一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。

A Six-Dimensional Magnetic Drive and Control Device for Magnetic Micro Robot

The invention provides a six-dimensional magnetic drive and control device for a magnetic micro-robot, which mainly consists of an electromagnetic coil, an electromagnet core, an operating space, a power amplifier, a cooling fan, a binocular camera, a computer, a manual voltage regulator, a data acquisition/control card, an image acquisition card, an LED lighting lamp and various connectors. The controlled magnetic micro-robot is placed in the operating space, and its position and posture are acquired by binocular camera. When working, it can be divided into two control modes: manual control, adjusting the magnitude and direction of the electromagnetic coil voltage by adjusting knobs and gear switches on the manual voltage regulating device, so as to change the magnetic field intensity to achieve manual control. The position of the magnetic micro-robot and the position of the conveyor are obtained by binocular camera. Then the computer plans the trajectory and attitude change of the magnetic micro-robot through these positions. During the experiment, the computer uses image processing technology to obtain the motion state, position and attitude of the magnetic micro-robot. According to the planned next action, a new voltage value is generated and the machine is controlled. Man accomplishes certain tasks and realizes automatic control.

【技术实现步骤摘要】
一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术的优势在于：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为本专利技术的总体结构示意图图2为本专利技术的电压调节装置细节图图3为本专利技术的电磁铁安装细节图图4为本专利技术的圆柱筒操作空间安放细节图图5为本专利技术的散热风扇安装细节图图6为本专利技术的手动控制硬件架构图图7为本专利技术的手动控制实验流程图图8为本专利技术的自动控制硬件架构图图9为本专利技术的自动控制实验(定点运送)流程图具体实施方法以下结合附图对本专利技术进行进一步说明：如图1所示，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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对本专利技术各组成部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置，主要由电源适配器(1)、手动电压调节装置(2)、数据采集/控制卡(3)、功率放大器(4)、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)、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)、调平支座(20)、图像采集卡(21)等组成。

【技术特征摘要】
1.一种磁性微小机器人六维磁力驱动与控制装置，主要由电源适配器(1)、手动电压调节装置(2)、数据采集/控制卡(3)、功率放大器(4)、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)、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)、调平支座(20)、图像采集卡(21)等组成。2.根据权利要求1所述的磁力驱动与控制装置，其特征在于：被控磁性微小机器人置于可更换的有机玻璃圆柱筒操作空间(17)内；由电源适配器(1)驱动散热风扇(15)进行散热，驱动LED照明灯(16)进行照明；双目摄像头(12)及图像采...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴永臣，徐龙，瞿川，赵儒仕，李皓，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22