8产生的磁场和运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)的磁场相互作用力大小，在Y轴的正负方向按相反的规律变化，实现绕X轴旋转；同时，改变通过四组导线阵列1、4、7、9中电流的大小和方向，使导线阵列的高斯形磁场位置可随永磁阵列同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置，保持运动体的稳定。
(5)运动体绕Y轴旋转的实现运动体绕Y轴旋转是通过改变运动体底面下的一组导线阵列8的电流大小和方向来实现的。
运动体(微操作器)所需绕Y轴旋转运动轨迹和角位移等参数经数学变换后，转换成运动体的运动参数；通过此参数，改变运动体底面下的一组导线阵列8中的电流大小和方向，使运动体底面下的一组导线阵列8产生的磁场和运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)的磁场相互作用力大小，在X轴的正负方向按相反的规律变化，实现绕Y轴旋转；同时，改变通过四组导线阵列1、4、7、9中电流的大小和方向，使导线阵列的高斯形磁场位置可随永磁阵列同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置，保持运动体的稳定。
(6)运动体绕Z轴旋转的实现运动体绕Z轴旋转是通过改变四组导线阵列1、4、7、9的电流大小和方向来实现的。
运动体(微操作器)所需绕Z轴旋转运动轨迹和角位移等参数经数学变换后，转换成运动体的运动参数；通过此参数，改变四组导线阵列1、4、7、9中的电流大小，使四组导线阵列1、4、7、9的磁场和四组永磁阵列2、5、6、10的磁场分别相互作用力的大小变化，实现绕Z轴旋转；同时，改变通过运动体底面下的一组导线阵列8中电流的大小和方向，使导线阵列的高斯形磁场位置可随运动体底面下的一组永磁阵列(图中未标出)同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置，保持运动体的稳定。
上述具体实施方式
用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电磁悬浮与驱动的空间微运动方法，其特征在于将微操作器固定在运动体上，在运动体的四个侧面和底面分别嵌入一组永磁阵列，与每组永磁阵列对应布置一组导线阵列，当运动体底面下的导线阵列通入电流时，导线阵列产生的电磁场与永磁阵列产生的电磁场相互作用，使运动体处于悬浮状态；改变通过每组导线阵列电流的大小和方向，能实现运动体上的微操作器所需6自由度的空间微运动。
2.根据权利要求1所述的一种电磁悬浮与驱动的空间微运动方法，其特征在于每组导线阵列的高斯形磁场位置随对应永磁阵列同步移动，始终保持两磁场的准确作用位置。
3.一种电磁悬浮与驱动的空间微运动机械装置，其特征在于包括四组导线阵列，四组永磁阵列，运动体，运动体底面下的一组永磁阵列，运动体底面下的一组导线阵列，微操作器固定座；微操作器安装在微操作器固定座上，微操作器固定座固定在运动体上，运动体的四个侧面和底面分别嵌入一组永磁阵列，与分别嵌入一组永磁阵列的运动体的四个侧面和底面，对应布置一组导线阵列。
4.根据权利要求3所述的一种电磁悬浮与驱动的空间微运动机械装置，其特征在于所述的微操作器为微探针、微吸管或微夹持器。
全文摘要
本发明公开了一种电磁悬浮与驱动的空间微运动方法与机械装置。将微操作器固定在运动体上，在运动体的四个侧面和底面分别嵌入一组永磁阵列，与每组永磁阵列对应布置一组导线阵列，当运动体底面下的导线阵列通入电流时，导线阵列产生的电磁场与永磁阵列产生的电磁场相互作用，使运动体处于悬浮状态；改变通过每组导线阵列电流的大小和方向，能实现运动体上的微操作器所需6自由度的空间微运动、运动范围大、运动精度高、响应快的纳米级大范围运动。该装置主要适用于微机电系统、生物工程、集成电路芯片制造技术、分子原子操纵等纳米级大范围运动操作领域。
文档编号H02N15/00GK1937391SQ200610053820
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月12日 优先权日2006年10月12日
发明者陈本永, 杨涛, 潘科荣, 孙政荣, 王俊茹 申请人:浙江理工大学