CN110861111A - 一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳机器人操控平台，更具体的说是一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，包括观察显微镜、磁场发生装置和电场发生装置，可以通过加载在电场发生装置的交流电的频率与幅值可以对微纳机器人的运动与集群形态进行控制，通过磁场发生装置通入频率和幅值可调的正弦信号在磁场的中心位置可以产生可调的匀强磁场和旋转磁场等，微纳机器人在可调的磁场作用下可以实现指定的运动以及集群行为，通过磁场升降平台可以让磁场发生装置与观察显微镜不接触而处于悬空状态，可以大大减少对观察显微镜视野抖动的影响，观察显微镜用于观测微纳机器人在微环境中的运动。

Description

一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台
技术领域
本发明涉及微纳机器人操控平台，更具体的说是一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台。
背景技术
微纳机器人作为微纳科技的前沿研究领域之一，其具有体积小、质量轻，推重比大等特点，在传感检测、微纳制造、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。目前，微纳机器人的运动控制及其集群体的行为研究仍旧是研究的热点问题，国内外学者均做了大量的理论与实验研究。微纳机器人集群行为的能量来源广泛，磁和电作为外场能源可以对微纳机器人的运动进行合理的调控，同时外接能源也可以促使微纳机器人发生集群体行为。然而目前在磁场与电场耦合驱动的平台还很欠缺，现存的平台在精度上以及设计合理性上均还不能很好的满足实际实验需求。为弥补磁场与电场耦合作用下的微纳机器人操控领域的空缺，特研制集合磁场和电场的微纳机器人操控平台，实现对微纳机器人运动控制及其集群体的行为控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，可以可以在磁场和电场为一体的能场耦合操控平台下，实现对微纳机器人运动控制及其集群体的行为控制。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，包括观察显微镜、磁场发生装置和电场发生装置，所述观察显微镜的载物台上设置有电场发生装置，观察显微镜上还设置有磁场发生装置，电场发生装置位于磁场发生装置的内侧，电场发生装置内设置有微纳机器人运动的微环境。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，所述电场发生装置包括金属电极、硅片、电场支撑平台、耐热圆孔胶带和电场安装板，电场安装板可拆卸固定连接在载物台上，电场支撑平台放置在电场安装板上设置的槽内，硅片安装在电场支撑平台上，两个金属电极均固定连接在硅片上，耐热圆孔胶带贴在两个金属电极的上方，电场发生装置在电场的作用下对微纳机器人的运动及其集群行为进行控制。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，所述磁场发生装置包括磁场支撑平台、缠绕机构、电磁线圈和连接件，缠绕机构上缠绕有电磁线圈，缠绕机构和电磁线圈构成磁场发生本体，缠绕机构通过连接件可拆卸固定连接在磁场支撑平台上，磁场发生装置产生三维的磁场对微纳机器人的运动与集群行为进行控制。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，所述磁场发生本体设置有六个，六个磁场发生本体构成空间的三维磁场。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，所述磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台还包括调整磁场发生装置竖直方向位置的磁场升降平台。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，所述磁场升降平台包括支撑结构、丝杠螺母底座、丝杠螺母安装结构件、丝杠、电机输出轴固定板、联轴器、步进电机、电机安装板和导轨滑块，支撑结构上固定连接有丝杠螺母底座，丝杠螺母底座上固定连接有丝杠螺母安装结构件，丝杠螺母安装结构件上转动连接有丝杠，支撑结构上固定连接有滑轨，滑轨上滑动连接有导轨滑块，滑轨的上端固定连接有电机安装板，电机安装板上固定连接有步进电机，电机安装板的下端固定连接有电机输出轴固定板，步进电机的输出轴转动连接在电机输出轴固定板上，步进电机的输出轴通过联轴器和丝杠固定连接，磁场发生装置通过螺纹连接在丝杠上，磁场发生装置固定连接在导轨滑块上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，所述观察显微镜上设置有高速CCD。
本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台的有益效果为：
本发明一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，可以通过加载在电场发生装置的交流电的频率与幅值可以对微纳机器人的运动与集群形态进行控制，通过磁场发生装置通入频率和幅值可调的正弦信号在磁场的中心位置可以产生可调的匀强磁场和旋转磁场等，微纳机器人在可调的磁场作用下可以实现指定的运动以及集群行为，通过磁场升降平台可以让磁场发生装置与观察显微镜不接触而处于悬空状态，可以大大减少对观察显微镜视野抖动的影响，观察显微镜用于观测微纳机器人在微环境中的运动。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中,需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中,除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明的磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台整体结构示意图；
图2是本发明的观察显微镜结构示意图；
图3是本发明的磁场发生装置结构示意图；
图4是本发明的电场发生装置结构示意图；
图5是本发明的磁场升降平台结构示意图。
图中：观察显微镜1；磁场发生装置2；磁场支撑平台2-1；缠绕机构2-2；电磁线圈2-3；连接件2-4；电场发生装置3；金属电极3-1；硅片3-2；电场支撑平台3-3；耐热圆孔胶带3-4；电场安装板3-5；磁场升降平台4；支撑结构4-1；丝杠螺母底座4-2；丝杠螺母安装结构件4-3；丝杠4-4；电机输出轴固定板4-5；联轴器4-6；步进电机4-7；电机安装板4-8；导轨滑块4-9；连接角块4-10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-5说明本实施方式，一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，包括观察显微镜1、磁场发生装置2和电场发生装置3，所述观察显微镜1的载物台上设置有电场发生装置3，观察显微镜1上还设置有磁场发生装置2，电场发生装置3位于磁场发生装置2的内侧，电场发生装置3内设置有微纳机器人运动的微环境；可以通过加载在电场发生装置3的交流电的频率与幅值可以对微纳机器人的运动与集群形态进行控制，通过磁场发生装置2通入频率和幅值可调的正弦信号在磁场的中心位置可以产生可调的匀强磁场和旋转磁场等，微纳机器人在可调的磁场作用下可以实现指定的运动以及集群行为，通过磁场升降平台4可以让磁场发生装置与观察显微镜1不接触而处于悬空状态，可以大大减少对观察显微镜1视野抖动的影响，观察显微镜1用于观测微纳机器人在微环境中的运动。
具体实施方式二：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述电场发生装置3包括金属电极3-1、硅片3-2、电场支撑平台3-3、耐热圆孔胶带3-4和电场安装板3-5，电场安装板3-5可拆卸固定连接在载物台上，电场支撑平台3-3放置在电场安装板3-5上设置的槽内，硅片3-2安装在电场支撑平台3-3上，两个金属电极3-1均固定连接在硅片3-2上，耐热圆孔胶带3-4贴在两个金属电极3-1的上方，电场发生装置3在电场的作用下对微纳机器人的运动及其集群行为进行控制；电场发生装置3，在电场发生装置中主要通过在两电极通入交流电来产生电场，平行布置的两个金属电极3-1间距小于500微米，为了显微镜观察1方便在两金属电极3-1上方贴有绝缘的同心圆孔的耐热圆孔胶带3-4，耐热圆孔胶带3-4的中心圆孔直径为3毫米，这一圆孔环境构成了微纳机器人运动的微环境；电场发生装置连接板3-5通过螺纹连接到观察显微镜1的载物台上，载物台可以X和Y方向进行移动，这样保证了在观察显微镜1的视野里可以完整的跟踪微纳机器人运动轨迹；通过调节加载在电场的两电极交流电的频率与幅值可以对微纳机器人的运动与集群形态进行控制。
具体实施方式三：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述磁场发生装置2包括磁场支撑平台2-1、缠绕机构2-2、电磁线圈2-3和连接件2-4，缠绕机构2-2上缠绕有电磁线圈2-3，缠绕机构2-2和电磁线圈2-3构成磁场发生本体，缠绕机构2-2通过连接件2-4可拆卸固定连接在磁场支撑平台2-1上，磁场发生装置2产生三维的磁场对微纳机器人的运动与集群行为进行控制；磁场发生装置2，在三组电磁线圈2-3中分别通入幅值和频率可调的正弦信号在磁场的中心位置可以产生可调的匀强磁场和旋转磁场等，微纳机器人在可调的磁场作用下可以实现指定的运动以及集群行为。
具体实施方式四：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述磁场发生本体设置有六个，六个磁场发生本体构成空间的三维磁场；如图3所示，磁场发生装置2可以产生三维的磁场，通过调节输入电磁线圈2-3的正弦信号的频率和幅值，可以对三维磁场进行实时的调制，进而通过磁场对微纳机器人的运动与集群行为进行控制。
具体实施方式五：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台还包括调整磁场发生装置2竖直方向位置的磁场升降平台4。
具体实施方式六：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述磁场升降平台4包括支撑结构4-1、丝杠螺母底座4-2、丝杠螺母安装结构件4-3、丝杠4-4、电机输出轴固定板4-5、联轴器4-6、步进电机4-7、电机安装板4-8和导轨滑块4-9，支撑结构4-1上固定连接有丝杠螺母底座4-2，丝杠螺母底座4-2上固定连接有丝杠螺母安装结构件4-3，丝杠螺母安装结构件4-3上转动连接有丝杠4-4，支撑结构4-1上固定连接有滑轨，滑轨上滑动连接有导轨滑块4-9，滑轨的上端固定连接有电机安装板4-8，电机安装板4-8上固定连接有步进电机4-7，电机安装板4-8的下端固定连接有电机输出轴固定板4-5，步进电机4-7的输出轴转动连接在电机输出轴固定板4-5上，步进电机4-7的输出轴通过联轴器4-6和丝杠4-4固定连接，磁场发生装置2通过螺纹连接在丝杠4-4上，磁场发生装置2固定连接在导轨滑块4-9上；由于磁场发生装置2在正弦信号的作用下会出现抖动的现象，所以在设计中考虑将磁场装置2与微纳机器人的运动微环境隔离；磁场升降装置4，主要实现磁场发生装置2的Z轴方向的移动，与磁场发生装置支撑平台2-1连接，磁场发生装置支撑平台2-1与磁场升降装置4的丝杠4-4连接，丝杠4-4通过联轴器与步进电机4-7连接，步进电机4-7带动丝杠4-4转动使得支撑平台2-1可以上下移动从而调节磁场发生装置2的高度，通过高度的调整可以让微纳机器人的运动区域位于磁场的中间区域；通过磁场升降装置4可以让磁场发生装置与观察显微镜1不接触而处于悬空状态，可以大大减少对观察显微镜1视野抖动的影响；支撑结构4-1采用铝型材，方便加工，而且尺寸可以很容易进行定制，铝型材之间用过角块进行连接安装。
具体实施方式七：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至六任一项作进一步说明，所述观察显微镜1上设置有高速CCD；观察显微镜1用于观测微纳机器人在微环境中的运动，同时可以通过观察显微镜配备的高速CCD对微纳机器人的运动轨迹进行跟踪检测以及为微纳机器人的运动控制提供视觉信息反馈。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，包括观察显微镜(1)、磁场发生装置(2)和电场发生装置(3)，其特征在于：所述观察显微镜(1)的载物台上设置有电场发生装置(3)，观察显微镜(1)上还设置有磁场发生装置(2)，电场发生装置(3)位于磁场发生装置(2)的内侧，电场发生装置(3)内设置有微纳机器人运动的微环境。
2.根据权利要求1所述的一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，其特征在于：所述电场发生装置(3)包括金属电极(3-1)、硅片(3-2)、电场支撑平台(3-3)、耐热圆孔胶带(3-4)和电场安装板(3-5)，电场安装板(3-5)可拆卸固定连接在载物台上，电场支撑平台(3-3)放置在电场安装板(3-5)上设置的槽内，硅片(3-2)安装在电场支撑平台(3-3)上，两个金属电极(3-1)均固定连接在硅片(3-2)上，耐热圆孔胶带(3-4)贴在两个金属电极(3-1)的上方，电场发生装置(3)在电场的作用下对微纳机器人的运动及其集群行为进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，其特征在于：所述磁场发生装置(2)包括磁场支撑平台(2-1)、缠绕机构(2-2)、电磁线圈(2-3)和连接件(2-4)，缠绕机构(2-2)上缠绕有电磁线圈(2-3)，缠绕机构(2-2)和电磁线圈(2-3)构成磁场发生本体，缠绕机构(2-2)通过连接件(2-4)可拆卸固定连接在磁场支撑平台(2-1)上，磁场发生装置(2)产生三维的磁场对微纳机器人的运动与集群行为进行控制。
4.根据权利要求3所述的一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，其特征在于：所述磁场发生本体设置有六个，六个磁场发生本体构成空间的三维磁场。
5.根据权利要求1所述的一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，其特征在于：所述磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台还包括调整磁场发生装置(2)竖直方向位置的磁场升降平台(4)。
6.根据权利要求5所述的一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，其特征在于：所述磁场升降平台(4)包括支撑结构(4-1)、丝杠螺母底座(4-2)、丝杠螺母安装结构件(4-3)、丝杠(4-4)、电机输出轴固定板(4-5)、联轴器(4-6)、步进电机(4-7)、电机安装板(4-8)和导轨滑块(4-9)，支撑结构(4-1)上固定连接有丝杠螺母底座(4-2)，丝杠螺母底座(4-2)上固定连接有丝杠螺母安装结构件(4-3)，丝杠螺母安装结构件(4-3)上转动连接有丝杠(4-4)，支撑结构(4-1)上固定连接有滑轨，滑轨上滑动连接有导轨滑块(4-9)，滑轨的上端固定连接有电机安装板(4-8)，电机安装板(4-8)上固定连接有步进电机(4-7)，电机安装板(4-8)的下端固定连接有电机输出轴固定板(4-5)，步进电机(4-7)的输出轴转动连接在电机输出轴固定板(4-5)上，步进电机(4-7)的输出轴通过联轴器(4-6)和丝杠(4-4)固定连接，磁场发生装置(2)通过螺纹连接在丝杠(4-4)上，磁场发生装置(2)固定连接在导轨滑块(4-9)上。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种磁场与电场耦合作用的微纳机器人操控平台，其特征在于：所述观察显微镜(1)上设置有高速CCD。
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