一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人及其驅動裝置和方法
【專利摘要】一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人及其驅動裝置和方法，涉及微機器人及其驅動技術領域。本發明是為了解決現有微機器人驅動方式單一、適應環境單一的問題。本發明所述的泳動微機器人，具有圓柱形頭部和柔順鞭毛尾部，圓柱形頭部內腔包含一徑向磁化的圓柱形磁鐵。本發明所述的泳動微機器人的驅動裝置，包括三對正交放置的線圈，通過切換線圈之間的連接方式，控制每對線圈所通電流的方向，可以產生均勻磁場或梯度磁場。泳動微機器人的驅動方法，利用旋轉磁場的旋轉頻率和磁場梯度的大小，改變泳動微機器人的運動速度，利用旋轉磁場的旋轉軸向個梯度的方向，改變泳動微機器人的運動方向。本發明適用于醫療、微系統等微機器人應用領域。
【專利說明】
一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人及其驅動裝置和方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于微機器人及其驅動技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著微納米科學技術的不斷發展，以及人們對醫療、微系統需求的增加，微機器人近年來得到了廣泛的關注和快速的發展。對于微機器人，尺寸一般都在幾微米至幾毫米之間，可在較狹小的空間內工作，完成各種各樣宏觀機器人難以完成的任務要求。目前，國內外提出的各種泳動微機器人，驅動方式比較單一，所適應的環境也比較單一。
【發明內容】
[0003]本發明是為了解決現有微機器人驅動方式單一、適應環境單一的問題，現提供一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人及其驅動裝置和方法。
[0004]—種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，所述泳動微機器人包括:殼體
1、圓柱磁鐵2和柔順鞭毛3 ；
[0005]殼體I為含有空心內腔的圓柱形結構，柔順鞭毛3的一端固定在殼體I一個端面的中心，殼體I的中心軸線與柔順鞭毛3的中心軸線重合，
[0006]圓柱磁鐵2位于殼體I的空心內腔內部，且圓柱磁鐵2的中心軸線與殼體I的中心軸線相互垂直，
[0007]圓柱磁鐵2的磁化方向為徑向。
[0008]上述泳動微機器人，圓柱磁鐵2的材料為釹鐵硼，直徑為3mm，高度為1.5mm。
[0009]上述泳動微機器人，殼體I包括:部件一和部件二，
[0010]部件一和部件二呈軸對稱結構，對稱軸為殼體I的中心軸線，部件一和部件二能夠通過連接件相互分離或緊扣。
[0011 ]上述泳動微機器人，殼體I的材料為光敏樹脂，殼體I的直徑為5mm，高度為6mm。
[0012]上述泳動微機器人，殼體I的空心內腔呈圓柱形，且該空心內腔的中軸線與圓柱磁鐵2的中軸線相互平行，該空心內腔直徑為3.2_，長度為1.7_。
[0013]上述泳動微機器人，連接件為固定在部件一上的四個圓柱體，部件二上對應于四個圓柱體的位置設有四個圓孔，四個圓柱體分別與四個圓孔一一對應并能夠嵌入在圓孔內。
[0014]上述泳動微機器人的驅動裝置，該驅動裝置包括:三組線圈對和三個驅動單元；
[0015]每組線圈對均包括兩個完全相同且同軸設置的線圈，兩個線圈之間留有空隙，三組線圈對的中心軸線兩兩正交設置，
[0016]每個驅動單元均包括:直流電源模塊、數字/模擬轉換模塊、線圈驅動器和線圈連接切換模塊；
[0017]直流電源模塊用于為線圈驅動器提供電源，數字/模擬轉換模塊的模擬信號輸出端連接線圈驅動器的信號輸入端，線圈驅動器的驅動信號輸出端連接線圈連接切換模塊的驅動信號輸入端，
[0018]三組線圈對分別與三個驅動單元一一對應，且驅動單元的線圈連接切換模塊用于切換每對線圈之間的連接方式。
[0019]上述泳動微機器人的驅動裝置，泳動微機器人位于裝滿工作液體的容器內，且位于三對線圈對的中心。
[0020]上述泳動微機器人的驅動裝置，線圈對為亥姆霍茲線圈對。
[0021 ]上述泳動微機器人的驅動方法，該方法為:
[0022]對泳動微機器人施加旋轉磁場和磁場梯度，
[0023]利用旋轉磁場的旋轉頻率和磁場梯度的大小，改變泳動微機器人的運動速度，
[0024]利用旋轉磁場的旋轉軸向個梯度的方向，改變泳動微機器人的運動方向。
[0025]本發明所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，具有圓柱形頭部和柔順鞭毛尾部，圓柱形頭部內腔包含一徑向磁化的圓柱形磁鐵。在外加磁場的作用下，圓柱形磁鐵可以在頭部內腔體自由轉動，從而使磁鐵磁化方向和外磁場方向一致。當外部施加旋轉磁場時，泳動微機器人會由柔順鞭毛的彎曲變形，產生推進力推動機器人旋轉向前運動；當外部施加梯度磁場時，機器人會在磁梯度的驅動下，沿磁場梯度的方向向前運動。
[0026]本發明所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人的驅動裝置，包括三對正交放置的線圈，通過切換線圈之間的連接方式，控制每對線圈所通電流的方向，可以產生均勻磁場或梯度磁場。通過改變旋轉磁場的旋轉頻率，可以改變機器人的運動速度;也可通過改變磁場梯度大小，可以改變機器人的運動速度。通過改變旋轉磁場的旋轉軸向或者磁場梯度方向，可以改變機器人的運動方向。
[0027]本發明所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人及其驅動裝置和方法，驅動方式靈活，適用于醫療、微系統等微機器人應用領域。
【附圖說明】
[0028]圖1為【具體實施方式】一所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人的分解狀態不意圖；
[0029]圖2為【具體實施方式】一所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人的組合狀態示意圖；
[0030]圖3是泳動微機器人在旋轉磁場驅動下的形態示意圖，v表示運動前進方向；
[0031 ]圖4是泳動微機器人在磁梯度驅動下的形態示意圖，v表示運動前進方向；
[0032]圖5為【具體實施方式】七所述的驅動裝置中三組線圈對的結構示意圖；
[0033]圖6是旋轉場和磁梯度雙重推進微機器人的驅動裝置分別在旋轉場和磁梯度對應的兩種電流方向示意圖，其中表示R線圈半徑，i表示電流方向；
[0034]圖7是【具體實施方式】七所述的驅動裝置中三個驅動單元的驅動原理圖。
【具體實施方式】
[0035]【具體實施方式】一:參照圖1和圖2具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，所述泳動微機器人包括:殼體1、圓柱磁鐵2和柔順鞭毛3;
[0036]殼體I為含有空心內腔的圓柱形結構，柔順鞭毛3的一端固定在殼體I一個端面的中心，殼體I的中心軸線與柔順鞭毛3的中心軸線重合，
[0037]圓柱磁鐵2位于殼體I的空心內腔內部，且圓柱磁鐵2的中心軸線與殼體I的中心軸線相互垂直，
[0038]圓柱磁鐵2的磁化方向為徑向。
[0039]本實施方式所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，具有圓柱形頭部和柔順鞭毛尾部，圓柱形頭部內腔包含一徑向磁化的圓柱形磁鐵。在外加磁場的作用下，如圖3所示，圓柱形磁鐵可以在頭部內腔體自由轉動，從而使磁鐵磁化方向和外磁場方向一致。當外部施加旋轉磁場時，如圖4所示，泳動微機器人會由柔順鞭毛的彎曲變形，產生推進力推動機器人旋轉向前運動；當外部施加梯度磁場時，機器人會在磁梯度的驅動下，沿磁場梯度的方向向前運動。
[0040]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人作進一步說明，本實施方式中，圓柱磁鐵2的材料為釹鐵硼，直徑為3mm，高度為1.5mm。
[0041]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人作進一步說明，本實施方式中，殼體I包括:部件一和部件二，
[0042]部件一和部件二呈軸對稱結構，對稱軸為殼體I的中心軸線，部件一和部件二能夠通過連接件相互分離或緊扣。
[0043]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人作進一步說明，本實施方式中，殼體I的材料為光敏樹脂，殼體I的直徑為5mm，高度為6_。
[0044]殼體I由3D打印加工而成。
[0045]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人作進一步說明，本實施方式中，殼體I的空心內腔呈圓柱形，且該空心內腔的中軸線與圓柱磁鐵2的中軸線相互平行，該空心內腔直徑為3.2mm，長度為1.7mm0
[0046]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】三所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人作進一步說明，本實施方式中，連接件為固定在部件一上的四個圓柱體，部件二上對應于四個圓柱體的位置設有四個圓孔，四個圓柱體分別與四個圓孔一一對應并能夠嵌入在圓孔內。
[0047]【具體實施方式】七:參照圖5和圖7具體說明本實施方式，本實施方式為【具體實施方式】一至六任一實施方式所述的泳動微機器人的驅動裝置，該驅動裝置包括:三組線圈對和三個驅動單元；
[0048]每組線圈對均包括兩個完全相同且同軸設置的線圈，兩個線圈之間留有空隙，三組線圈對的中心軸線兩兩正交設置，
[0049]每個驅動單元均包括:直流電源模塊、數字/模擬轉換模塊、線圈驅動器和線圈連接切換模塊；
[0050]直流電源模塊用于為線圈驅動器提供電源，數字/模擬轉換模塊的模擬信號輸出端連接線圈驅動器的信號輸入端，線圈驅動器的驅動信號輸出端連接線圈連接切換模塊的驅動信號輸入端，
[0051]三組線圈對分別與三個驅動單元一一對應，且驅動單元的線圈連接切換模塊用于切換每對線圈之間的連接方式。
[0052]線圈連接切換模塊能夠切換，同向串聯還是反向串聯，最終決定線圈是產生均勻旋轉磁場還是磁場梯度。
[0053]本實施方式中，兩個線圈之間的距離等于線圈的半徑。
[0054]外磁場驅動裝置為三對兩兩正交的線圈對，三對線圈對的軸向分別對應磁場發生系統的X、Y和Z軸，三對線圈的軸線的交點對應坐標原點O，如圖5所示。進而三組線圈對也對應了三個軸的驅動單元，如圖7所示。
[0055]每對線圈均可連接一個驅動單元作為可控直流源，每個線圈接線端子的正、負極分別與切換單元連接，切換單元與驅動器電流輸出端的正、負極相連接。
[0056]【具體實施方式】八:本實施方式是對【具體實施方式】七所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人的驅動裝置作進一步說明，本實施方式中，泳動微機器人位于裝滿工作液體的容器內，且位于三對線圈對的中心。
[0057]本實施方式中，優選地，泳動微機器人位于裝滿甘油的容器內，且位于三組線圈對的中心區域。
[0058]驅動裝置中的每組線圈對通入同向電流時，構成亥姆霍茲線圈，可產生最大1mT的勻強磁場。通過控制驅動器輸出電流的幅值、相位和頻率，從而控制三對線圈中的電流，在三對線圈的中心附近產生幅值為8mT的旋轉磁場。如圖6所示，當產生均勻旋轉磁場時，會驅動微機器人同步旋轉，同時，柔順鞭毛發生彎曲變形，產生推進力推動機器人向前運動，機器人運動速度與鞭毛的長度、橫截面積、形狀、鞭毛的傾斜角度、頭部大小以及甘油濃度有關。
[0059]當每對線圈反向串聯時，線圈中所通電流方向相反，在中心區域產生磁梯度，機器人頭部內腔的圓柱磁鐵會發生自由轉動，順著磁場方向，在磁梯度的驅動下，向前運動，機器人運動速度與磁梯度大小、頭部大小以及甘油濃度有關系。
[0060]【具體實施方式】九:本實施方式是對【具體實施方式】七所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人的驅動裝置作進一步說明，本實施方式中，線圈對為亥姆霍茲線圈對。
[0061]【具體實施方式】十:本實施方式為【具體實施方式】一、二或三所述的泳動微機器人的驅動方法，該方法為:
[0062]對泳動微機器人施加旋轉磁場和磁場梯度，
[0063]利用旋轉磁場的旋轉頻率和磁場梯度的大小，改變泳動微機器人的運動速度，
[0064]利用旋轉磁場的旋轉軸向個梯度的方向，改變泳動微機器人的運動方向。
[0065]當對泳動微機器人施加旋轉磁場時，泳動微機器人是旋轉式前進的，本實施方式中所述的運動速度為機器人前進的速度，對應的運動方向也是前進的方向。
[0066]當對泳動微機器人施加磁場梯度時，泳動微機器人是直線式前進的，本實施方式中所述的運動速度為機器人前進的速度，對應的運動方向也是前進的方向。
【主權項】
1.一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，其特征在于，所述泳動微機器人包括:殼體(I)、圓柱磁鐵(2)和柔順鞭毛(3); 殼體(I)為含有空心內腔的圓柱形結構，柔順鞭毛(3)的一端固定在殼體(I) 一個端面的中心，殼體(I)的中心軸線與柔順鞭毛(3)的中心軸線重合， 圓柱磁鐵(2)位于殼體(I)的空心內腔內部，且圓柱磁鐵(2)的中心軸線與殼體(I)的中心軸線相互垂直， 圓柱磁鐵(2)的磁化方向為徑向。2.根據權利要求1所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，其特征在于，圓柱磁鐵(2)的材料為釹鐵硼，直徑為3mm，高度為1.5mm。3.根據權利要求1所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，其特征在于，殼體(I)包括:部件一和部件二， 部件一和部件二呈軸對稱結構，對稱軸為殼體(I)的中心軸線，部件一和部件二能夠通過連接件相互分離或緊扣。4.根據權利要求1所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，其特征在于，殼體(I)的材料為光敏樹脂，殼體(I)的直徑為5mm，高度為6mm。5.根據權利要求1所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，其特征在于，殼體(I)的空心內腔呈圓柱形，且該空心內腔的中軸線與圓柱磁鐵(2)的中軸線相互平行，該空心內腔直徑為3.2mm，長度為1.7_。6.根據權利要求3所述的一種旋轉磁場和磁梯度雙重推進的泳動微機器人，其特征在于，連接件為固定在部件一上的四個圓柱體，部件二上對應于四個圓柱體的位置設有四個圓孔，四個圓柱體分別與四個圓孔一一對應并能夠嵌入在圓孔內。7.權利要求1所述的泳動微機器人的驅動裝置，其特征在于，該驅動裝置包括:三組線圈對和三個驅動單元； 每組線圈對均包括兩個完全相同且同軸設置的線圈，兩個線圈之間留有空隙，三組線圈對的中心軸線兩兩正交設置， 每個驅動單元均包括:直流電源模塊、數字/模擬轉換模塊、線圈驅動器和線圈連接切換豐吳塊； 直流電源模塊用于為線圈驅動器提供電源，數字/模擬轉換模塊的模擬信號輸出端連接線圈驅動器的信號輸入端，線圈驅動器的驅動信號輸出端連接線圈連接切換模塊的驅動信號輸入端， 三組線圈對分別與三個驅動單元一一對應，且驅動單元的線圈連接切換模塊用于切換每對線圈之間的連接方式。8.根據權利要求7所述的泳動微機器人的驅動裝置，其特征在于，泳動微機器人位于裝滿工作液體的容器內，且位于三對線圈對的中心。9.根據權利要求7所述的泳動微機器人的驅動裝置，其特征在于，線圈對為亥姆霍茲線圈對。10.權利要求1所述的泳動微機器人的驅動方法，其特征在于，該方法為: 對泳動微機器人施加旋轉磁場和磁場梯度， 利用旋轉磁場的旋轉頻率和磁場梯度的大小，改變泳動微機器人的運動速度，利用旋轉磁場的旋轉軸向個梯度的方向，改變泳動微機器人的運動方向。
【文檔編號】B25J7/00GK105945902SQ201610585242
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】王樂鋒, 翟文賀, 何元哲, 黃本松, 榮偉彬, 孫立寧
【申請人】哈爾濱工業大學