CN107179780A - 一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，包括一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈、一对Y轴赫姆霍兹线圈、一对Y轴麦克斯韦线圈、一对Z轴赫姆霍兹线圈和一对Z轴麦克斯韦线圈，上述每对线圈均平行设置，一对X轴赫姆霍兹线圈位于一对X轴麦克斯韦线圈内侧，一对Y轴赫姆霍兹线圈位于一对Y轴麦克斯韦线圈内侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈位于一对Z轴麦克斯韦线圈内侧，三对赫姆霍兹线圈轴向方向两两正交，三对麦克斯韦线圈轴向方向两两正交，六对线圈轴向方向共同指向的中间区域为微机器人驱动的工作空间。本发明产生的均匀磁场和均匀梯度磁场的值在一定范围内可控可调；可以对微机器人进行三维空间的无缆驱动。

Description

一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种电磁线圈装置技术领域，尤其涉及一种可以产生有规律的电磁场并可进行人为控制视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统。该驱动系统可以用于驱动磁性材料制作而成的微机器人进行无缆的三维运动，利用视觉反馈的位置信息对微机器人进行闭环控制驱动。

背景技术

微机器人无缆化操作在生物学、医学、微装配、微纳制造等领域有着极广阔的应用前景，一种方法是通过控制外加磁场来控制磁性材料制作而成的微机器人运动，将能量通过磁场的磁力作用转化为微机器人的动能，从而实现微机器人的无缆驱动。利用外磁场对微机器人进行无缆驱动，目前分析实验较多的是一维或二维驱动系统的设计和研究，而实际微机器人潜在的应用场合往往要求微机器人进行三维空间上的无缆驱动。此外绝大多数的微机器人的无缆驱动都是开环控制，微机器人运动的精度不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，包括一对X 轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈、一对Y轴赫姆霍兹线圈、一对Y轴麦克斯韦线圈、一对Z轴赫姆霍兹线圈和一对Z轴麦克斯韦线圈，上述每对线圈均平行设置，一对X轴赫姆霍兹线圈位于一对X 轴麦克斯韦线圈内侧，一对Y轴赫姆霍兹线圈位于一对Y轴麦克斯韦线圈内侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈位于一对Z轴麦克斯韦线圈内侧，所述一对Y轴赫姆霍兹线圈、一对Y轴麦克斯韦线圈位于一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈外侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈和一对Z轴麦克斯韦线圈位于一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈内侧，三对赫姆霍兹线圈轴向方向两两正交，三对麦克斯韦线圈轴向方向两两正交，六对线圈轴向方向共同指向的中间区域为微机器人驱动的工作空间，还包括两个视频监控装置，两个视频监控装置正交放置，获取微机器人运动的图片传送至上位机，上位机输出控制信号给下位机，下位机作用于电磁线圈电流源产生的电磁场用来闭环控制微机器人的运动。

优选的，对于每一个轴方向上的赫姆霍兹线圈和麦克斯韦线均圈设计在同一个线圈骨架上。

优选的，通过重力补偿控制算法计算出微机器人在三个轴向分量产生的磁力，求出微机器人在工作空间中所需的磁场规律。

优选的，每个轴方向上的赫姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的线圈骨架互不干涉，每个线圈骨架留有槽来缠绕导线，制作线圈。

优选的，六对线圈任意每对线圈可以用一个独立的电流源，也可以用两个独立的电流源来控制通入线圈的电流；对于整个三维电磁驱动装置最少需要六个独立的电流源，最多可用十二个独立的电流源。

优选的，电流源可以采用可编程电流源，通入线圈的电流可以是直流电也可以是交流电。

优选的，当线圈通入直流电时，工作空间产生均匀磁场和均匀梯度的磁场，当线圈通入正余弦电流时可以在工作空间产生旋转磁场。

优选的，通过调整通入各线圈的电流，可以实时控制微机器人在工作空间中不同方向的运动。

优选的，视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统产生的磁场可以作为微机器人驱动应用外，也可以作为其他领域提供特定磁场的研究。

优选的，通过摄像头获取微机器人的实际位置，期望位置与实际的差作为输入来控制微机器人运动所需的磁力，进而实时调整输入各个线圈的电流，可以实时闭环控制微机器人在工作空间中不同方向的运动。

本发明可以在工作空间沿任一方向产生均匀磁场和均匀梯度磁场；视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统产生的均匀磁场和均匀梯度磁场的值在一定范围内可控可调；可以对用磁性材料制作而成的微机器人进行三维空间的无缆驱动；利用两个视频监控装置得到微机器人运动的三维位置信息，用来进行闭环控制；三维无缆磁驱动微机器人具有五个自由度的运动；给三维电磁驱动系统中三对赫姆霍兹线圈通入正余弦电流，可以在工作空间中产生旋转磁场，及产生磁场的磁场强度值保持不变，方向做圆周运动。

附图说明

图1为本发明提出的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统的结构示意图。

图2为本发明提出的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统流程简化图。

图3为本发明提出的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动系统微机器人重力补偿控制算法示意图。

图4为本发明提出的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动系统微机器人基于视觉反馈控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，包括一对X轴赫姆霍兹线圈1、一对X轴麦克斯韦线圈2、一对Y轴赫姆霍兹线圈3、一对Y轴麦克斯韦线圈4、一对Z轴赫姆霍兹线圈 5和一对Z轴麦克斯韦线圈6，上述每对线圈均平行设置，一对X轴赫姆霍兹线圈1位于一对X轴麦克斯韦线圈2内侧，一对Y轴赫姆霍兹线圈3位于一对Y轴麦克斯韦线圈4内侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈 5位于一对Z轴麦克斯韦线圈6内侧，所述一对Y轴赫姆霍兹线圈3、一对Y轴麦克斯韦线圈4位于一对X轴赫姆霍兹线圈1、一对X轴麦克斯韦线圈2外侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈5和一对Z轴麦克斯韦线圈6位于一对X轴赫姆霍兹线圈1、一对X轴麦克斯韦线圈2内侧，三对赫姆霍兹线圈轴向方向两两正交，三对麦克斯韦线圈轴向方向两两正交，六对线圈轴向方向共同指向的中间区域为微机器人驱动的工作空间7，还包括两个视频监控装置8、9，两个视频监控装置8、9 正交放置，获取微机器人运动的图片传送至上位机，上位机输出控制信号给下位机，下位机作用于电磁线圈电流源产生的电磁场用来闭环控制微机器人的运动。

本发明中，六对线圈任意每对线圈可以用一个独立的电流源，也可以用两个独立的电流源来控制通入线圈的电流；本实施例中，对于整个三维电磁驱动装置最少需要六个独立的电流源，最多可用十二个独立的电流源；电流源可以采用可编程电流源，通入线圈的电流可以是直流电也可以是交流电。采用六个独立电流源控制时，六个线圈产生的磁场可以由式(1)表示：

微机器人在三维空间中运动方向由图3中α、β两个角度确定，磁场强度B与z轴所成的角度为θ，B在坐标系中三个分量可由式(2) 表示：

微机器人在外磁场作用下的磁化强度可由式(3)表示：

微机器人在磁场中所受磁力的分量可以表示为：

为了使微机器人沿期望路径运动，沿x轴和y轴上磁力分量可以满足式(5)：

通过式(5)可以推导得出沿x轴和y轴磁场梯度是相等的，即：g_x＝g_y。用g_h来表示g_x和g_y。由于微机器人在竖直方向上受到重力和浮力的作用，将z方向的磁力分成两部分，用来克服重力和浮力，Fmc'用来驱动微机器人的动力分量。对应的将z方向上的磁场梯度分成和 g_z'两个部分。沿z方向的磁力和磁场梯度满足如下关系：

当磁场强度与微机器人运动方向一致时即θ＝β时，能够推导出 g_z'＝g_h，并且能由如下式子计算得到：

当确定好微机器人运动方向时，可以根据以上公式计算出三个方向的磁场梯度和确定磁场强度，通过解方程(1)就能得到六个线圈通入电流的大小。然而采用上述控制方法，当微机器人进行水平方向或近似水平方向驱动时即β接近于或等于90°时，趋近于无穷大，而电磁线圈产生磁场的梯度是有界限的，所以微机器人难以进行水平或近似水平的驱动。针对这种问题，提出新的重力补偿控制方法是控制磁场强度方向与z轴正方向的成一个较小夹角θ并保持不变，g_z0和g_z'可由如下公式确定：

通过式(10)可以确定θ角的最大值，在合适的区间设置好θ值便可计算出沿z轴方向的磁场梯度。至此，便可以确定沿三个坐标轴方向上的磁力值，通过电流和磁力的关系计算出六个线圈通入电流的大小。

在具体实施里，当线圈通入直流电时，工作空间7产生均匀磁场和均匀梯度的磁场，当线圈通入正余弦电流时可以在工作空间7产生旋转磁场。通过调整通入各线圈的电流，可以实时控制微机器人在工作空间7中不同方向的运动。

本发明中线圈骨架采用不导磁材料制作，线圈骨架槽中绕制的导线是具有绝缘层或涂有绝缘漆的导线。

对于三维磁驱动系统微机器人驱动来说，微机器人除了受驱动力磁力F_m的影响外，在液体的环境中，竖直方向上作用有自身重力F_g和液体浮力F_b，同运动方向相反的方向还作用有液体对微机器人的粘性阻力F_d，微机器人的动力学方程如式：

式(11)矩阵表达形式为：

式中k_x、k_y、k_z是根据微机器人形状计算出来同粘性阻力相关的常系数。式中F_m磁力属于控制量，系统的输出量为微机器人运动的加速度引入状态变量x，系统输出y，则系统的状态空间模型为：

式中：

本发明用来无缆驱动由磁性材料制作成的微机器人进行三维空间的运动，微机器人在工作空间7中具有五个自由度的运动。具体实施方式是根据微机器人无缆驱动的动力学方程，运动方式，通过控制输入各个线圈中的电流，在工作空间产生所要求的磁场，微机器人在磁场中收到磁力矩和磁力并克服自身重力等其他阻力在三维空间7 中进行无缆控制运动。两个视频监控装置8、9获取微机器人实时运动图像，通过计算机视觉的方法得到微机器人三维位置信息。微机器人规划路径与实际位置的差作为反馈输入信号，通过反馈控制算法调节电磁线圈中输入的电流，进而使实际路径更接近于规划路径。

该三维磁驱动系统也可以作为产生特定磁场应用于其他领域，例如地磁补偿，磁场育种等方面的研究与应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，包括一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈、一对Y轴赫姆霍兹线圈、一对Y轴麦克斯韦线圈、一对Z轴赫姆霍兹线圈和一对Z轴麦克斯韦线圈，其特征在于，上述每对线圈均平行设置，一对X轴赫姆霍兹线圈位于一对X轴麦克斯韦线圈内侧，一对Y轴赫姆霍兹线圈位于一对Y轴麦克斯韦线圈内侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈位于一对Z轴麦克斯韦线圈内侧，所述一对Y轴赫姆霍兹线圈、一对Y轴麦克斯韦线圈位于一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈外侧，一对Z轴赫姆霍兹线圈和一对Z轴麦克斯韦线圈位于一对X轴赫姆霍兹线圈、一对X轴麦克斯韦线圈内侧，三对赫姆霍兹线圈轴向方向两两正交，三对麦克斯韦线圈轴向方向两两正交，六对线圈轴向方向共同指向的中间区域为微机器人驱动的工作空间，还包括两个视频监控装置，两个视频监控装置正交放置，获取微机器人运动的图片传送至上位机，上位机输出控制信号给下位机，下位机作用于电磁线圈电流源产生的电磁场用来闭环控制微机器人的运动。

2.根据权利要求1所述的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，其特征在于，对于每一个轴方向上的赫姆霍兹线圈和麦克斯韦线均圈设计在同一个线圈骨架上。

3.根据权利要求1所述的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，其特征在于，通过重力补偿控制算法计算出微机器人在三个轴向分量产生的磁力，求出微机器人在工作空间中所需的磁场规律。

4.根据权利要求1所述的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，其特征在于，六对线圈任意每对线圈可以用一个独立的电流源，也可以用两个独立的电流源来控制通入线圈的电流；对于整个三维电磁驱动装置最少需要六个独立的电流源，最多可用十二个独立的电流源。

5.根据权利要求4所述的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，其特征在于，电流源可以采用可编程电流源，通入线圈的电流可以是直流电也可以是交流电。

6.根据权利要求4所述的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，其特征在于，当线圈通入直流电时，工作空间产生均匀磁场和均匀梯度的磁场，当线圈通入正余弦电流时可以在工作空间产生旋转磁场。

7.根据权利要求4所述的一种视觉反馈三维电磁微机器人无缆驱动控制系统，其特征在于，通过摄像头获取微机器人的实际位置，期望位置与实际的差作为输入来控制微机器人运动所需的磁力，进而实时调整输入各个线圈的电流，可以实时闭环控制微机器人在工作空间中不同方向的运动。