CN111508683A - 一种磁场产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微型机器人技术领域，公开一种磁场产生系统，包括安装架和八个电磁铁。八个电磁铁均位置可调节地设置在安装架上，电磁铁包括铁芯和线圈，线圈缠绕在铁芯上。八个电磁铁中的四个在X轴平面内，其余四个在Y轴平面内，X轴平面与Y轴平面垂直相交。X轴平面内的两个电磁铁的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁的磁场梯度峰值点重合。Y轴平面内的两个电磁铁的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁的磁场梯度峰值点重合。磁场梯度峰值点的重合有利于提高磁场的均匀性；铁芯的设置能够聚集磁感线，增大磁感应强度和梯度，同时扩大磁场的有效区域和容纳空间；八个电磁铁既可以对力和扭矩同时控制也可以分别控制，实现对微型机器人的灵活控制。

Description

一种磁场产生系统
技术领域
本发明涉及微型机器人技术领域，尤其涉及一种磁场产生系统。
背景技术
微型机器人由于具有尺寸微小的优点在航天、通信和医疗等领域具有广泛的应用前景。但是，也因为尺寸微小的原因使微型机器人的驱动方式受到了限制。现有的微型机器人通常利用磁场驱动，即利用磁场产生系统产生的磁场控制微型机器人的移动。
在现有技术中，通常利用亥姆霍兹或者麦克斯韦线圈为基础搭建磁场产生系统，但是，这种磁场产生系统产生的磁场仅在小范围内均匀性比较好，而且磁感应强度和梯度相对较小，同时磁场的有效区域和容纳空间较小，即磁场对微型机器人的可操控空间以及工作空间较小，另外还不利于对微型机器人进行灵活控制。
因此，亟需一种新型的磁场产生系统以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁场产生系统，不仅能够提高磁场的均匀性，而且能够提高磁感应强度和梯度，同时可以扩大磁场的有效区域和容纳空间，满足对微型机器人灵活控制的需求。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磁场产生系统，包括：
安装架；
八个电磁铁，均位置可调节地设置在所述安装架上，所述电磁铁包括铁芯和线圈，所述线圈缠绕在所述铁芯上；
八个所述电磁铁中的四个在X轴平面内，其余四个在Y轴平面内，所述X轴平面与所述Y轴平面垂直相交；
所述X轴平面内的两个所述电磁铁的磁场梯度峰值点与另外两个所述电磁铁的磁场梯度峰值点重合；
所述Y轴平面内的两个所述电磁铁的磁场梯度峰值点与另外两个所述电磁铁的磁场梯度峰值点重合。
作为所述磁场产生系统的优选方案，八个所述电磁铁分别为第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁、第五电磁铁、第六电磁铁、第七电磁铁和第八电磁铁；
所述第一电磁铁、所述第二电磁铁、所述第五电磁铁和所述第六电磁铁在所述X轴平面内，所述第一电磁铁和所述第二电磁铁的磁场梯度峰值点与所述第五电磁铁和所述第六电磁铁的磁场梯度峰值点重合；
所述第三电磁铁、所述第四电磁铁、所述第七电磁铁和所述第八电磁铁在所述Y轴平面内，所述第三电磁铁和所述第四电磁铁的磁场梯度峰值点与所述第七电磁铁和所述第八电磁铁的磁场梯度峰值点重合。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述安装架包括：
下载板；
高度调节柱，沿竖直方向延伸且其下端与所述下载板可拆卸地固定连接；
上载板，沿竖直方向位置可调节地设置在所述高度调节柱上且与所述下载板相对设置；
八组位置调节组件，其中四组安装在所述下载板上，其余四组安装在所述上载板上，每组所述位置调节组件上均安装有一个所述电磁铁，通过所述位置调节组件能够调节八个所述电磁铁之间的相对位置。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述下载板包括四个下安装部，四个所述下安装部呈十字形设置，其中四组所述位置调节组件一一对应地安装在所述下安装部上；
所述上载板包括四个上安装部，四个所述上安装部呈十字形设置，其余四组所述位置调节组件一一对应地安装在所述上安装部上。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述位置调节组件包括：
支架，所述电磁铁可拆卸地安装在所述支架上；
调节架，其一端与所述下载板或所述上载板可拆卸地固定连接，所述支架的一端与所述调节架连接且连接位置可沿竖直方向调节，所述支架的另一端沿水平方向位置可调节地设置在所述下载板上或所述上载板上。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述位置调节组件还包括：
第一连接柱，所述支架上设置有沿其长度方向延伸的第一调节槽，所述调节架上设置有沿竖直方向延伸的第二调节槽，所述第一连接柱能够位置可调节地穿过所述第一调节槽和所述第二调节槽，以使所述支架的一端与所述调节架连接；
紧固件能够可拆卸地安装在所述第一连接柱上并与所述调节架抵接，以使所述支架的一端与所述调节架固定连接。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述位置调节组件还包括：
第一固定件，可拆卸地安装在所述调节架的另一端；
第一调节杆，能够穿过所述第一固定件和所述第一连接柱；
紧固件能够可拆卸地安装在所述第一调节杆上，以使所述第一调节杆与所述第一固定件和所述第一连接柱固定连接。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述位置调节组件还包括：
第二连接柱，所述下载板上设置有沿水平方向延伸的下调节槽，所述上载板上设置有沿水平方向延伸的上调节槽，所述第二连接柱能够穿设在所述支架的另一端，且所述第二连接柱能够位置可调节地设置在所述下调节槽或所述上调节槽中；
压板，能够压设在所述第二连接柱上，以使所述第二连接柱固定在所述下调节槽或所述上调节槽中。
作为所述磁场产生系统的优选方案，所述位置调节组件还包括：
第二固定件，可拆卸地安装在所述下载板或所述上载板上；
第二调节杆，能够穿过所述第二固定件和所述第二连接柱；
紧固件能够可拆卸地安装在所述第二调节杆上，以使所述第二调节杆与所述第二固定件和所述第二连接柱固定连接。
作为所述磁场产生系统的优选方案，还包括显示机构，所述显示机构包括：
显示载板和载板支架，所述显示载板位置可调节地安装在所述载板支架上，且所述显示载板的顶面与其中四个所述电磁铁相对，其底面与其余四个所述电磁铁相对；
显微镜头和镜头支架，所述显微镜头位置可调节地安装在所述镜头支架上，且所述显微镜头正对所述显示载板的顶面。
本发明的有益效果为：
本发明提供的磁场产生系统，将线圈缠绕在铁芯上组成电磁铁，并将八个八个电磁铁位置可调节地设置在安装架上，并使八个电磁铁中的四个在X轴平面内，其余四个在Y轴平面内。通过调节电磁铁的位置，能够使X轴平面内的两个电磁铁的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁的磁场梯度峰值点重合，而磁场梯度峰值点的重合有利于提高X轴平面内磁场的均匀性；同理，通过调节电磁铁的位置，Y轴平面内的两个电磁铁的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁的磁场梯度峰值点重合，以提高Y轴平面内磁场的均匀性；由于在线圈内增设了铁芯，所以能够聚集磁感线，增大目标区域的磁感应强度和梯度，而磁感应强度和梯度的增大可以扩大磁场的有效区域和容纳空间，即能够增大对微型机器人的可操控空间以及工作空间；另外，八个电磁铁既可以对力和扭矩同时控制，也可以对力和扭矩分别进行控制，从而实现对微型机器人的灵活控制，满足微型机器人移动时对自由度的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的磁场产生系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的八个电磁铁的位置关系示意图；
图3是本发明实施例提供的电磁铁的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的磁场产生系统的局部结构示意图；
图5是本发明实施例提供的下载板的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的上载板的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的磁场产生系统中设置显示机构时的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的显示机构的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的显示载板、三坐标移动平台和载板安装臂的连接关系示意图；
图10是本发明实施例提供的两个电磁铁的梯度峰值点重合后得到的仿真图像和数据；
图11为本实施例提供的磁场产生系统工作区域在Z方向上的匀强磁场仿真图；
图12为图11中虚线处磁感应强度与距中心点位移之间的曲线；
图13为本实施例提供的磁场产生系统工作区域在X方向上的匀强磁场仿真图；
图14为图13中虚线处磁感应强度与距中心点位移之间的曲线；
图15为本实施例提供的磁场产生系统工作区域在Y方向上的匀强磁场仿真图；
图16为图15中虚线处磁感应强度与距中心点位移之间的曲线。
图中：
1-安装架；11-下载板；111-下安装部；112-下调节槽；12-高度调节柱；13-上载板；131-上安装部；132-上调节槽；133-避让孔；14-位置调节组件；141-支架；1411-第一调节槽；142-调节架；1421-第二调节槽；143-第一连接柱；144-第一固定件；145-第一调节杆；146-第二连接柱；147-压板；148-第二固定件；149-第二调节杆；
2-电磁铁；21-第一电磁铁；22-第二电磁铁；23-第三电磁铁；24-第四电磁铁；25-第五电磁铁；26-第六电磁铁；27-第七电磁铁；28-第八电磁铁；201-铁芯；202-线圈；203-调节件；204-前挡环；205-后挡环；
3-显示机构；31-显示载板；32-载板支架；33-显微镜头；34-镜头支架；35-载板安装臂；36-镜头安装臂；37-三坐标移动平台；371-第一移动平台；372-第二移动平台；373-第三移动平台；374-安装座。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，或者用于区分不同结构或部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
如图1-图3所示，本实施例提供一种磁场产生系统，包括安装架1和八个电磁铁2。其中，八个电磁铁2均位置可调节地设置在安装架1上，电磁铁2包括铁芯201和线圈202，线圈202缠绕在铁芯201上。八个电磁铁2中的四个在X轴平面内，其余四个在Y轴平面内，X轴平面与Y轴平面垂直相交。X轴平面内的两个电磁铁2的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁2的磁场梯度峰值点重合。Y轴平面内的两个电磁铁2的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁2的磁场梯度峰值点重合。
本实施例提供的磁场产生系统，将线圈202缠绕在铁芯201上组成电磁铁2，并将八个八个电磁铁2位置可调节地设置在安装架1上，并使八个电磁铁2中的四个在X轴平面内，其余四个在Y轴平面内。通过调节电磁铁2的位置，能够使X轴平面内的两个电磁铁2的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁2的磁场梯度峰值点重合，而磁场梯度峰值点的重合有利于提高X轴平面内磁场的均匀性；同理，通过调节电磁铁2的位置，Y轴平面内的两个电磁铁2的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁2的磁场梯度峰值点重合，以提高Y轴平面内磁场的均匀性；由于在线圈202内增设了铁芯201，所以能够聚集磁感线，增大目标区域的磁感应强度和梯度，而磁感应强度和梯度的增大可以扩大磁场的有效区域和容纳空间，即能够增大对微型机器人的可操控空间以及工作空间；另外，八个电磁铁2既可以对力和扭矩同时控制，也可以对力和扭矩分别进行控制，从而实现对微型机器人的灵活控制，满足微型机器人移动时对自由度的需求。
具体地，在本实施例中，八个电磁铁2的前端均朝向目标区域，且同一平面内的相邻两个电磁铁2之间的夹角大致呈90°。
可选地，如图1所示，本实施例提供的安装架1包括下载板11、高度调节柱12、上载板13和八组位置调节组件14。其中，高度调节柱12沿竖直方向延伸且其下端与下载板11可拆卸地固定连接。上载板13沿竖直方向位置可调节地设置在高度调节柱12上且与下载板11相对设置。八组位置调节组件14中的其中四组安装在下载板11上，其余四组安装在上载板13上，每组位置调节组件14上均安装有一个电磁铁2，通过位置调节组件14能够调节八个电磁铁2之间的相对位置。即利用位置调节组件14能够使X轴平面内的两个电磁铁2的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁2的磁场梯度峰值点重合，同时能够使Y轴平面内的两个电磁铁2的磁场梯度峰值点与另外两个电磁铁2的磁场梯度峰值点重合。
可选地，高度调节柱12为螺柱。进一步地，高度调节柱12的下端与下载板11之间通过两个螺母固定连接。进一步地，上载板13与高度调节柱12之间通过两个螺母固定连接。
可选地，如图1所示，在本实施例中，下载板11包括四个下安装部111，四个下安装部111呈十字形设置，其中四组位置调节组件14一一对应地安装在下安装部111上，即每个下安装部111上对应安装一个电磁铁2。可选地，上载板13包括四个上安装部131，四个上安装部131呈十字形设置，其余四组位置调节组件14一一对应地安装在上安装部131上，即每个上安装部131上对应安装一个电磁铁2。
具体地，如图2所示，在本实施例中，八个电磁铁2分别为第一电磁铁21、第二电磁铁22、第三电磁铁23、第四电磁铁24、第五电磁铁25、第六电磁铁26、第七电磁铁27和第八电磁铁28。其中，第一电磁铁21、第二电磁铁22、第五电磁铁25和第六电磁铁26在X轴平面内，第一电磁铁21和第二电磁铁22的磁场梯度峰值点与第五电磁铁25和第六电磁铁26的磁场梯度峰值点重合。第三电磁铁23、第四电磁铁24、第七电磁铁27和第八电磁铁28在Y轴平面内，第三电磁铁23和第四电磁铁24的磁场梯度峰值点与第七电磁铁27和第八电磁铁28的磁场梯度峰值点重合。
具体地，在本实施例中，线圈202为铜线圈，通过给铜线圈通电来产生磁场。
可选地，如图3所示，电磁铁2还包括调节件203，调节件203设置在铁芯201的前端。可选地，电磁铁2还包括前挡环204和后挡环205，前挡环204可拆卸地套设在铁芯201的前端且与线圈202的前端面接触，后挡环205可拆卸地套设在铁芯201的后端且与线圈202的后端面抵接。通过前挡环204和后挡环205的配合，有利于保证铁芯201和线圈202之间位置的精确性，使线圈202稳定地固定在铁芯201上。可选地，前挡环204上设置有第一开口，紧固件能够连接第一开口的两侧，以使前挡环204固定套设在铁芯201上。可选地，后挡环205上设置有第二开口，紧固件能够连接第二开口的两侧，以使后挡环205固定套设在铁芯201上。
可选地，如图4所示，本实施例提供的位置调节组件14包括支架141和调节架142，电磁铁2可拆卸地安装在支架141上，调节架142的一端与下载板11或上载板13可拆卸地固定连接，支架141的一端与调节架142连接且连接位置可沿竖直方向调节，支架141的另一端沿水平方向位置可调节地设置在下载板11上或上载板13上。可选地，在本实施例中，铁芯201的后端可拆卸地安装在支架141上。进一步地，铁芯201通过螺栓可拆卸地安装在支架141上。进一步地，铁芯201的后端设置有第一定位孔，支架141上设置有第二定位孔，定位销能够穿设在第一定位孔和第二定位孔中，以保证电磁铁2与支架141之间相对位置的精确性。具体地，在本实施例中，调节架142的一端与下安装部111或上安装部131可拆卸地固定连接。
可选地，如图4所示，本实施例提供的位置调节组件14还包括第一连接柱143，支架141上设置有沿其长度方向延伸的第一调节槽1411，调节架142上设置有沿竖直方向延伸的第二调节槽1421，第一连接柱143能够位置可调节地穿过第一调节槽1411和第二调节槽1421，以使支架141的一端与调节架142连接。紧固件能够可拆卸地安装在第一连接柱143上并与调节架142抵接，以使支架141的一端与调节架142固定连接。通过第一连接柱143、第一调节槽1411和第二调节槽1421的配合，可以调节电磁铁2的位置和角度，当电磁铁2的位置和角度调节到预设位置后，通过在第一连接柱143上安装紧固件并使紧固件抵紧调节架142，可以使支架141的一端与调节架142固定连接，进而有利于使电磁铁2稳定地保持在预设位置。具体地，在本实施例中，第一连接柱143为螺柱，紧固件为螺母。进一步地，第一连接柱143的两端各安装一个螺母，两个螺母均能够旋紧在螺柱上并与调节架142抵接，使支架141的一端与调节架142固定连接。
可选地，如图4所示，本实施例提供的位置调节组件14还包括第一固定件144和第一调节杆145，第一固定件144可拆卸地安装在调节架142的另一端。第一调节杆145能够穿过第一固定件144和第一连接柱143。紧固件能够可拆卸地安装在第一调节杆145上，以使第一调节杆145与第一固定件144和第一连接柱143固定连接。通过第一连接柱143、第一固定件144、第一调节杆145以及紧固件的配合，有利于进一步地保证支架141与调节架142之间固定的稳定性和可靠性，确保电磁铁2位置的稳定性和精确性。具体地，在本实施例中，第一固定件144呈板状。具体地，在本实施例中，第一调节杆145为螺杆，紧固件为螺母。进一步地，第一调节杆145与第一固定件144之间通过两个螺母固定连接。第一调节杆145与第一连接柱143之间通过两个螺母固定连接。
可选地，如图4-图6所示，本实施例提供的位置调节组件14还包括第二连接柱146，下载板11上设置有沿水平方向延伸的下调节槽112，上载板13上设置有沿水平方向延伸的上调节槽132，第二连接柱146能够穿设在支架141的另一端，且第二连接柱146能够位置可调节地设置在下调节槽112或上调节槽132中。压板147能够压设在第二连接柱146上，以使第二连接柱146固定在下调节槽112或上调节槽132中。当通过第一连接柱143、第一调节槽1411和第二调节槽1421对电磁铁2的位置和角度进行调节时，第二连接柱146会同步在下调节槽112或上调节槽132中移动，当电磁铁2调整到预设位置后，利用压板147将第二连接柱146压设在下调节槽112或上调节槽132中，以有利于使电磁铁2稳定地保持在预设位置。具体地，下调节槽112设置在下安装部111上。上调节槽132设置在设置在上安装部131上。
进一步地，如图4所示，紧固件能够可拆卸地安装在第二连接柱146上并与压板147和下载板11抵接，或紧固件能够可拆卸地安装在第二连接柱146上并与压板147和上载板13抵接。具体地，在本实施例中，第二连接柱146为螺柱，紧固件为螺母。进一步地，第二连接柱146的两端各安装一个螺母，两个螺母均能够旋紧在螺柱上，以使第二连接柱146固定在下调节槽112或上调节槽132中。
可选地，如图4所示，本实施例提供的位置调节组件14还包括第二固定件148和第二调节杆149，第二固定件148可拆卸地安装在下载板11或上载板13上。第二调节杆149能够穿过第二固定件148和第二连接柱146。紧固件能够可拆卸地安装在第二调节杆149上，以使第二调节杆149与第二固定件148和第二连接柱146固定连接。具体地，在本实施例中，第二固定件148呈柱状。具体地，在本实施例中，第二调节杆149为螺杆，紧固件为螺母。进一步地，第二调节杆149与第二固定件148之间通过两个螺母固定连接。第二调节杆149与第二连接柱146之间通过两个螺母固定连接。
可选地，如图7和图8所示，本实施例提供的磁场产生系统还包括显示机构3，显示机构3包括显示载板31、载板支架32、显微镜头33和镜头支架34。其中，显示载板31位置可调节地安装在载板支架32上，且显示载板31的顶面与其中四个电磁铁2相对，其底面与其余四个电磁铁2相对。显微镜头33位置可调节地安装在镜头支架34上，且显微镜头33正对显示载板31的顶面。需要指出的是，根据使用情况的不同，如果对宏观肉眼可见的微型机器人进行操作，则不需要显示机构3，如果对宏观肉眼不可见的微型机器人进行操作，则需要显示机构3。
可选地，如图8所示，本实施例提供的显示机构3还包括载板安装臂35，显示载板31通过载板安装臂35位置可调节地安装在载板支架32上。可选地，显示机构3还包括镜头安装臂36，显微镜头33通过镜头安装臂36位置可调节地安装在镜头支架34上。通过调节显示载板31在载板支架32上的位置以及显微镜头33在镜头支架34上的位置，有利于使显示载板31、显微镜头33和八个电磁铁2之间处于较佳的配合位置。
优选地，如图9所示，本实施例提供的显示机构3还包括三坐标移动平台37，三坐标移动平台37的一端与显示载板31连接，另一端与载板安装臂35连接，以使显示载板31能够沿相互垂直的三个方向移动。可选地，三坐标移动平台37包括第一移动平台371、第二移动平台372、第三移动平台373和安装座374，第一移动平台371与显示载板31连接，第一移动平台371沿竖直方向可移动地设置在第二移动平台372上，第二移动平台372沿第一水平方向可移动地设置在第三移动平台373上，第三移动平台373沿第二水平方向可移动地设置在安装座374上，且第二水平方向与第一水平方向垂直，安装座374与载板安装臂35连接。
本实施例提供的磁场产生系统的设计原理如下：
根据磁性物体在磁场中的受力和扭矩公式：
Figure BDA0002467495030000141
T＝M×B (2)
其中，F为磁力，M为磁矩，
Figure BDA0002467495030000142
为磁场梯度，T为扭矩，B为磁感应强度。由公式(1)和公式(2)可知，磁力F与磁场梯度
Figure BDA0002467495030000143
和磁矩M有关，扭矩T与磁感应强度B的大小有关。对单个线圈202加铁芯201的电磁铁2进行研究后，发现了磁场梯度峰值点，对该点进行利用，既可以保证磁场的强度，又可以保证磁场的均匀性。图10为两个电磁铁2的梯度峰值点重合后得到的仿真图像和数据，并利用该方法来搭建本实施例的磁场产生系统。
旋转磁场控制(扭矩控制)：
如图2所示，需要对目标区域产生扭矩，控制磁性微型机器人的方向时，第一电磁铁21、第二电磁铁22、第五电磁铁25和第六电磁铁26组成X轴方向的磁感应强度Bx，第三电磁铁23、第四电磁铁24、第七电磁铁27和第八电磁铁28组成Y轴方向的磁感应强度By，第一电磁铁21、第二电磁铁22、第三电磁铁23、第四电磁铁24、第五电磁铁25、第六电磁铁26、第七电磁铁27和第八电磁铁28组成对轴方向的磁感应强度Bz，B＝Bx+By+Bz。
以XY平面内的旋转磁场为例：
Figure BDA0002467495030000144
I5＝I6＝-I1 (4)
Figure BDA0002467495030000145
I7＝I8＝-I3 (6)
其中，I1-I8为电磁铁2中的电流，I为产生相应磁场所需要的电流，ω为旋转频率，
Figure BDA0002467495030000146
为初始相位
梯度力磁场控制(力控制)：
需要对目标区域产生力控制时，第一电磁铁21、第二电磁铁22、第五电磁铁25和第六电磁铁26组成X轴方向的磁感应强度Bx，第三电磁铁23、第四电磁铁24、第七电磁铁27和第八电磁铁28组成Y轴方向的磁感应强度By，第一电磁铁21、第二电磁铁22、第三电磁铁23、第四电磁铁24、第五电磁铁25、第六电磁铁26、第七电磁铁27和第八电磁铁28组成对轴方向的磁感应强度Bz。
Figure BDA0002467495030000151
对于硬磁性材料，m值是固定的，其方向最终转向磁感应强度B的方向；对于软磁性材料，m的大小与磁感应强度B有关，m的方向会受磁感应强度B的影响而最终平行，最终扭矩为0时满足：m＝KB，其中，K为固定的系数，m与B的大小有关。
力和扭矩同时控制：
公式(7)中的3×3矩阵是一个对磁场向量求梯度出来的二维张量，是一个对称阵，所以里面一共有六个独立变量。根据麦克斯韦方程组中的高斯磁定律：
Figure BDA0002467495030000152
可以将六个独立变量再消去一个，也就是说当m已知后，需要五个关于磁场的偏导才能得到力F。由公式(2)可知，扭矩T的控制需要三个磁感应强度变量。综合力和扭矩的控制，可以得到要想对磁性微型机器人实现完全的控制，一共需要八个关于磁场的独立变量，三个关于磁感应强度的变量，五个关于磁感应强度偏导的变量。对(2)和(7)进行整理可以得到：
Figure BDA0002467495030000161
Figure BDA0002467495030000162
根据线性方程组求解的条件，要想实现磁场中磁性物体的独立自由度，至少需要八个独立的电流源与磁场的八个变量。可以以下公式(11)进行说明：
Figure BDA0002467495030000163
对于每一个独立的电流源，单独测量产生磁场的这几个参数，将八个独立电流源的参数整理成一个(11)公式中的矩阵G。磁场的向量与G的逆矩阵点乘就可以得到想要的电流值。
当第一电磁铁21、第三电磁铁23、第五电磁铁25和第七电磁铁27通正电，且第二电磁铁22、第四电磁铁24、第六电磁铁26和第八电磁铁28通负电时，磁场产生系统工作区域在Z方向上的匀强磁场仿真图如图11所示，其中箭头表示磁感应强度和方向，图11中虚线处磁感应强度与距中心点位移之间的曲线如图12所示。
当第一电磁铁21和第二电磁铁22通正电，且第五电磁铁25和第六电磁铁26通负电时，磁场产生系统工作区域在X方向上的匀强磁场仿真图如图13所示，其中箭头表示磁感应强度和方向，图13中虚线处磁感应强度与距中心点位移之间的曲线如图14所示。
当第三电磁铁23第四电磁铁24通正电，且第七电磁铁27和第八电磁铁28通负电时，磁场产生系统工作区域在Y方向上的匀强磁场仿真图如图15所示，其中箭头表示磁感应强度和方向，图15中虚线处磁感应强度与距中心点位移之间的曲线如图16所示。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种磁场产生系统，其特征在于，包括：
安装架(1)；
八个电磁铁(2)，均位置可调节地设置在所述安装架(1)上，所述电磁铁(2)包括铁芯(201)和线圈(202)，所述线圈(202)缠绕在所述铁芯(201)上；
八个所述电磁铁(2)中的四个在X轴平面内，其余四个在Y轴平面内，所述X轴平面与所述Y轴平面垂直相交；
所述X轴平面内的两个所述电磁铁(2)的磁场梯度峰值点与另外两个所述电磁铁(2)的磁场梯度峰值点重合；
所述Y轴平面内的两个所述电磁铁(2)的磁场梯度峰值点与另外两个所述电磁铁(2)的磁场梯度峰值点重合。
2.根据权利要求1所述的磁场产生系统，其特征在于，八个所述电磁铁(2)分别为第一电磁铁(21)、第二电磁铁(22)、第三电磁铁(23)、第四电磁铁(24)、第五电磁铁(25)、第六电磁铁(26)、第七电磁铁(27)和第八电磁铁(28)；
所述第一电磁铁(21)、所述第二电磁铁(22)、所述第五电磁铁(25)和所述第六电磁铁(26)在所述X轴平面内，所述第一电磁铁(21)和所述第二电磁铁(22)的磁场梯度峰值点与所述第五电磁铁(25)和所述第六电磁铁(26)的磁场梯度峰值点重合；
所述第三电磁铁(23)、所述第四电磁铁(24)、所述第七电磁铁(27)和所述第八电磁铁(28)在所述Y轴平面内，所述第三电磁铁(23)和所述第四电磁铁(24)的磁场梯度峰值点与所述第七电磁铁(27)和所述第八电磁铁(28)的磁场梯度峰值点重合。
3.根据权利要求1或2所述的磁场产生系统，其特征在于，所述安装架(1)包括：
下载板(11)；
高度调节柱(12)，沿竖直方向延伸且其下端与所述下载板(11)可拆卸地固定连接；
上载板(13)，沿竖直方向位置可调节地设置在所述高度调节柱(12)上且与所述下载板(11)相对设置；
八组位置调节组件(14)，其中四组安装在所述下载板(11)上，其余四组安装在所述上载板(13)上，每组所述位置调节组件(14)上均安装有一个所述电磁铁(2)，通过所述位置调节组件(14)能够调节八个所述电磁铁(2)之间的相对位置。
4.根据权利要求3所述的磁场产生系统，其特征在于，所述下载板(11)包括四个下安装部(111)，四个所述下安装部(111)呈十字形设置，其中四组所述位置调节组件(14)一一对应地安装在所述下安装部(111)上；
所述上载板(13)包括四个上安装部(131)，四个所述上安装部(131)呈十字形设置，其余四组所述位置调节组件(14)一一对应地安装在所述上安装部(131)上。
5.根据权利要求3所述的磁场产生系统，其特征在于，所述位置调节组件(14)包括：
支架(141)，所述电磁铁(2)可拆卸地安装在所述支架(141)上；
调节架(142)，其一端与所述下载板(11)或所述上载板(13)可拆卸地固定连接，所述支架(141)的一端与所述调节架(142)连接且连接位置可沿竖直方向调节，所述支架(141)的另一端沿水平方向位置可调节地设置在所述下载板(11)上或所述上载板(13)上。
6.根据权利要求5所述的磁场产生系统，其特征在于，所述位置调节组件(14)还包括：
第一连接柱(143)，所述支架(141)上设置有沿其长度方向延伸的第一调节槽(1411)，所述调节架(142)上设置有沿竖直方向延伸的第二调节槽(1421)，所述第一连接柱(143)能够位置可调节地穿过所述第一调节槽(1411)和所述第二调节槽(1421)，以使所述支架(141)的一端与所述调节架(142)连接；
紧固件能够可拆卸地安装在所述第一连接柱(143)上，以使所述支架(141)的一端与所述调节架(142)固定连接。
7.根据权利要求6所述的磁场产生系统，其特征在于，所述位置调节组件(14)还包括：
第一固定件(144)，可拆卸地安装在所述调节架(142)的另一端；
第一调节杆(145)，能够穿过所述第一固定件(144)和所述第一连接柱(143)；
紧固件能够可拆卸地安装在所述第一调节杆(145)上并与所述调节架(142)抵接，以使所述第一调节杆(145)与所述第一固定件(144)和所述第一连接柱(143)固定连接。
8.根据权利要求7所述的磁场产生系统，其特征在于，所述位置调节组件(14)还包括：
第二连接柱(146)，所述下载板(11)上设置有沿水平方向延伸的下调节槽(112)，所述上载板(13)上设置有沿水平方向延伸的上调节槽(132)，所述第二连接柱(146)能够穿设在所述支架(141)的另一端，且所述第二连接柱(146)能够位置可调节地设置在所述下调节槽(112)或所述上调节槽(132)中；
压板(147)，能够压设在所述第二连接柱(146)上，以使所述第二连接柱(146)固定在所述下调节槽(112)或所述上调节槽(132)中。
9.根据权利要求8所述的磁场产生系统，其特征在于，所述位置调节组件(14)还包括：
第二固定件(148)，可拆卸地安装在所述下载板(11)或所述上载板(13)上；
第二调节杆(149)，能够穿过所述第二固定件(148)和所述第二连接柱(146)；
紧固件能够可拆卸地安装在所述第二调节杆(149)上，以使所述第二调节杆(149)与所述第二固定件(148)和所述第二连接柱(146)固定连接。
10.根据权利要求1或2所述的磁场产生系统，其特征在于，还包括显示机构(3)，所述显示机构(3)包括：
显示载板(31)和载板支架(32)，所述显示载板(31)位置可调节地安装在所述载板支架(32)上，且所述显示载板(31)的顶面与其中四个所述电磁铁(2)相对，其底面与其余四个所述电磁铁(2)相对；
显微镜头(33)和镜头支架(34)，所述显微镜头(33)位置可调节地安装在所述镜头支架(34)上，且所述显微镜头(33)正对所述显示载板(31)的顶面。
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