CN100554755C

CN100554755C - 一种永磁微型机器人

Info

Publication number: CN100554755C
Application number: CNB2007101788106A
Authority: CN
Inventors: 宋涛; 杨岑玉; 王铮; 王喆; 于阳
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: CN101169212A

Abstract

一种永磁微型机器人，由外壳(5)，轴向磁化的永磁块(1)，径向磁化的永磁块(2)，无磁性微型轴承(3)和螺旋桨(4)组成。外壳(5)头部圆滑，底部(6)有腔体(7)，并在腔体中充入润滑脂。通过无磁性微型轴承(3)连接轴向磁化的永磁块(1)和径向磁化的永磁块(2)。通过螺旋桨的轴(8)固接径向磁化的永磁块(2)和螺旋桨(4)。外磁场由旋转磁场装置和均匀磁场装置产生，旋转磁场装置由三组正交亥姆霍兹线圈和正弦电流源及移相器组成，均匀磁场装置由三组正交亥姆霍兹线圈和三组直流电流源组成。在旋转磁场作用下，机器人利用径向磁化的永磁块(2)旋转并产生轴向推动力进行驱动，同时在均匀磁场偏转性导向的作用下，机器人实现灵活转向，沿着期望轨迹运动。

Description

一种永磁微型机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种微型机器人。

背景技术

随着超精密加工、微电子机械集成和基于功能材料为驱动器技术的发展，微型机器人成为国内外研究的热点，特别是进入人体的无线内窥镜、血管机器人以及面向工业设备细小管路探测用的微型机器人。由于工作环境的特殊，这类微型机器人不可能是普通机器人的简单微小化，特别是在驱动方式上会与普通机器人有很大的不同。目前，微型机器人的驱动方式大致可以分为两类：一类是利用机器人本体执行机构进行驱动；另一类是借助外场进行驱动，主要是利用一些功能材料对外加物理场的响应特性制成微执行器，通过外场激励实现无线驱动。

目前，大多数微型机器人的执行机构还是采用本体执行机构驱动方式。如美国专利5337732、5662587、5906591，“仿蛇或尺蠖内窥镜机器人”；中国专利01126965.0，“六足仿生微型机器人”；03129612.2，“仿蝌蚪与螺旋的血管机器人”；浙江大学周银生等提出的仿蜗牛和仿蝌蚪机器人；中国科学院合肥智能机械研究所梅涛等提出的仿壁虎爬行机器人以及上海交通大学颜国正等研制的微型六足仿生机器人。这种本体驱动方式通常需要把电源设计在微机器人内部，机器人的尺寸很难做小，一般在厘米量级；带电池作业存在漏电的危险，并且受电量的限制，体内工作的时间有限；其姿态改变主要靠管道或接触面的自然约束来实现，因而对接触面有一定的损伤，在一些曲率较大的管道处还可能造成堵塞。

为了避免本体驱动方式的以上几点弊端，研究者把研究热点投向了外场直接驱动方式，其中研究较多的是外磁场驱动方式。如日本名古屋大学T.Fukuda等用巨磁致伸缩材料制成了由交变磁场激励的微型管道机器人；大连理工大学张永顺等研究了基于磁致伸缩薄膜驱动器的泳动微机器人等，利用磁致伸缩材料的特性，外加交变磁场使由磁致伸缩材料制成的部件发生形态改变从而可达到驱动的目的；中国科学院合肥智能机械研究所梅涛等研究的外磁场驱动的胶囊内窥镜机器人，利用外加梯度磁场的吸引力可驱动永磁机器人；中国科学院电工研究所王秋良等研制了均匀梯度磁场驱动永磁块的磁导航外科手术模型系统；日本千叶大学H.Saotome等还开发了双永磁执行器的微型游动机器人；梅涛等研究了铁磁橡胶做执行器的毫米级游泳机器人；日本东北大学K.Ishyama等用金属线螺旋缠绕永磁材料制成了由旋转磁场驱动的微型机器人，其原理是利用外加旋转磁场驱动径向磁化的永磁块旋转，从而产生轴向摩擦推动力驱动机器人运动，并且通过调整旋转磁场的旋转轴来控制机器人的转向。实际上这种旋进方式有一定的缺陷：螺旋纹使得吞咽、排出不便；同时器官内的残渣可能填塞螺纹间隙，难以保证旋进的效率：此外阻力的存在以及采用一个旋转磁场既控制机器人旋转又控制机器人转向，使得机器人的转向控制会受到很大局限，其在姿态控制和运动的灵活性方面存在着不足。这些外磁场驱动方式机器人的最大优点是机器人本体不需要电机，也不需要能源，因此尺寸可以做得很小，有的已经做到直径小于1.5mm。

发明内容

本发明目的是克服现有微型机器人姿态控制与移动灵活性欠佳等缺点，设计一种可用于微小无磁性管道特别是生物管道中检查和作业的永磁微型机器人。本发明采用外磁场复合调控，即利用永磁机器人的径向磁化磁块在旋转磁场作用下旋转，产生轴向推动力实现其在管道内的前进或后退，结合永磁机器人的轴向磁化磁块在均匀磁场作用下导向，从而实现灵活转向。本发明永磁微型机器人的灵活性和可控性得到了很大的提高，为其潜入各种微小管道的在线作业打下了基础。

本发明永磁微型机器人由外壳，永磁磁体，无磁性微型轴承和螺旋桨组成。永磁微型机器人外壳的头部圆滑，外部无突起和沟槽，其底部有腔体并在腔体中间开一个轴向通孔。机壳表面采用光滑的，具有一定韧性和柔性的材料包覆。永磁体有同轴的两个Nd-Fe-B磁块组成，一个轴向磁化；另一个径向磁化，即磁化方向与轴线垂直，并与螺旋桨固接。两块永磁磁体由无磁性微型轴承连接，可以沿共同的轴线相对运动。磁块利用线切割加工制作，机器人尺度控制在毫米量级。该机器人由外磁场进行驱动和控制。

本发明永磁微型机器人由外磁场复合调控其动作行为。其中外磁场由旋转磁场和均匀磁场组成。旋转磁场由在三组两两正交的亥姆霍兹线圈通以交变电流得到，控制电流的相序和大小，可以实现空间任意旋转平面和任意磁场强度。均匀磁场由在三组两两相交的亥姆霍兹线圈中通以可调直流电流得到，调整电流的大小可以控制均匀磁场的方向和强弱。将永磁微型机器人置入管道中，调节旋转磁场的磁场强度和旋转频率，使永磁机器人在旋转磁场的磁转矩T_M2的作用下与旋转磁场同步旋转，从而带动固接在径向磁化的永磁块上的螺旋桨旋转。螺旋桨和管道中液体的相互作用产生轴向力F_a，驱动永磁机器人前进或后退。在均匀磁场

作用下，永磁机器人产生磁转矩T_M，调节均匀磁场

的强度和方向，使机器人转向期望方向，从而完成机器人姿态的控制。

本发明通过布置在体外巨磁电阻(GMR)传感器等组成的磁场检测系统，检测永磁微型机器人内永磁块磁场空间分布的变化，并提供给计算机处理系统。由计算机处理系统根据定位算法计算得到永磁微型机器人的矢量位置信息及姿态信息，根据这些信息，计算机利用所设计的控制算法，计算出所需电流的大小和方向。通过接口电路调整程控电源系统的输出，使电源给亥姆霍兹线圈提供所需的电流，从而控制旋转磁场和均匀磁场的强度和方向，最终控制机器人的运动速度和方向，使机器人沿着期望轨迹运动。

本发明通过将磁场技术，传感技术，计算机技术，自动控制技术等结合并应用于微小型管道检测领域，以实现管道微机器人的外部无线驱动控制。采用旋转磁场和均匀磁场复合调控的微型机器人，能够有效的完成前进、后退、俯仰、偏转等动作要求，在一定程度上解决了姿态控制与移动灵活性欠佳等缺点。具有体积小，动作灵活，操作方便等优点。

本发明可以用于人体内无线内窥镜、血管机器人，或者用于工业环境中细小的无磁性管道的探测。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为永磁微型机器人的结构示意图，图中：1外壳、2轴向磁化的永磁块、3无磁性微型轴承、4径向磁化的永磁块、5螺旋桨的轴、6螺旋桨、7底部、8腔体；

图2为永磁微型机器人位置和姿态检测及控制流程图。

具体实施方式

如图1所示。本发明永磁微型机器人由外壳1，轴向磁化的永磁块2，径向磁化的永磁块4，无磁性微型轴承3和螺旋桨6组成。外壳1头部圆滑，中间无突起和沟槽。在机身外壳1的内部后端有螺旋槽，与底部7外周螺旋槽密闭配合，这样便于机器人的拆卸。机器人底部7有腔体8，并在腔体8中间开一个轴向通孔。在腔体8中充入润滑脂，可以防止管道中的液体进入机身。外壳1内部上端做成两个突起，把轴向磁化的永磁块2粘贴于两个突起上。轴向磁化的永磁块2通过无磁微型轴承3和径向磁化的永磁块4相连，并且永磁块2、4可以沿共同的轴线相对转动。通过螺旋桨的轴5固接径向磁化的永磁块4和螺旋桨6。永磁块2、4采用Nd-Fe-B磁体，利用线切割加工制作。机器人尺度控制在毫米量级。机器人安装完成后，在其表面采用光滑的，具有一定韧性和柔性的材料包覆。

永磁微型机器人的动作行为由外磁场复合调控。其中外磁场由旋转磁场发生装置和均匀磁场发生装置产生。旋转磁场发生装置由三组亥姆霍兹线圈和三组幅值相位可控的正弦电流源组成。三组亥姆霍兹圆形线圈直径相等，并互为正交。每组亥姆霍兹线圈由两个镜像对称的线圈组成，间距为线圈半径。三组亥姆霍兹线圈分别与三组幅值相位可控的正弦电流源相连，控制各个亥姆霍兹线圈组的电流相序和大小，可实现空间任意旋转平面和任意磁场强度的旋转磁场。均匀磁场发生装置有三组亥姆霍兹线圈和三组高精度直流电流源组成。三组亥姆霍兹线圈与旋转磁场的三组亥姆霍兹线圈可共用骨架。三组亥姆霍兹线圈组分别和三组高精度的直流电流源相连。在计算机的控制下，三组直流电流源分别向三组亥姆霍兹线圈组供应可调直流电流，调整各个线圈组电流的大小，便可实现磁场强度在数值和方向上均连续可调的均匀磁场。

外磁场复合调控的微型机器人的运动特征描述如下。

●机器人的前进和后退运动

将微型机器人置入所需检测的管道，加入均匀磁场

，调节其场强的大小和方向，使机器人轴向磁化的永磁块2和径向磁化的永磁块4的合成磁矩方向与所加均匀磁场的方向一致，即调节机器人姿态为期望姿态，此时机器人处于静止状态。加入旋转磁场

，调节其磁场强度和旋转频率；同时调节均匀磁场

的场强大小，并且调整其磁场方向和轴向磁化的磁块2的磁化方向一致，使

和

的合成磁场方向与机器人的合成磁矩方向位于同一个锥面内。径向磁化的磁块4在旋转磁场产生的磁力矩T_M2的作用下，最终和旋转磁场保持夹角θ恒定进行同步旋转。径向磁化的磁块4带动螺旋桨6一起旋转，同时螺旋桨6和管道中液体的相互作用可产生轴向驱动力F_a，推动机器人前进。当旋转磁场反向旋转时，便可实现机器人沿轴向的后退运动，其驱动与运行原理与前进时的情况相同。

根据期望的路径和姿态，调节均匀磁场的方向，可以实现机器人的运动控制。

●机器人的转向运动

由于管道曲折复杂，大多机器人是靠接触面的自然约束来实现姿态的改变，属于姿态的被动改变。而本发明可通过改变均匀磁场场强的大小和方向来实现急转弯及快速转弯。在均匀磁场

的作用下，永磁机器人产生磁转矩T_M，通过改变均匀磁场

的场强方向和大小，使机器人转向期望方向，完成机器人转向运动。这种方法操作简单，并能有效地控制机器人的运动方向及转弯的半径。

●机器人的速度调控

当径向磁化的永磁块4随外部旋转磁场同步旋转时，可增大旋转磁场的旋转频率。随着旋转磁场的旋转频率的增加，径向磁化的永磁块4的旋转速度会随之增加，使得机器人的运动速度增加。但其存在一个不能同步的最小截止频率ω，超过截止频率ω后，径向磁化的永磁块4不再随外部旋转磁场同步旋转。在截止频率ω内，径向磁化的永磁块4可同步于外部旋转磁场，调节旋转磁场的旋转频率可以调节径向磁化的永磁块4的旋转速度，从而改变螺旋桨6在管道液体中的旋转速度，最终改变机器人的运动速度。

机器人位置和姿态检测及控制流程图如图2所示。通过布置在体外巨磁电阻(GMR)传感器等组成的磁场检测系统，检测永磁微型机器人内永磁块磁场空间分布的变化，并提供给计算机处理系统。计算机处理系统根据定位算法计算得到永磁微型机器人的矢量位置信息及姿态信息，根据这些信息，利用相应控制算法计算出所需的电流和方向。然后通过接口电路提供给程控电源系统，程控电源给亥姆霍兹线圈提供相应电流的大小和相序，从而控制旋转磁场和均匀磁场的强度和方向，最终控制机器人的运动速度和方向，使机器人沿着期望轨迹运动。

Claims

1、一种永磁微型机器人，其特征是：该机器人由外壳(1)，轴向磁化的永磁块(2)，径向磁化的永磁块(4)，无磁性微型轴承(3)和螺旋桨(6)组成；外壳(1)头部圆滑，中间无突起和沟槽；机器人底部(7)有腔体(8)；在腔体(8)中间开一个轴向通孔；在腔体(8)中充入润滑脂；通过螺旋桨(6)的轴(5)固接径向磁化的永磁块(4)和螺旋桨(6)；通过无磁性微型轴承(3)连接轴向磁化的永磁块(2)和径向磁化的永磁块(4)；该机器人的动作行为由外磁场进行复合调控。

2、根据权利要求1所述的永磁微型机器人，其特征是：机器人外壳(1)的内部后端有螺旋槽，与底部(7)外周螺旋槽密闭配合；把轴向磁化的水磁块(2)固接于外壳(1)上；轴向磁化的永磁块(2)和径向磁化的永磁块(4)采用Nd-Fe-B磁体；机器人表面包覆光滑的，具有韧性和柔性的材料。

3、根据权利要求1所述的永磁微型机器人，其特征是：外磁场由旋转磁场发生装置和均匀磁场发生装置产生；旋转磁场驱动径向磁化的永磁块(4)旋转，推动机器人；同时在均匀磁场对轴向磁化的永磁块(2)偏转性导向的作用下调控机器人的运动方向和姿态。

4、根据权利要求3所述的永磁微型机器人，其特征是：旋转磁场发生装置由三组亥姆霍兹线圈和三组幅值相位可控的正弦电流源组成；三组亥姆霍兹圆形线圈直径相等，并互为正交；每组亥姆霍兹线圈由两个镜像对称的线圈组成，间距为线圈半径；三组亥姆霍兹线圈分别与三组幅值相位可控的正弦电流源相连，控制各个亥姆霍兹线圈组的电流相序和大小，可实现空间任意旋转平面和任意磁场强度。

5、根据权利要求3所述的永磁微型机器人，其特征是：均匀磁场发生装置有三组亥姆霍兹线圈和三组高精度直流电流源组成；三组亥姆霍兹线圈分别和三组高精度的直流电流源相连；在计算机的控制下，三组直流电流源分别向三组亥姆霍兹线圈供应可调直流电流，调整各个亥姆霍兹线圈组电流的大小，可实现均匀磁场的磁感应强度在数值和方向上均连续可调。