CN103341853B

CN103341853B - 一种永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法

Info

Publication number: CN103341853B
Application number: CN201310261413.0A
Authority: CN
Inventors: 陈佳品; 李炫颖; 李振波
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103341853A

Abstract

一种永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，所述永磁微机器人是基于MEMS微加工技术，通过图形化光刻法工艺制备而成的薄膜结构;线圈系统是由多线圈构成的一种改进型的赫姆霍兹组合线圈结构，从该组合线圈结构的侧面看，四个侧面和下底面各有一个矩形线圈包围;线圈系统提供空间X-Y-Z方向的独立可控磁场，以便于永磁微机器人运动的动态建模;永磁机器人通过线圈系统形成的一定范围内均一强度和梯度的磁场，作用于永磁微机器人质心，产生动力学作用，驱动永磁机器人在线圈系统中进行振动加平移的二维平面运动。本发明制备简单、加工均一、能在多类型材料的平台上按规划路线准确行进、控制策略简易且运动精确度较高。

Description

一种永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法

技术领域

本发明涉及机械学科，尤其是微系统领域中的微机电系统，具体是指一种永磁微机器人在永磁线圈结构中工作平台上进行无缆运动的控制与驱动方法。

背景技术

微机电系统，简称为MEMS(Micro Electronic Mechanical System)，是融合机械系统与电子工程的前沿研究领域，涉及了电子工程、机械技术、材料科学、物理原理与化学原理，以及生物医学工程等众多学科，研究的内容尖端、新颖，在军事、工业、医疗等直接相关人类生存、生产与健康的领域有着极其广泛的应用，诸多崭新的科研方向更令人瞩目，例如智能化的军用微飞行昆虫可以进行军事探测；微小但灵活的管道微机器人能够进行工业管道作业和清洁或探伤等工作；医用微机器人能够进入人体(植入式)展开血管清淤、伤病探测、药物投放等医疗活动；或者外用的微操作医疗机器人能够在微小的创口和手术范围内协助医生实施精确度较高的局部手术。因此，微机器人就是这样一个极具发展前景的研究方向，是典型的MEMS系统，其优势在于：惯性小、谐振频率高、响应延迟短、附加价值高。虽然国内外的相关研究还处于起步阶段，实用化、产品化进程还比较初级、比较缓慢，但是随着理论与实践的互相推进，这一研究领域必将掀起新的市场应用开发浪潮。

微机器人获得能量的方式总体上可以分为四类：电池供能、外接引线供能、智能材料能量场供能、特殊物理环境(如生物体)中依靠特定运动方式功能并驱动运动。采用智能材料能量场功能的微机器人能够避免外接引线产生的弹性力阻碍，从而很好地支持了机器人的微型化发展，使得微机器人能够在尺度上触及微米甚至更小的线度。一般能够采用的能量场主要有电场、磁场电磁波、超声波、超声场等。其中磁场电磁波的能量供给方式相对于其他几种供能方式而言，具有作用距离远、配置灵活、对环境和人的影响小、操作安全可靠、易于技术实现等重要优势和特点。

智能材料能量场是指那些能够对电信号或者非电信号产生位移响应，并且无需解码电路和控制电路等调理电路部分，就能实现能量传递和控制信号，并产生特定动作的特殊材料。这种材料能够实现系统功能的集成化，简化了对于微机器人的控制操作，在传统的微机器人领域有着广泛的应用。常见的这种智能材料有：SMA材料，GMA材料，压电材料，ICPF材料，磁致流变体以及智能凝胶等。上述材料均存在应变量太小、难于加工或者驱动性能与效果不稳定的缺陷，所以不能在微机器人领域得到实际的和广泛的应用。

经对现有技术的文献检索发现，微米尺度机器人的理论研究和产品化应用还非常局限。传统的加工方式和驱动方式都存在诸多问题，不能满足微机器人领域日益增长的微型化、无缆化、智能化、低成本、系统结构简单、高可靠性、生物体兼容性等要求。如专利申请号为02135092.2，申请日期为2002.11.7，名称为“医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法”的发明专利，其技术方案为：通过弹性形变力与摩擦力组合作用的传动方式和结构，由驱动轮表面与人体腔体表面作用产生的液体剪切力和驱动轮表面结构的弹性变形力来驱动微机器人运动；同时，该技术方案采用单片机无线遥控步进电机来实现对微机器人的运动控制；自动操控能够提高诊断和医治的效率，缩短诊疗时间，同时减少体内触碰造成的组织创伤与体感痛苦。由此可见，该技术方案确实能够实现无缆的驱动方式，抑制微机器人本体运动的空间局限性，不会对人体内部组织造成伤害，且驱动器的结构较为简单。

上述类型的技术方案是为了解决操作人员(如医疗微用机器人的操作者：医生或者护士)主动控制微机器人运动的主动性问题，从而提高诊疗效率、缩短诊疗时间，同时确保一定的灵活性和微小型化特征。对于传统的微机器人的“蠕动”行进、“爬行”行进或者“泳动”行进模式进行了较好的优化。

不过，上述系统的实际工作需要依靠单片机无线遥控步进电机实现运动控制。一方面该技术方案涉及的电子系统在人体(或者其他生物体)中难以实现优良的工作效果。另一方面，系统还是采用了传统的嵌入式控制方案，属于宏观的系统范畴，很难满足微型化的需求，在一些物理尺寸受限的环境中不能正常部署。所以客观来讲，该技术方案在实际应用中很难实现。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，为了在微米尺度下实现有效的无缆驱动，摒弃传统思路，充分利用了磁场的力学效应，制备钕铁硼永磁微机器人本体，搭建线圈框架，设计运动驱动方案，实现了工作平面内微机器人良好的二维运动控制效果。完全克服了传统技术方案的各类缺陷或局限，提出了高可靠性、高驱动效率的控制方案。能够同时满足：制备简单，加工均一；无缆驱动功能；能在多类型平台上按规划路线准确行进；控制策略简易且运动精确度较高，具有很好地应用前景。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，

所述永磁微机器人是基于MEMS微加工技术，通过图形化光刻法工艺进行制备加工而成的薄膜结构；

所述线圈系统中的线圈是由多线圈构成的一种改进型的赫姆霍兹组合线圈结构，从该组合线圈结构的侧面看，四个侧面和下底面各有一个矩形线圈；线圈系统提供空间X-Y-Z方向的独立可控磁场，以便于永磁微机器人运动的动态建模；

所述永磁机器人通过线圈系统形成的一定范围内均一强度和梯度的磁场，作用于永磁微机器人质心COM点，产生力学作用，驱动永磁机器人在线圈系统中进行振动加平移的二维平面运动。

所述永磁微机器人构成材料是钕铁硼永磁体薄膜。

所述线圈系统提供的独立可控磁场是由ARM主控制器输出的PWM波驱动。

所述驱动方法采用“Z方向脉冲波”，即线圈Z方向施加锯齿形脉冲磁场，线圈X方向施加恒定强度磁场，并且能够在对应X或Z方向上产生与恒定强度磁场成正比例的磁场强度，进而对永磁微机器人产生力学作用。

所述钕铁硼永磁体薄膜的加工方法是：

(1)利用钕铁硼永磁粉末和粘结剂在常温下制备粘结磁体微结构；

(2)图形化光刻法工艺制备步骤：基片光刻制作一次性平面型微模具，粘合剂与钕铁硼永磁粉末均匀混合成膏状挤压填充微模具空隙；按磁化方向要求，在磁场中固化和研磨加工涂覆后的微模具；按粘合剂固化条件保温；用砂轮磨盘将固化涂层研磨平整；选择性刻蚀或剥离工艺去除微模具，形成薄膜结构的钕铁硼永磁微机器人。

所述线圈系统搭建在工作平台上，所述工作平台位于线圈系统的中心平面处，且由三维微调架调节其位置。

所述线圈系统装置上方安装显微摄像头以跟踪和反馈微机器人的实际运动参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、使用了永磁微机器人的MEMS图形化光刻法制备新工艺，能够实现批量制备、加工高复杂度模块，从而具有明显的经济优势。并且加工出的微机器人的几何尺度大大减少，达到了几百微米量级。

2、使用了用于运动控制的赫姆霍兹线圈变形结构的矩形线圈组，使得5组等同线圈构成的线圈架的具有优良的磁场特性，在其中心2.5cm见方的区域内，均匀磁场具有极高的单向性，使得系统的控制效果优良。

3、本发明公开了一种新的永磁机器人的二维运动模式能够实现精确的二维运动控制效果，微机器人能够达到较高的运动速度(10mm/s)。

4、通过软硬件的结合，不仅完成了运动控制的功能，还解决了功能的限制问题，同时具有很高的理论价值，为此类微机器人的应用发展奠定了良好的基础：通过进一步的设计优化可为微机器人配置传感端和执行端，从而开发出不能尽数的潜在应用，包括军事应用、工业应用以及医疗应用(植入式或非植入式)。

附图说明

图1是本发明提出的线圈系统和微机器人工作平台结构图；

图2是本发明提出的振动加平移二维运动模式的运动学分析示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所提供的基于MEMS微加工技术的永磁薄膜微机器人在线圈空间系统中的无缆运动驱动方法做进一步详细的说明。

本发明所提供的方法，通过MEMS图形化光刻法实现永磁微机器人本体的加工，搭建了赫姆霍兹线圈变形改良的特定线圈系统，在此基础上实现了振动加平移模式的二维平面运动。

本发明的永磁微机器人是钕铁硼永磁材料制成的薄膜结构，其具体加工制备工艺如下：

1、利用钕铁硼(化学式为：NdFeB)永磁粉末和粘结剂在常温下制备粘结磁体微结构。该永磁材料在MEMS器件中广泛用作微阀、微泵等驱动器的执行机构，驱动力产生效率高，并能轻易改变运动方向。

2、图形化光刻法工艺制备实施步骤：基片光刻制作一次性平面型微模具，基片表面平整度较高，且具有一定机械强度；粘合剂与钕铁硼永磁粉末均匀混合成膏状挤压填充微模具空隙；按磁化方向要求，在磁场中固化和研磨加工涂覆后的微模具；按粘合剂固化条件保温；用砂轮磨盘将固化涂层研磨平整；选择性刻蚀或剥离工艺去除微模具，制成呈现薄膜结构的钕铁硼永磁微机器人。该钕铁硼永磁微机器人尺寸精度为10μm，薄膜密度为5740kg/m³，剩磁为150kA/m。微机器人本体尺寸为900μm*900μm*500μm。图形化光刻法加工工艺支持均一化的批量制备，且能加工用于MEMS系统的复杂模块，从而显著降低了生产成本，且实用价值很高。

本发明搭建了赫姆霍兹线圈变形改良的特定线圈系统。搭建的线圈系统平台如图1所示，由5个矩形线圈构成，分别位于空间的四侧和工作平台的底部，称为X线圈、Y线圈和Z线圈，所述线圈标号的+和-表示正负方向。线圈的骨架结构用不导磁有机玻璃加工。工作平台位于线圈系统的中心平面处，且由三维微调架调节其位置。线圈系统装置上方安装显微摄像头以跟踪和反馈微机器人的实际运动参数。线圈系统的规格是：电阻R为9.8Ω；匝数Nt为480；线圈平面与工作平台中心距离为0.105m；线圈的有效边长为0.139m。线圈系统的5个独立线圈能提供单独的磁场信号。控制系统主控单元为ARM主控制器，采用Philips LPC2138型号，以主控制器输出的PWM波驱动所述的5个独立线圈。

本发明的永磁微机器人在线圈空间系统中的无缆运动是振动加平移模式的二维平面运动。驱动技术方案采用一种特定的“Z方向脉冲波”驱动系统，即线圈Z方向施加锯齿形脉冲磁场，线圈X方向施加恒定强度磁场。磁场驱动方法需要能够在对应的X或Z方向上产生与磁场强度成正比例的磁场强度，进而对薄膜微机器人产生力学作用。力学作用通过等效作用在微机器人质心COM点的力和力矩予以体现。

力学作用遵循牛顿运动学定律，如图2对永磁微机器人进行运动学的瞬态分析和对应建模。运动学分析和建模中涉及微机器人受到的诸多力与扭矩作用：自身重力mg；支持力N＝K_rδ_r，K_r为弹性接触系数，δ_r为嵌入点弹性形变量；F_adh为工作表面与微机器人的粘附力；Fx和Fz为磁场力；Lx和Lz及扭矩D_y为与介质有关的线性阻力；T_y为外磁场扭矩。(COM点坐标(x,y,z)表征瞬态位置，倾角为θ。机器人与工作平面触点的坐标为(Px,Pz)。COM点到触点的距离为r；是与机器人几何尺寸有关的量： H和L为机器人高度和长度，F_f为机器人与平面的摩擦力(静摩擦或者滑动摩擦)。建模结果可以进行确定的数学求解，通过Matlab(版本：Version2008)专业软件求解所述瞬态建模。求解涉及微分方程的求解，利用Runge-Kutta算法可解运动学模式为：每一周期的“Z方向脉冲波”作用下，永磁微机器人向X方向(与施加磁场的X方向线圈朝向一致)平移一步。平移运动可以达到10mm/s的直线移动速度。

平移运动满足的3个动态微分运动条件方程是：

上述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

Claims

1.一种永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，所述永磁微机器人构成材料是钕铁硼永磁体薄膜。

3.根据权利要求1所述的永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，所述线圈系统提供的独立可控磁场是由ARM主控制器输出的PWM波驱动。

4.根据权利要求3所述的永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，所述驱动方法采用“Z方向脉冲波”，即线圈Z方向施加锯齿形脉冲磁场，线圈X方向施加恒定强度磁场，并且能够在对应X或Z方向上产生与恒定强度磁场成正比例的磁场强度，进而对永磁微机器人产生力学作用。

5.根据权利要求2所述的永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，所述钕铁硼永磁体薄膜的加工方法是：

6.根据权利根据权利要求1所述的永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，所述线圈系统搭建在工作平台上，所述工作平台位于线圈系统的中心平面处，且由三维微调架调节其位置。

7.根据权利根据权利要求6所述的永磁微机器人在线圈系统中的无缆运动驱动方法，其特征在于，所述线圈系统上方安装显微摄像头以跟踪和反馈微机器人的实际运动参数。