CN114888798B - 基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，包括亥姆赫兹线圈；交流电源，其向亥姆赫兹线圈提供交流电，产生振荡磁场，同时其受计算机控制，通过改变向亥姆赫兹线圈提供的交流电的大小和频率可以对产生的振荡磁场进行调整，从而实现对微机器人的运动姿态进行控制；旋转台，其带动亥姆赫兹线圈旋转，改变振荡磁场的方向；摄像机，其对微机器人进行拍摄，得到微机器人影像；计算机，其对获得的微机器人影像进行分析得到微机器人姿态和位置信息，并将分析结果分别传递给交流电源和控制器；控制器，其根据对微机器人位置信息的分析结果，调整旋转台的旋转角度，改变振荡磁场方向，从而调整微机器人的运动方向。

Description

基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统

【技术领域】

本发明涉及微机器人控制领域，尤其涉及一种基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统。

【背景技术】

微机器人，特别是磁控微机器人在生物、医学和微组装等场合具有广泛应用。为了实现磁控微机器人的精确运动控制，现有技术已经利用OctoMag磁力操作系统在三维空间产生梯度磁场，或者亥姆赫兹线圈和麦克斯韦线圈组合产生复合磁场等方式来控制磁控微机器人的运动状态。虽然像OctoMag磁力操作系统一类的梯度磁场能够驱动磁控机器人运动，但是其无法轻易改变磁控微机器人的运动方向，并且磁控机器人在梯度磁场中的受力计算过程复杂；此外，利用亥姆赫兹线圈和麦克斯韦线圈组合产生复合磁场需要采用多组线圈组合的方式形成叠加磁场，其价格昂贵，装置结构复杂，装置搭建过程繁复，以及对磁控微机器人的驱动效率低下。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，利用旋转台带动亥姆赫兹线圈旋转，在二维平面上产生方向可控旋转的振荡磁场；并且还采集与分析微机器人的实时位置，根据实时位置与期望目标位置之间的差异，调整向亥姆赫兹线圈提供的交电流和/或旋转台的旋转角度，驱动微机器人从实时位置运动至期望目标位置，并实时调整微机器人的运动姿态。上述系统的结构简单，无磁场叠加，方便控制，以及能够控制微机器人进行高精度和高响应速度的转向运动。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，包括：

亥姆赫兹线圈；

交流电源，所述交流电源与所述亥姆赫兹线圈连接，用于向所述亥姆赫兹线圈提供交电流，使所述亥姆赫兹线圈产生振荡磁场；

旋转台，所述旋转台用于带动所述亥姆赫兹线圈旋转，改变所述振荡磁场的方向；

工作台，所述工作台设置于所述振荡磁场覆盖的区域；

微机器人，所述微机器人设置于所述工作台上，并且能够在所述工作台上运动；

摄像机，所述摄像机用于对所述微机器人进行拍摄，得到微机器人影像；

计算机，所述计算机分别与所述摄像机，所述交流电源，所述控制器连接，用于对所述微机器人影像进行分析得到微机器人姿态和位置信息，并将分析结果分别传递给交流电源和控制器；

控制器，所述控制器分别与所述计算机和所述旋转台连接；

所述控制器根据对所述微机器人影像的分析结果，调整所述旋转台的旋转角度，改变振荡磁场方向，从而调整所述微机器人的运动方向。

在其中一实施例中，所述亥姆赫兹线圈包括平行同轴放置的第一圆形导体线圈和第二圆形导体线圈；所述工作台放置于所述第一圆形导体线圈和所述第二圆形导体线圈之间。

在其中一实施例中，所述交流电源向所述亥姆赫兹线圈提供正弦交电流。

在其中一实施例中，所述旋转台包括基座、以及设置于所述基座下方并与所述基座驱动连接的电机。

在其中一实施例中，所述控制器与所述电机连接，用于向所述电机提供不同驱动电流，从而使所述电机驱动所述基座进行不同方向和/或大小的角度旋转。

在其中一实施例中，所述计算机对所述微机器人影像进行分析包括：所述计算机对所述微机器人影像进行识别处理，得到所述微机器人在所述工作台当前所处的位置坐标和所述微机器人的姿态。

在其中一实施例中，所述计算机根据所述微机器人当前所处位置坐标与所述微机器人在所述工作台的期望目标位置坐标之间的差异，生成第一控制信号，并将所述第一控制信号输入到所述控制器，从而使所述控制器向所述电机提供不同驱动电流。

在其中一实施例中，所述计算机根据所述微机器人当前的姿态与所述微机器人在所述工作台的期望运动姿态之间的差异，生成第二控制信号，并将所述第二控制信号输入到所述交流电源，从而调整所述交流电源向所述亥姆赫兹线圈提供的交电流的大小和/或频率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本申请提供的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，利用旋转台带动亥姆赫兹线圈旋转，在二维平面上产生方向可控旋转的振荡磁场；并且还采集与分析微机器人的实时位置，根据实时位置与期望目标位置，实时姿态与期望姿态之间的差异，调整向亥姆赫兹线圈提供的交电流和/或旋转台的旋转角度，驱动微机器人从实时位置运动至期望目标位置，并实时调整微机器人的运动姿态。上述系统的结构简单，无磁场叠加，方便控制，以及能够控制微机器人进行高精度和高响应速度的转向运动。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统的结构示意图。

图2是图1所示的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统中旋转台与亥姆赫兹线圈的三维结构示意图。

图3是图2对应的侧视结构示意图。

图4是图2对应的俯视结构示意图。

图5是图1所示的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统的控制流程示意图。

图6是图1所示的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统产生的振荡磁场示意图。

图7是图1所示的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统的一个实施例中螺旋微机器人的三维结构示意图。

图8是图7所示的螺旋微机器人在微机器人运动控制系统驱动下的运动轨迹示意图。

附图标记：10、亥姆赫兹线圈；11、第一圆形导体线圈；12、第二圆形导体线圈；20、交流电源；30、旋转台；31、基座；32、电机；40、工作台；41、支撑杆；42、平板；50、摄像机；60、计算机；70、控制器；80、螺旋微机器人；81、锥型头部；82、螺旋形尾部。

【具体实施方式】

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1至图4所示，本申请一实施例提供的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统包括亥姆赫兹线圈10，交流电源20，旋转台30，工作台40，摄像机50，计算机60，控制器70，以及微机器人。

交流电源20与亥姆赫兹线圈10连接，用于向亥姆赫兹线圈10提供交电流，使亥姆赫兹线圈10产生振荡磁场。可选地，交流电源20可向亥姆赫兹线圈10提供正弦交电流，这样亥姆赫兹线圈10能够在正弦交电流作用下产生方向和强度随时间均呈正弦周期性变化的振荡磁场，而在整个过程中任意时刻亥姆赫兹线圈10形成的磁场是均匀的，其不具有梯度力。

亥姆赫兹线圈10包括相互平行同轴放置的第一圆形导体线圈11和第二圆形导体线圈12。当交流电源20向第一圆形导体线圈11和第二圆形导体线圈12提供交电流时，第一圆形导体线圈11和第二圆形导体线圈12之间的空间会产生振荡磁场。其中，第一圆形导体线圈11和第二圆形导体线圈12之间的空间会产生振荡磁场如图6所示。

工作台40设置于匀强磁场覆盖的区域，并且微机器人设置于工作台40上，并且能够在工作台40上运动。可选地，工作台40设置与第一圆形导体线圈11和第二圆形导体线圈12之间，这样能够保证微机器人始终受到振荡磁场的作用。工作台40可包括支撑杆41和平板42。支撑杆41垂直设置在旋转台30，平板42固定设置在支撑杆41的上方，为微机器人提供运动的平面空间区域。支撑杆41和平板42均位于第一圆形导体线圈11和第二圆形导体线圈12之间。支撑杆41和平板42可有塑料等非磁性材料制成。当旋转台30旋转时，工作台40能够保持静止。

旋转台30用于带动亥姆赫兹线圈10旋转，改变振荡磁场的方向，。旋转台30可包括基座31，和设置与基座31下方并与基座31驱动连接的电机32。基座31整体呈圆形平板状结构。电机32的驱动输出杆可与基座31的圆心连接，驱动基座31以垂直穿过圆心的轴线为旋转轴进行旋转。当基座31受电机32的驱动旋转时，能够同步带动亥姆赫兹线圈10在二维平面上旋转，以此改变振荡磁场的方向，得到可控旋转的振荡磁场。

摄像机50，其设置于工作台40的上方，用于对微机器人进行拍摄，得到微机器人影像。摄像机50可为但不限于是工业相机。

计算机60与摄像机50连接，用于接收摄像机50拍摄得到的微机器人影像，并对微机器人影像进行识别处理，得到微机器人在工作台40当前所处的位置坐标或微机器人的姿态。

可选地，计算机60可根据微机器人在工作台40当前所处的位置坐标和在工作台的期望目标位置之间的差异，生成第一控制端信号，并将第一控制端信号输入到控制器70，此时控制器70会向电机32提供不同驱动电流，使电机32驱动基座31进行不同方向和/或大小的角度旋转。其中，上述差异可包括但不限于是当前所处的位置坐标和期望目标位置坐标之间的距离差异和/或方位差异。

可选地，计算机60可根据微机器人在工作台40当前运动姿态和在工作台的期望运动姿态之间的差异，生成第二控制端信号，并将第二控制端信号输入到交流电源20，此时调整交流电源20向亥姆赫兹线圈10提供的交电流的大小和/或频率。其中，上述差异可包括但不限于是微机器人当前运动速度、运动幅度和期望运动速度、运动幅度之间的差异。

计算机60可利用按偏差的比例/积分/微分算法(PID)，根据上述坐标之间的差异或姿态之间的差，生成控制端信号，确保后续控制器70能够精确控制旋转台30的工作。

交流电源20通过调整向亥姆赫兹线圈10提供的交流电的大小和/或频率，控制微机器人的运动姿态。控制器70，其分别与计算机60、旋转台30连接。控制器70可根据来自计算机60的控制端信号，调整旋转台30的旋转角度，改变振荡磁场方向，从而控制微机器人的运动方向。

请参见图5，交流电源20根据第二控制端信号，从而调整向亥姆赫兹线圈10提供的交流电的大小和/或频率。交流电源20向亥姆赫兹线圈10提供的交流电的大小和/或频率发生变化时，亥姆赫兹线圈10产生的振荡磁场的大小和/或频率会同步发生变化，这样微机器人受到来自振荡磁场的磁扭矩也会发生变化，从而使微机器人在工作台30上的运动状态发生改变。

控制器70还可根据第一控制端信号，向旋转台30的电机32发送驱动电流信号，从而调整旋转台30的基座31的旋转角度大小和/或方向，即基座31在顺时针方向或逆时针方向上的旋转角度大小，从而改变振动磁场旋转方向。通过上述控制流程，能够对微机器人运动进行闭环控制，准确将微机器人从当前所处位置运动至期望目标位置。

请参见图7至图8所示，在实际应用中，本申请的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统可用于驱动螺旋微机器人80运动。螺旋微机器人80整体具有圆柱形形状，其中圆柱形形状的直径可为3mm，长度可为12mm。螺旋微机器人80可由锥型头部81和螺旋形尾部82构成，螺旋形尾部82的外围布置有三条螺旋线。锥型头部81镶嵌有圆柱型永磁体，为螺旋微机器人80提供驱动力。当螺旋微机器人80处于亥姆赫兹线圈10产生的振荡磁场中，锥型头部81受到磁扭矩的作用，使螺旋微机器人80沿自身的中轴线进行高速旋转运动，与此同时螺旋形尾部82将上述高速旋转运动转化为向前的驱动力，实现螺旋微机器人80的向前运动。

具体而言，本申请的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统驱动螺旋微机器人80运动的过程如下：

(1)将螺旋微机器人80放置在工作台40的特定位置；

(2)通过交变电源20向亥姆赫兹线圈10提供3A的交流电，从而在工作台40对应的平面上产生振荡磁场，并驱动螺旋微机器人80向前进行直线运动；

(3)控制旋转台30旋转，使螺旋微机器人80转向；比如控制旋转台30旋转90°，振荡磁场的方向也随之旋转90°，此时螺旋微机器人80的运动方向与振荡磁场的方向对齐，从而达到使螺旋微机器人80转向的目的；

(4)当螺旋微机器人80运动至期望目标位置时，关闭亥姆赫兹线圈10的交流电，螺旋微机器人80则停止向前运动。

在实际操作中，可重复执行上述步骤(3)和步骤(4)，使得螺旋微机器人80能够沿着规划轨迹运动。从图8可见，螺旋微机器人80可在基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统驱动下，在二维平面沿“S”形轨迹或“U”形轨迹运动。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，包括：

亥姆赫兹线圈(10)；

交流电源(20)，所述交流电源(20)与所述亥姆赫兹线圈(10)连接，用于向所述亥姆赫兹线圈(10)提供交电流，使所述亥姆赫兹线圈(10)产生振荡磁场；

旋转台(30)，所述旋转台(30)用于带动所述亥姆赫兹线圈(10)旋转，改变所述振荡磁场的方向；

工作台(40)，所述工作台(40)设置于所述振荡磁场覆盖的区域；

微机器人，所述微机器人设置于所述工作台(40)上，并且能够在所述工作台(40)上运动；

摄像机(50)，所述摄像机(50)用于对所述微机器人进行拍摄，得到微机器人影像；计算机(60)，所述计算机(60)分别与所述摄像机(50)，所述交流电源(20)，控制器(70)连接，用于对所述微机器人影像进行分析得到微机器人姿态和位置信息，并将分析结果分别传递给交流电源(20)和所述控制器(70)；

所述控制器(70)分别与所述计算机(60)和所述旋转台(30)连接；

所述控制器(70)根据对所述微机器人影像的分析结果，调整所述旋转台(30)的旋转角度，改变振荡磁场方向，从而调整所述微机器人的运动方向；

所述亥姆赫兹线圈(10)包括平行同轴放置的第一圆形导体线圈(11)和第二圆形导体线圈(12)；所述工作台(40)放置于所述第一圆形导体线圈(11)和所述第二圆形导体线圈(12)之间。

2.根据权利要求1所述的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，所述交流电源(20)向所述亥姆赫兹线圈(10)提供正弦交电流。

3.根据权利要求1所述的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，所述旋转台(30)包括基座(31)、以及设置于所述基座(31)下方并与所述基座(31)驱动连接的电机(32)。

4.根据权利要求3所述的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，所述控制器(70)与所述电机(32)连接，用于向所述电机(32)提供不同驱动电流，从而使所述电机(32)驱动所述基座(31)进行不同方向和/或大小的角度旋转。

5.根据权利要求4所述的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，所述计算机(60)对所述微机器人影像进行分析包括：所述计算机(60)对所述微机器人影像进行识别处理，得到所述微机器人在所述工作台当前所处的位置坐标和所述微机器人的姿态。

6.根据权利要求5所述的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，所述计算机(60)根据所述微机器人当前所处位置坐标与所述微机器人在所述工作台(40)的期望目标位置坐标之间的差异，生成第一控制信号，并将所述第一控制信号输入到所述控制器(70)，从而使所述控制器(70)向所述电机(32)提供不同驱动电流。

7.根据权利要求6所述的基于振荡磁场平台的微机器人运动控制系统，其特征在于，所述计算机(60)根据所述微机器人当前的姿态与所述微机器人在所述工作台(40)的期望运动姿态之间的差异，生成第二控制信号，并将所述第二控制信号输入到所述交流电源(20)，从而调整所述交流电源(20)向所述亥姆赫兹线圈(10)提供的交电流的大小和/或频率。