一种用于微型机器人的半开放式磁操控装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于微型机器人的半开放式磁操控装置，属于医疗机器人领域。所述装置包括固定支架、平移工作平台、磁场发生装置。磁场发生装置位于平移工作平台下方，控制磁场发生装置能够产生不同的磁场模式，包括匀强磁场，旋转磁场和振荡磁场等特殊定制的磁场模式；平移工作平台的一组对边通过固定支架支撑，上方用于放置实验/手术对象，实验/手术对象中有微型机器人；通过平移工作平台可以在平面内运动，实现了工作空间的有效拓展；控制平移工作平台在固定支架上平移，能够改变平移工作平台在磁场中的位置，从而根据不同微型机器人的特性和运动需求控制多种微型机器人的变形和运动。形和运动。形和运动。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微型机器人的半开放式磁操控装置


[0001]本公开涉及医疗机器人，尤其涉及一种半开放式磁操控装置，用于控制微型机器人变形和运动。

技术介绍

[0002]在过去的几十年中，微型机器人领域的各方面研究获得了很大的发展和进步。磁控微型机器人可通过遥控的方式实现变形和运动控制，这种技术在医学靶向给药中有很好的应用前景。基于磁控微型机器人的体内靶向给药技术具有无绳驱动，无创，给药精准并且对人体内脏没有损伤等优点，同时也对机器人磁控的精准度和响应速度有很高的要求。为了满足上述的需求，很多针对微型机器人的磁控系统应运而生。
[0003]目前，针对不同的应用场景和需求，产生了多种具有不同特点的磁场发生和控制系统。CN102579048B设计了一种空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法，该控制方法将z轴、y轴和x轴三组方型亥姆霍兹线圈组正交嵌套安装，在正交亥姆霍兹线圈装置包围的一定空间内叠加形成相应方位角旋转轴线的空间万向均匀旋转磁场。并通过该磁场控制微型机器人的转弯前进和后退等操作。CN112863805A设计了一种可编程点阵磁场控制系统，能够根据控制指令生成磁芯线圈的电路控制信号以控制磁芯线圈中的电流通断状态，磁控单元根据电流控制信号控制磁芯线圈生成的合成磁场，以驱动磁控机器人在磁控台上的运动轨迹。CN112635148B改进了传统的玄姆霍兹线圈，通过将三个正柱体在其中间位置形成互相垂直交叉连接结构，形成一个三维坐标，然后以此为基础，在其周围设置八个边角块及十二个中间块，并设定边角块、中间块及正方体柱的尺寸关系以及位置连接关系，并设置边角块与中间块之间及中间块与正方柱体之间均具有间隙，使整个亥姆霍兹线圈架的外形呈正六面体结构，从而实现每个维度的两线圈之间的距离相等，获得了工作空间相对更大的玄姆霍兹线圈结构。CN114222651A设计了一种针对微型机器人的磁驱动系统，其包含上下两个磁场生成系统和一个移动模块，从而可以在两个磁场生成系统之间产生可移动且可编程的磁场。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术，本专利技术的目的在于提出一种用于微型机器人的半开放式磁操控装置，通过平移工作平台可以在平面内运动，实现工作空间的有效拓展，可通过磁场发生装置实现包括匀强磁场，旋转磁场和振荡磁场等特殊定制的磁场模式，从而根据不同微型机器人的特性和运动需求，控制多种微型机器人的变形和运动。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下。
[0006]第一方面，本专利技术提出一种半开放式磁操控装置，所述装置包括固定支架、平移工作平台、磁场发生装置。磁场发生装置位于平移工作平台下方，控制磁场发生装置能够产生不同的磁场模式，包括匀强磁场，旋转磁场、振荡磁场等。平移工作平台的一组对边通过固定支架支撑，上方用于放置实验/手术对象，在实验/手术对象内有微型机器人，控制平移工
作平台在固定支架上平移，能够改变平移工作平台在磁场中的位置，从而改变实验/手术对象的位置，进而能够根据实验/手术对象中的微型机器人的特性和运动需求控制多种微型机器人的变形和运动。
[0007]在上述技术方案中，使用的是半开放的工作空间，即磁场发生装置位于工作空间的同一侧，可以容易地放入相对较大的实验/手术对象。控制磁场发生装置可在半开放工作空间内产生多种特定的磁场模式，产生的磁场工作空间可通过平移工作平台在平面内拓展，在拓展后的半开放式工作空间内有效的控制多种微型机器人变形和运动。
[0008]平移工作平台的一种具体实施方式为，其包括一个矩形框架、一个矩形工作平台、第一电机丝杆组合、第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合。矩形工作平台的一组对边位于矩形框架的一组对边上，在矩形框架的这组对边的一条边上，安装有第一电机丝杆组合，矩形工作平台通过滑件与丝杆连接，通过电机驱动能够使矩形工作平台沿丝杆平移。矩形框架的一组对边分别置于第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合上，第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合中的丝杆与第一电机丝杆组合中的丝杆垂直，且第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合位于固定支架的两条边上，通过电机驱动能够使矩形框架沿这两条边平移，从而使矩形工作平台沿这两条边平移。在这种实施方式中，在不改变磁场发生装置的情况下，通过平移工作平台可在两个方向上平移，可改变微型机器人在磁场中的位置。
[0009]磁场发生装置的一种实施方式，其包括电磁铁阵列，通过控制电磁铁阵列中每个电磁铁线圈中的电流大小，能够控制电磁铁阵列产生的磁场模式，包括匀强磁场，旋转磁场、振荡磁场。作为进一步改进，所述电磁铁阵列位于安装底座上。在一种实施方式中，所述匀强磁场是不超过10mT的全方向三维磁场，所述旋转磁场是在工作空间的任意平面内旋转的磁场，所述振荡磁场是平面内在设定起始角度和结束角度范围内来回振荡的磁场。
[0010]作为上述技术方案的进一步改进，电磁铁阵列采用下述步骤确定每个电磁铁参数：
[0011]以每个铁芯上端面的圆心为原点，以铁芯中心线为z轴；
[0012]当伸出右手时，以拇指指向为z轴正向，将与手心垂直的方向为x轴正向，其余四指所指的方向为y轴正向；
[0013]建立关于磁场分布于电流大小的仿真模型，根据仿真模型制作实际电磁铁；
[0014]获取通电1A时电磁铁磁场分布的仿真数据和测试数据；
[0015]通过下述公式对测试数据和仿真磁场数据进行矫正，并求解出非线性矫正函数：
[0016][0017][0018]其中：x
i
，y
i
，z
i
为第i个电磁铁磁场中的一个空间位置点坐标，B
norm
(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个电磁铁的仿真磁场数据，B
real
(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个电磁铁的测量数据，B
′
norm
(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个电磁铁经过矫正的仿真磁场数据，φ，γ，∈为非线性矫正函数的参数；
[0019]使用矫正后的仿真磁场数据替代通电1A电流时电磁铁空间磁场的真实磁场数据，进而确定每个电磁铁参数。
[0020]将上述方法确定的电磁铁，使用3个相同的电磁铁组成电磁铁阵列，安装于底座上。使3个相同的电磁铁的上端面的圆心位于第一圆的圆上且平分该圆，下端面的圆心位于第二圆的圆上且平分该圆；且第一圆和第二圆圆心的连线与每个电磁铁铁芯的中心线夹角为10
°
。
[0021]通过控制电磁铁阵列中每个电磁铁线圈中的电流大小，能够控制电磁铁阵列产生的磁场模式，一种具体实施方式为：
[0022]建立世界坐标系xyz：以第一圆的圆心为原点o，以第一圆所在平面为xoy平面，将第一圆和第二圆圆心的连线作为z轴，当伸出右手时，使拇指指向为z轴正向，使x轴正向穿过手心，其余四指所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微型机器人的半开放式磁操控装置，其特征在于，所述装置包括固定支架、平移工作平台、磁场发生装置；磁场发生装置位于平移工作平台下方，控制磁场发生装置能够产生不同的磁场模式；平移工作平台的一组对边通过固定支架支撑，上方用于放置实验/手术对象，实验/手术对象中有微型机器人；控制平移工作平台在固定支架上平移，能够改变平移工作平台在磁场中的位置，从而改变实验/手术对象的位置，进而控制实验/手术对象中微型机器人的变形和运动。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，平移工作平台包括一个矩形框架、一个矩形工作平台、第一电机丝杆组合、第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合；矩形工作平台的一组对边位于矩形框架的一组对边上，在矩形框架的这组对边的一条边上，安装有第一电机丝杆组合，矩形工作平台通过滑件与丝杆连接，通过电机驱动能够使矩形工作平台沿丝杆平移；矩形框架的一组对边分别置于第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合上，第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合中的丝杆与第一电机丝杆组合中的丝杆垂直，且第二电机丝杆组合、第三电机丝杆组合位于固定支架的两条边上，通过电机驱动能够使矩形框架沿这两条边平移，从而使矩形工作平台沿这两条边平移。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，磁场发生装置包括电磁铁阵列；通过控制电磁铁阵列中每个电磁铁线圈中的电流大小，能够控制电磁铁阵列产生的磁场模式。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电磁铁阵列采用下述步骤确定每个电磁铁参数：以每个铁芯上端面的圆心为原点，以铁芯中心线为z轴；当伸出右手时，以拇指指向为z轴正向，将与手心垂直的方向为x轴正向，其余四指所指方向为y轴正向；建立关于磁场分布于电流大小的仿真模型，根据仿真模型制作实际电磁铁；获取通电1A时电磁铁磁场分布的仿真数据和测试数据；通过下述公式对测试数据和仿真磁场数据进行矫正，并求解出非线性矫正函数：并求解出非线性矫正函数：其中：x
i
，y
i
，z
i
为第i个电磁铁磁场中的一个空间位置点坐标，B
norm
(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个电磁铁的仿真磁场数据，B
real
(x
i
，y
i
，z
i
)为第i个电磁铁的测量数据，B
′
norm
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天添，李冬，黄晨阳，徐升，吴新宇，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：