CN108448868B - 基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器，包括作动器I、作动器II、作动器III、动子、磁流体轴承和支撑管；支撑管配置在作动器I和作动器II之间；动子配置在支撑管内部；作动器I和动子之间配置有磁流体I；作动器II和动子之间配置有磁流体II；作动器III配置在支撑管的外周；作动器III和动子之间配置有磁流体III；磁流体轴承配置在支撑管的外周；通过控制作动器I和作动器II，驱动动子沿轴向运动；通过控制作动器III，驱动动子以磁流体轴承为支点做转动运动。

Description

基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器

技术领域

本公开涉及生命科学和生物工程领域，尤其涉及一种基于磁流体驱动多自由度柔性微位移操纵器。

背景技术

在面向生物工程的显微操作系统中，驱动显微操纵器完成相应任务，是生物工程中的一个重点研究方向。其中通过标准化的高精度定位、校准平台实现分辨率达到纳米级的精密微动是显微操作技术中不可或缺的关键技术之一。常见的显微操作技术包括核移植、细胞显微注射、显微切割及动物胚胎移植等。显微操作的细胞尺寸仅为10--100μm级，这就对显微操作器的精密控制提出了较高的要求。以细胞注射技术为例，在传统的显微注射系统中，存在注射效率低、操作困难、细胞损伤、可重复性差等不足，实验过程易受操作人员技能、精力和情绪等因素干扰，且定位精度低，刺膜速度慢，易引起细胞大幅度变形或细胞膜大面积破碎，降低了细胞注射实验效率和注射后细胞存活率。现有国外研究的显微注射系统具有刺膜速度快、控制精度高等优点，但是成本很高。因此，研发一种精度较高、结构简单、成本较低的适用于显微操作技术的显微操纵器，对于提高显微操作实验效率，降低实验人员操作难度有重大的科学意义和广阔的应用前景。

磁流体(Ferrofluid)是一种具有随外加磁场强度而有可控流变特性的特殊的新型纳米材料。它是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。这种胶状液体具有固体磁性材料和液体材料所具备的双重特性：静态时，磁流体无磁力；当外加磁场作用时，就表现出磁性，而且其磁性与其流动性具有极强的相关性，磁流体从具有线性粘度自由流动的牛顿流体在毫秒级的瞬间可逆的转变为具有可控屈服强度的塑性体或粘弹性体，且在磁流体内部会产生压力，这便是磁流体的一个重要特征——磁流变行为。另外，磁流体还具有“对中”特性。由于磁流体变形产生的力的平衡作用，它能够使两个直径不同圆柱保持同轴，不受一定范围内的外力的影响。除上述特性外，磁流体还可起到减震、润滑的作用。

发明内容

本公开提供一种新型的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器，借助磁流体的磁流变行为、对中特性及减震润滑等特性，通过调控通往绕组的电流，来控制磁流体所处的由电磁场和永磁场耦合而成的磁场强弱，进而改变磁流体的形状，实现与磁流体接触的部件的微位移控制。由于磁流体在磁场中表现为一种弹性体，则便达到了柔性控制的目的。基于此原理本公开能够实现多个自由度微位移的柔和、平稳和精准控制。本公开的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器装置结构紧凑，成本低，可实现高精度定位及精密微动。

本公开的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器通过以下技术方案实现。

基于磁流体驱动的微位移操纵器，包括作动器I、作动器II、作动器III、动子、磁流体轴承和支撑管；动子配置在支撑管内部；作动器I和动子之间配置有磁流体I；作动器II和动子之间配置有磁流体II；作动器III配置在支撑管的外周；作动器III和动子之间配置有磁流体III；磁流体轴承配置在支撑管的外周；通过控制作动器I和作动器II，驱动动子沿轴向运动；通过控制作动器III，驱动动子以磁流体轴承为支点做转动运动。

根据本公开的至少一个实施方式，作动器I提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体I的形状；作动器II提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体II的形状；作动器III提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体III的形状。

根据本公开的至少一个实施方式，动子包括上端盖、空心管和下端盖，上端盖配置在空心管的上端，下端盖配置在空心管的下端。

根据本公开的至少一个实施方式，作动器I包括第一铁壳体、第一永磁体、第一铁块和第一绕组线圈，第一永磁体、第一铁块和第一绕组线圈配置在第一铁壳体内，第一铁壳体为下端开口的壳体，第一永磁体和第一铁块沿轴向上下配置，第一绕组线圈缠绕在第一永磁体和第一铁块两者整体的外周；

作动器II包括第二铁壳体、第二永磁体、第二铁块和第二绕组线圈，第二永磁体、第二铁块和第二绕组线圈配置在第二铁壳体内，第二铁壳体为上端开口的壳体，第二铁块和第二永磁体沿轴向上下配置，第二绕组线圈缠绕在第二永磁体和第二铁块两者整体的外周。

根据本公开的至少一个实施方式，支撑管的上端连接作动器I的下端，支撑管的下端连接作动器II的上端；动子置于支撑管内；磁流体I置于动子与作动器I之间，磁流体II置于动子与作动器II之间，磁流体I和磁流体II均置于支撑管内。

根据本公开的至少一个实施方式，微位移操纵器还包括作动器III，作动器III包括三个以上的径向作动器，三个以上的径向作动器均匀配置在支撑管的外周；在配置有径向作动器的支撑管的轴向段、动子与支撑管之间配置有磁流体III。

根据本公开的至少一个实施方式，三个以上的径向作动器例如通过固定架固定在支撑管的外周。

根据本公开的至少一个实施方式，径向作动器包括第三铁壳体、第三永磁体、第三铁块和第三绕组线圈，第三永磁体、第三铁块和第三绕组线圈配置在第三铁壳体内，第三铁壳体的靠近支撑管的一端开口，第三铁块和第三永磁体沿径向配置，第三绕组线圈缠绕在第三永磁体和第三铁块两者整体的外周。

根据本公开的至少一个实施方式，微位移操纵器还包括磁流体轴承，磁流体轴承包括背铁、磁流体环和第四永磁体，背铁为具有凹腔的环状背铁，背铁套设在支撑管的外周；第四永磁体配置在背铁的凹腔内；在配置有背铁的支撑管的轴向段、动子与支撑管之间配置磁流体环。

根据本公开的至少一个实施方式，磁流体轴承沿轴向上配置在支撑管外周的位置可以被更改。

根据本公开的至少一个实施方式，磁流体轴承沿轴向配置在作动器III的下方。

根据本公开的至少一个实施方式，作动器I还包括非磁性柱塞，非磁性柱塞依次贯穿第一铁壳体的上端、第一永磁体和第一铁块；作动器II还包括夹持器，夹持器由动子的下端盖中延伸并依次贯穿磁流体II、第二铁块、第二永磁体以及第二铁壳体的下端，并由第二铁壳体的下端伸出。

根据本公开的至少一个实施方式，径向作动器的数目为三个及以上。

根据本公开的至少一个实施方式，非磁性柱塞的下端面、第一铁块的下端面以及第一绕组线圈的下端面平齐，并与磁流体I的上端面接触，磁流体II的下端面与动子的上端盖的上端面接触。

根据本公开的至少一个实施方式，作动器II的第二铁块的上端面和第二绕组线圈的上端面平齐，并与磁流体II的下端面接触，磁流体II的上端面与动子的下端盖的下端面接触。

根据本公开的至少一个实施方式，夹持器穿过作动器II伸到外面。

根据本公开的至少一个实施方式，非磁性柱塞的上端面与作动器I的第一铁壳体的上端面平齐。

上述技术方案中“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等术语的使用仅是为了标识，并不限定相关部件的结构。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开具体实施方式的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器的结构示意图。

图2是本公开具体实施方式的基于磁流体驱动的微位移操纵器的作动器I的结构示意图。

图3是本公开具体实施方式的基于磁流体驱动的微位移操纵器直线运动的工作原理示意图。

图4是本公开具体实施方式的基于磁流体驱动的微位移操纵器的作动器III在力作用点B的合力F_abc的合成示意图。

图5是本公开具体实施方式的基于磁流体驱动的微位移操纵器的夹持器的运动轨迹空间示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

如图1-5所示，本具体实施方式的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器，包括作动器I、作动器II、作动器III、动子、磁流体轴承和支撑管11；支撑管11配置在作动器I和作动器II之间；动子配置在支撑管11内部；作动器I和动子之间配置有磁流体I；作动器II和动子之间配置有磁流体II；作动器III配置在支撑管11的外周；作动器III和动子之间配置有磁流体III；磁流体轴承配置在支撑管11的外周；通过控制作动器I和作动器II，驱动动子沿轴向运动；通过控制作动器III，驱动动子以磁流体轴承为支点做转动运动。

其中，作动器I提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体I的形状；作动器II提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体II的形状；作动器III提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体III的形状。

其中，动子包括上端盖5、空心管6和下端盖12，上端盖5配置在空心管6的上端，下端盖12配置在空心管6的下端。

其中，作动器I包括第一铁壳体1、第一永磁体2、第一铁块3和第一绕组线圈20，第一永磁体2、第一铁块3和第一绕组线圈20配置在第一铁壳体1内，第一铁壳体1为下端开口的壳体，第一永磁体2和第一铁块3沿轴向上下配置，第一绕组线圈20缠绕在第一永磁体2和第一铁块3两者整体的外周；

作动器II包括第二铁壳体、第二永磁体、第二铁块和第二绕组线圈，第二永磁体、第二铁块和第二绕组线圈配置在第二铁壳体内，第二铁壳体为上端开口的壳体，第二铁块和第二永磁体沿轴向上下配置，第二绕组线圈缠绕在第二永磁体和第二铁块两者整体的外周。

其中，支撑管11的上端连接作动器I的下端，支撑管11的下端连接作动器II的上端；动子置于支撑管11内；磁流体I 4和磁流体II 13分别置于动子与作动器I和作动器II之间，并置于支撑管11内。

其中，微位移操纵器还包括作动器III，作动器III包括三个以上的径向作动器，三个以上的径向作动器均匀配置在支撑管11的外周；在配置有径向作动器的支撑管11的轴向段、动子与支撑管11之间配置有磁流体环10。本具体实施方式径向作动器的数目为三个，径向作动器的数目还可以是三个以上。

其中，三个以上的径向作动器例如通过固定架7固定在支撑管11的外周。

其中，径向作动器包括壳体19、第三永磁体18、第三铁块17和第三绕组线圈16，第三永磁体18、第三铁块17和第三绕组线圈16配置在第三铁壳体19内，第三铁壳体19的靠近支撑管11的一端开口，第三铁块17和第三永磁体18沿径向配置，第三绕组线圈16缠绕在第三永磁体18和第三铁块17两者整体的外周。

其中，微位移操纵器还包括磁流体轴承，磁流体轴承包括背铁9、磁流体环10和第四永磁体15，背铁9为具有凹腔的环状背铁，背铁9套设在支撑管11的外周；第四永磁体15配置在背铁9的凹腔内；在配置有背铁9的支撑管11的轴向段、动子与支撑管11之间配置磁流体环10。

其中，磁流体轴承沿轴向配置在支撑管11外周的位置可以被更改。其中，磁流体轴承沿轴向上配置在径向作动部的下方。

其中，作动器I还包括非磁性柱塞21，非磁性柱塞21依次贯穿第一铁壳体1的上端、第一永磁体2和第一铁块3；

作动器II还包括夹持器14，夹持器14由动子的下端盖12中延伸并依次贯穿磁流体II、第二铁块、第二永磁体以及第二铁壳体的下端，并由第二铁壳体的下端伸出。

其中，非磁性柱塞21的下端面、第一铁块3的下端面以及第一绕组线圈19的下端面平齐，并与磁流体I的上端面接触，磁流体I的下端面与动子的上端盖5的上端面接触。

其中，作动器II的第二铁块的上端面以及第二绕组线圈的上端面平齐，并与磁流体II的下端面接触，磁流体II的上端面与动子的下端盖12的下端面接触。

其中，夹持器14穿过作动器II伸到外面。

其中，非磁性柱塞的上端面与作动器I的第一铁壳体1的上端面平齐。

本实施方式中提到的“轴向”，即图1中的Z轴向，“径向”即圆柱形状的径向，例如空心管6和支撑管11的径向，空心管6和支撑管11均为圆柱形状。

更详细的，下面再结合附图详细说明基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器的工作原理。

如图2所示，给绕组线圈20通电流，绕组线圈20就会产生与永磁体2产生的永磁场方向相同或相反的电磁场，其中可以通过调控电流的大小来控制电磁场的强弱。在永磁场和电磁场合成的耦合磁场作用下，磁流体I 4被聚集在作动器I的底部。磁流体I 4所处位置处耦合磁场的强弱可以通过改变电流的大小及方向来实现。当耦合磁场增强时，磁流体I 4被聚集的作用增强，磁流体I 4的形状发生改变(例如初始为圆饼状)，宏观上主要体现为磁流体I 4变厚(磁流体I 4径向尺寸也发生改变，但相对其轴向尺寸的改变不明显)，磁流体内产生的作用力增大；反之，磁流体I 4变薄，磁流体内产生的作用力减小。由此，若将与磁流体接触的某一面固定，则另一面便会由于磁流体形状的变化(即作用力的变化)而发生相应的位移，这便是作动器I的工作原理(作动器II的工作原理与作动器I的工作原理相同)。

结合图3介绍本具体实施方式的微位移操纵器沿Z轴直线运动的工作原理，将作动器I和作动器II外部通过支撑管11连接并固定，由端盖5、端盖12和空心管6构成的动子被作动器I和作动器II处的两部分磁流体悬挂在支撑管11内部。由此便组成了一个可沿Z轴上下运动的微位移操纵器，运动的部分即为由端盖5、端盖12和空心管6构成的动子。当不通电流时，微位移操纵器上下两部分磁流体分布如图3中的(b)所示；欲使微位移操纵器向下运动时，则分别控制通入两个作动器(作动器I和作动器II)的电流，使上部磁流体变厚，下部磁流体变薄，如图3中的(a)所示；欲使微位移操纵器向上运动时，则分别控制通入两个作动器的电流，使上部磁流体变薄，下部磁流体变厚，如图3中的(c)所示。

为防止作动器I的磁流体通过孔溢出，此处采用非磁性柱塞21将其密封。夹持器14固定在端盖12上并穿过作动器II伸到外面，夹持器14可用来固定注射针或移液管等需要进行微位移操作的对象上。为了使空心管6与支撑管11同轴，将永磁体15和背铁9固定在支撑管11的某一适当位置，则磁流体环10便会被吸引聚集在支撑管空心管之间的该位置处。借助磁流体III 8、磁流体环10，使动子悬浮在外管内，降低运动时的摩擦阻力，并使其与支撑管11保持同轴。

结合图4-5介绍本具体实施方式的微位移操纵器以A为支点的转动运动工作原理，由线圈16，铁块17，永磁体18和铁壳19构成的径向作动器，其与作动器I的结构和工作原理相似。将三个相同的径向作动器(a，b，c)采用120°圆周阵列，均匀布置在固定架7上，构成作动器III。固定架7固定在支撑管11外周上某一合适位置，则在此处的支撑管11和空心管6之间也聚集了磁流体III 8。

通过分别调控三个径向作动器a，b，c中绕组线圈的电流，进而分别在三个径向作动器底部对应位置处的磁流体中产生相应的作用力，这三个作用力可合成为一个作用在B点的合力F_abc，力合成示意图如图4所示。其中F_a、F_b、F_c三个力的大小不同，对应合力的大小和方向也不同，进而微位移作动器产生的转动运动所在平面的方向和转动幅度也不同。

由于磁流体的“对中”效应，磁流体轴承的磁流体环10的几何中心A点的位置几乎不会改变，这便形成了以A点为固定点，以B点为施加外力点的一个杠杆。根据杠杆原理，在某一平面内，组合体会绕着固定点A转动。由于合力可在B点所处的XOY面上被设置为任意方向及大小，则扩展到三维空间，组合体的转动轨迹——即夹持器14的运动轨迹空间如图5所示，通过改变固定点A的位置(例如通过控制磁流体轴承的位置实现)，可改变运动轨迹空间的大小。

通过控制作动器I、作动器II和作动器III中共五个绕组的电流，通过调控磁流体所处耦合磁场的强弱，改变磁流体形状，进而驱动操纵器。本实施方式的微位移操纵器会产生多个自由度的微位移，其运动轨迹空间如图5所示。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器，其特征在于，

包括作动器I、作动器II、作动器III、动子、磁流体轴承和支撑管；

所述支撑管配置在作动器I和作动器II之间；所述动子配置在所述支撑管内部；所述作动器I和所述动子之间配置有磁流体I；所述作动器II和所述动子之间配置有磁流体II；所述作动器III配置在所述支撑管的外周；所述作动器III和所述动子之间配置有磁流体III；所述磁流体轴承配置在所述支撑管的外周；

所述支撑管的上端连接所述作动器I的下端，所述支撑管的下端连接所述作动器II的上端；所述动子置于所述支撑管内；所述磁流体I置于所述动子与所述作动器I之间，所述磁流体II置于所述动子与所述作动器II之间，所述磁流体I和所述磁流体II均置于支撑管内；

通过控制所述作动器I和所述作动器II，驱动所述动子沿轴向运动；通过控制所述作动器III，驱动所述动子以所述磁流体轴承为支点做转动运动。

2.根据权利要求1所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述作动器I提供磁场，并通过控制磁场强度来控制所述磁流体I的形状；所述作动器II提供磁场，并通过控制磁场强度来控制所述磁流体II的形状；所述作动器III提供磁场，并通过控制磁场强度来控制所述磁流体III的形状。

3.根据权利要求1或2所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述动子包括上端盖、空心管和下端盖，所述上端盖配置在所述空心管的上端，所述下端盖配置在所述空心管的下端。

4.根据权利要求1或2所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述作动器I包括第一铁壳体、第一永磁体、第一铁块和第一绕组线圈，所述第一永磁体、第一铁块和第一绕组线圈配置在所述第一铁壳体内，第一铁壳体为下端开口的壳体，所述第一永磁体和所述第一铁块沿轴向上下配置，所述第一绕组线圈缠绕在所述第一永磁体和所述第一铁块两者整体的外周；

所述作动器II包括第二铁壳体、第二永磁体、第二铁块和第二绕组线圈，所述第二永磁体、第二铁块和第二绕组线圈配置在所述第二铁壳体内，第二铁壳体为上端开口的壳体，所述第二铁块和所述第二永磁体沿轴向上下配置，所述第二绕组线圈缠绕在所述第二永磁体和所述第二铁块两者整体的外周。

5.根据权利要求1所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述作动器III包括三个以上的径向作动器，三个以上的径向作动器均匀配置在所述支撑管的外周；在配置有所述径向作动器的所述支撑管的轴向段、所述动子与所述支撑管之间配置有磁流体III。

6.根据权利要求5所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述三个以上的径向作动器通过固定架固定在所述支撑管的外周。

7.根据权利要求5或6所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述径向作动器包括第三铁壳体、第三永磁体、第三铁块和第三绕组线圈，所述第三永磁体、第三铁块和第三绕组线圈配置在所述第三铁壳体内，第三铁壳体的靠近支撑管的一端开口，所述第三铁块和所述第三永磁体沿径向配置，所述第三绕组线圈缠绕在所述第三永磁体和所述第三铁块两者整体的外周。

8.根据权利要求5所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述磁流体轴承包括背铁、磁流体环和第四永磁体，所述背铁为具有凹腔的环状背铁，所述背铁套设在所述支撑管的外周；所述第四永磁体配置在所述背铁的凹腔内；在配置有所述背铁的所述支撑管的轴向段、所述动子与所述支撑管之间配置所述磁流体环。

9.根据权利要求8所述的微位移操纵器，其特征在于，

所述磁流体轴承沿轴向上配置在所述支撑管外周的位置能够被更改。