CN112700942A - 电磁场平台及具有其的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁场平台及具有其的控制系统。电磁场平台包括用于产生匀强磁场的亥姆霍兹线圈，用于产生均匀的梯度磁场的麦克斯韦线圈，其中，麦克斯韦线圈的中心轴线与亥姆霍兹线圈的中心轴线重叠，用于支撑所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈且可带动所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈在水平面内旋转的旋转台，工作台和电源。本发明实施例所提供的电磁场平台至少能够实现结构简单、易于驱动磁控微机器人转向和提高控制精度之一的发明目的。

Description

电磁场平台及具有其的控制系统

技术领域

本发明涉及电磁场的技术领域，特别是涉及一种电磁场平台及具有其的控制系统。

背景技术

磁控微机器人具有小尺寸、自由无约束和可控的优点，在生物、医学、微组装、微纳操作方面得到了广泛关注。磁控微机器人在微流控芯片上的微粒检测、运输、微小零件的加工与组装、微电路系统的装配作业等均发挥着重要作用。磁控微机器人在医学领域，人体血管内进行靶向载药、微创/无创诊断和手术等应用已经成为热门，它的应用大大减缓病人受到的痛苦。当人体的某个器官发生病变时，一般外科医生是通过对患者进行外科手术来进行治疗。磁控微机器人则是直接进入狭窄的人体器官通道(如肠道、食道、血管等)，对病变的部位进行治疗。

磁控微机器人的运动是基于磁场变化的原理进行驱动控制。磁场驱动具有极大的优势，因为磁场对人体细胞组织无损伤且穿透性强，微纳米机器人无需携带电源等动力。目前，驱动磁控微机器人的磁场装置不仅价格昂贵、结构复杂，而且不易驱动磁控微机器人的转向且控制精度不高。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种电磁场平台及具有其的控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种电磁场平台及具有其的控制系统。本发明实施例所提供的电磁场平台至少能够实现结构简单、易于驱动磁控微机器人转向和提高控制精度之一的发明目的。本发明实施例所提供的控制系统包括所述电磁场平台，能够控制磁控微机器人定位至目标位置。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：一种电磁场平台包括：亥姆霍兹线圈，用于在沿所述亥姆霍兹线圈的轴线方向的预设区域内产生匀强磁场；麦克斯韦线圈，用于在沿所述麦克斯韦线圈的轴线方向的预设区域内产生均匀的梯度磁场；所述麦克斯韦线圈的中心轴线与所述亥姆霍兹线圈的中心轴线重叠；旋转台，用于支撑所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈且可带动所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈在水平面内旋转；工作台，用于作为磁控机器人的工作区域；电源，用于为所述电磁场平台提供动力源。

作为本发明的进一步改进，所述电源包括第一直流电源，与所述亥姆霍兹线圈连接，用于对所述亥姆霍兹线圈提供电流；第二直流电源，与所述麦克斯韦线圈连接，用于对所述麦克斯韦线圈提供电流。

作为本发明的进一步改进，所述旋转台包括旋转台平台，用于支撑所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈；旋转电机，用于驱动所述旋转台平台在水平内旋转，从而带动所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈在水平面内旋转。

作为本发明的进一步改进，所述电源包括交流电源，与所述旋转电机连接，用于对所述旋转电机提供动力源。

作为本发明的进一步改进，所述亥姆霍兹线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，所述麦克斯韦线圈包括第一麦克斯韦线圈和第二麦克斯韦线圈，所述第一亥姆霍兹线圈与所述第二亥姆霍兹线圈同轴间隔预设距离，所述第一麦克斯韦线圈与所述第一亥姆霍兹线圈相邻，所述第二麦克斯韦线圈与所述第二亥姆霍兹线圈相邻。

作为本发明的进一步改进，所述第一麦克斯韦线圈位于所述第一亥姆霍兹线圈的相邻外侧，所述第二麦克斯韦线圈位于所述第二亥姆霍兹线圈的相邻外侧。

作为本发明的进一步改进，所述工作台位于所述第一亥姆霍兹线圈与所述第二亥姆霍兹线圈之间，所述工作台的平面与所述亥姆霍兹线圈的中心轴线平行。

本发明实施例还提供一种控制系统。该控制系统包括如上所述的任意一种电磁场平台；识别装置，用于识别位于所述电磁场平台中工作台上的磁控微机器人的位置及姿态并输出所述位置及姿态信息；控制装置，与所述识别装置连接，基于所述磁控微机器人的位置及姿态信息控制磁控微机器人运动至目标位置。

作为本发明的进一步改进，所述识别装置包括视频跟踪单元，通过视频或图像方式捕捉磁控微机器人的位置及姿态；图像处理单元，根据所述视频跟踪单元输出的视频或图像分析并获得磁控微机器人的位置及姿态信息。

作为本发明的进一步改进，所述控制装置根据所述位置及姿态信息和目标位置之差，采用自动控制算法给所述电磁场平台输出控制指令，所述电磁场平台根据所述控制指令驱动旋转台旋转指定角度或\和给所述麦克斯韦线圈输入指定电流或\和给所述亥姆霍兹线圈输入指定电流。

本发明具有以下优点：

本发明实施例所提供的电磁场平台采用亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈即可实现匀强磁场、均匀梯度磁场，采用在水平面上可控旋转的旋转台即可改变磁场方向，从而简便地实现控制磁控微机器人的转向，且转向精度高、转向响应速度快。本发明实施例所提供的电磁场平台的结构简单、相应地成本也低。本发明实施例所提供的控制系统包括上述电磁场平台，因此也具有电磁场平台所具有的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电磁场平台的结构示意图；

图2为图1所示实施例的电磁场平台的主视示意图；

图3为图1所示实施例的电磁场平台的俯视示意图；

图4为图1所示实施例中磁控微机器人所受亥姆霍兹线圈扭矩的示意图；

图5为图1所示实施例中磁控微机器人所受麦克斯韦线圈磁力的示意图；

图6为本发明实施例提供的控制系统的模块示意图；

图7为图6所示实施例中控制系统的控制流程的示意图；

图8(a)、8(b)、8(c)、8(d)、8(e)、8(f)、8(g)为图6所示实施例控制磁控微机器人不同运动轨迹的实验示意图。

附图中的标记说明：

200、控制系统 100、电磁场平台 10、亥姆霍兹线圈

11、第一亥姆霍兹线圈 13、第二亥姆霍兹线圈 20、麦克斯韦线圈

21、第一麦克斯韦线圈 23、第二麦克斯韦线圈 30、工作台

40、旋转台 41、旋转台平台 43、旋转电机

50、第一直流电源 52、第二直流电源 54、交流电源

60、控制模块 70、识别装置 71、视频跟踪单元

73、图像处理单元 90、磁控微机器人

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明第一实施例提供的电磁场平台100。在该实施例中，电磁场平台100包括亥姆霍兹线圈10，麦克斯韦线圈20，工作台30，旋转台40和电源。

亥姆霍兹线圈10用于在沿亥姆霍兹线圈10的轴线方向的预设区域内产生匀强磁场。麦克斯韦线圈20用于在沿麦克斯韦线圈20的轴线方向的预设区域内产生均匀的梯度磁场。在该实施例中，麦克斯韦线圈20的中心轴线与亥姆霍兹线圈10的中心轴线重叠，从而能够确保磁场的中心一致。

继续参考图4，亥姆霍兹线圈10能够产生均匀磁场。在本实施例中，亥姆霍兹线圈10是由一对完全相同的圆形导体线圈组成，即第一亥姆霍兹线圈11和第二亥姆霍兹线圈13。第一亥姆霍兹线圈11和第二亥姆霍兹线圈13平行同轴放置，且两者之间的距离与线圈直径相等。若采用直角坐标系，第一亥姆霍兹线圈11的半径为R的中心轴和第二亥姆霍兹线圈13的半径为R的中心轴都与z轴同轴。第一亥姆霍兹线圈11的x轴方向的坐标为

第二亥姆霍兹线圈13的x轴方向的坐标

第一亥姆霍兹线圈11和第二亥姆霍兹线圈13分别载有方向相同且大小相同的电流I，即可在中心区域得到一个磁场强度比较均匀的磁场。由于亥姆霍兹线圈10具有开敞性质，因此，很容易地可以将其它仪器置入或移出，也可以直接做视觉观察。

继续参考图5，麦克斯韦线圈20能够产生均匀梯度磁场。在该实施例中，麦克斯韦线圈20是由两个完全相同的同轴圆形导体线圈组成，及第一麦克斯韦线圈21和第二麦克斯韦线圈23。第一麦克斯韦线圈21和第二麦克斯韦线圈23之间的距离是它们半径的

倍。第一麦克斯韦线圈21和第二麦克斯韦线圈23分别载有大小相同但方向相反的电流I，即可在沿轴线区域得到一个均匀的梯度磁场。

在该实施例中，麦克斯韦线圈20之间的距离大于亥姆霍兹线圈10之间的距离，电磁场平台100可采用亥姆霍兹线圈10和麦克斯韦线圈20的组合来进行设计。第一亥姆霍兹线圈11与第二亥姆霍兹线圈13同轴间隔预设距离，预设距离等于亥姆霍兹线圈的半径。第一麦克斯韦线圈21与第一亥姆霍兹线圈11相邻，第二麦克斯韦线圈23与第二亥姆霍兹线圈13相邻。第一麦克斯韦线圈21和第二麦克斯韦线圈23之间的距离是亥姆霍兹线圈半径的

倍。为了电磁场平台100装配更加简单，可以设计亥姆霍兹线圈的半径和麦克斯韦线圈的半径大小，从而使得第一麦克斯韦线圈21位于第一亥姆霍兹线圈11的相邻外侧，第二麦克斯韦线圈23位于第二亥姆霍兹线圈11的相邻外侧，即如图1至图3所示实施例。在该实施例中，第一麦克斯韦线圈21的半径、第二麦克斯韦线圈23的半径、第二亥姆霍兹线圈13的半径和第一亥姆霍兹线圈11的半径都相等。

工作台30用于作为磁控机器人的工作区域。在本实施例中，工作台30位于第一亥姆霍兹线圈13与第二亥姆霍兹线圈23之间。进一步地，工作台30的平面与亥姆霍兹线圈10的中心轴线平行。

旋转台40用于支撑亥姆霍兹线圈10与麦克斯韦线圈20，且旋转台40可带动亥姆霍兹线圈10与麦克斯韦线圈20在水平面内旋转。旋转台40包括旋转台平台41和旋转电机43。旋转台平台41用于支撑亥姆霍兹线圈10与麦克斯韦线圈20。旋转电机43用于驱动旋转台平台41在水平内旋转，旋转台平台41在水平内旋转从而带动亥姆霍兹线圈10与麦克斯韦线圈20在水平面内旋转。

电源用于为电磁场平台100提供动力源。在该实施例中，电源包括与亥姆霍兹线圈10连接第一直流电源50、与麦克斯韦线圈20连接的第二直流电源52。第一直流电源50用于对亥姆霍兹线圈10提供电流，即第一直流电源50分别给第一亥姆霍兹线圈11和第二亥姆霍兹线圈13提供方向相同且大小相同的电流I。第二直流电源52用于对麦克斯韦线圈20提供电流，即第二直流电源52分别给第一麦克斯韦线圈21和第二麦克斯韦线圈23提供大小相同但方向相反的电流I。在该实施例中，由不同的直流电源分别对亥姆霍兹线圈10和麦克斯韦线圈20提供电流，电磁场平台100可以独立控制亥姆霍兹线圈10产生均匀磁场的强度和麦克斯韦线圈20的均匀梯度磁场的强度。在其他实施例中，亥姆霍兹线圈10和麦克斯韦线圈20的电流也可以由同一个直流电源提供。

电源还包括交流电源54。交流电源54与旋转电机43连接，用于对旋转电机43提供动力源。具体地，交流电源54的电压为24V。在另一实施例中，第一直流电源50和第二直流电源52可通过交流电源54结合交直流转换器获得。

本发明实施例所提供的电磁场平台采用亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈即可实现匀强磁场、均匀梯度磁场，采用在水平面上可控旋转的旋转台即可改变磁场方向，从而简便地实现控制磁控微机器人的转向，且转向精度高、转向响应速度快。

本发明实施例所提供的电磁场平台的结构简单、相应地成本也低。

如图6所示，本发明实施例还提供一种控制系统200。控制系统200包括如上所述的任意一种电磁场平台100、识别装置70和控制装置60。控制系统200基于可控旋转的电磁场平台100，可以驱动磁控微机器人90等磁性物体运动至目标位置。假设磁控微机器人90等磁性物体的目标位置为(xi,yi)，通过调整磁场大小和旋转台转角，可以很容易地定位到x-y平面上的任意目标位置。在本实施例中，控制装置60根据磁控微机器人90的当前位置(x,y)与目标点位置(xi,yi)之间的距离误差，通过改变旋转台的旋转角度和亥姆霍兹线圈及麦克斯韦线圈的电流大小来控制磁控微机器人90运动。

识别装置70用于识别位于电磁场平台100中工作台30上的磁控微机器人90的位置及姿态并输出磁控微机器人90的位置及姿态信息。在具体实施例中，识别装置70包括视频跟踪单元71和图像处理单元73。视频跟踪单元71通过视频或图像方式捕捉磁控微机器人90的位置及姿态，具体可以为摄像头或照相机。图像处理单元73根据视频跟踪单元71输出的视频或图像分析并获得磁控微机器人90的位置及姿态信息。在其他实施例中，图像处理单元73也可以集成至控制装置60中，为控制装置60中的一部分。

控制装置60与识别装置70连接，基于所述位置及姿态信息控制磁控微机器人90运动至目标位置。控制装置60根据所述位置及姿态信息和目标位置之差，采用PID控制算法给电磁场平台100输出控制指令，电磁场平台100根据所述控制指令驱动旋转台旋转指定角度或\和给所述麦克斯韦线圈输入指定电流或\和给所述亥姆霍兹线圈输入指定电流。

继续参考图7所示，通过视频跟踪单元71(即图7中的工业相机)获得磁控微机器人90的图像，图像处理单元73对图像进行图像处理并获得磁控微机器人90的位置及姿态信息，控制装置60确定磁控微机器人90当前位置及姿态，再结合目标位置之间的差距，按照预设算法生产控制信号，控制信号分别传输给第一直流电源50、第二直流电源52和/或交流电源54，从而调节亥姆霍兹线圈10的电流大小、麦克斯韦线圈20的电流大小和/或交流电流，进而调节均匀磁场强度、梯度磁场强度和/或旋转台40旋转指定角度。优选地，控制信号可以采用PID控制算法生成，并实现对磁场的闭环控制。由于磁场强度的变化和/或旋转台40的旋转会使得磁控微机器人90在磁场力的作用运动至目标位置。优选地，针对磁控微型机器人90的自动运动控制，可以在LabVIEW平台上开发基于视觉反馈系统的控制器。

如图8(a)、8(b)、8(c)、8(d)、8(e)、8(f)、8(g)为采用上述控制系统200控制磁控微机器人90进行不同运动轨迹的实验示意图。该实验方法的实验步骤如下所示：

S1：将磁控微机器人90放置在工作台30的特定位置。

S2：对亥姆霍兹线圈10通入1A的电流，在平面上产生一个均匀磁场，驱动磁控微机器人90旋转，使得磁控微机器人90的磁化方向与磁场方向对齐，达到转向的目的。

S3：对麦克斯韦线圈20通入1A电流，从而在二维平面上产生一个均匀的梯度磁场，驱动磁控微机器人90沿梯度磁场方向运动。

S4：当磁控微机器人90到达目标位置的时候，关闭麦克斯韦线圈20的电流，磁控微机器人90停止向前运动。

S5：控制旋转台40旋转90°，从而亥姆霍兹线圈10同时旋转90°，亥姆霍兹线圈10所产生的均匀磁场方向随之转动。因此，磁控微机器人90的磁化方向随磁场的方向对齐，达到磁控微机器人90再一次转向的目的。

S6：重复步骤S3、S4、S5，即可实现对磁控微机器人90运动至任意目标位置的控制，使其运动成一个如图8(b)的方形轨迹。

通过改变旋转台40的旋转的角度和操作步骤次数，可实现多种形状路径，如图8(a)、8(c)、8(d)、8(e)、8(f)、8(g)所示不同形状的路径。

上述控制过程为人为控制，即工作人员根据磁控微机器人90的位置进行地手动操作。优选地，基于视觉位置反馈控制器件，可实现全自动控制磁控微机器人90沿规划路径运动，具体的步骤如下所示：

步骤T1：CCD相机或工业相机捕捉磁控微机器人90的位置和姿态；

步骤T2：将磁控微机器人90的目标位置与磁控微机器人90的实际位置的信息之差作为输入信号输入至控制装置60中的计算模块；

步骤T3：采用自动控制算法控制计算模块，计算模块输出相应的电流信号；自动控制算法具体可以为PID控制算法。步骤T4：电流信号控制各个线圈和旋转台，达到对磁控微机器人90的控制；

步骤T5：实现基于位置反馈控制算法的路径规划实验。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电磁场平台，其特征在于，所述电磁场平台包括：

亥姆霍兹线圈，用于在沿所述亥姆霍兹线圈的轴线方向的预设区域内产生匀强磁场；

麦克斯韦线圈，用于在沿所述麦克斯韦线圈的轴线方向的预设区域内产生均匀的梯度磁场；所述麦克斯韦线圈的中心轴线与所述亥姆霍兹线圈的中心轴线重叠；

旋转台，用于支撑所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈，且可带动所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈在水平面内旋转；

工作台，用于作为磁控机器人的工作区域；

电源，用于为所述电磁场平台提供动力源。

2.根据权利要求1所述的一种电磁场平台，其特征在于，所述电源包括：

第一直流电源，与所述亥姆霍兹线圈连接，用于对所述亥姆霍兹线圈提供电流；

第二直流电源，与所述麦克斯韦线圈连接，用于对所述麦克斯韦线圈提供电流。

3.根据权利要求1所述的一种电磁场平台，其特征在于，所述旋转台包括：

旋转台平台，用于支撑所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈；

旋转电机，用于驱动所述旋转台平台在水平内旋转，从而带动所述亥姆霍兹线圈与所述麦克斯韦线圈在水平面内旋转。

4.根据权利要求3所述的一种电磁场平台，其特征在于，所述电源包括交流电源，与所述旋转电机连接，用于对所述旋转电机提供动力源。

5.根据权利要求1所述的一种电磁场平台，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，所述麦克斯韦线圈包括第一麦克斯韦线圈和第二麦克斯韦线圈，所述第一亥姆霍兹线圈与所述第二亥姆霍兹线圈同轴间隔预设距离，所述第一麦克斯韦线圈与所述第一亥姆霍兹线圈相邻，所述第二麦克斯韦线圈与所述第二亥姆霍兹线圈相邻。

6.根据权利要求5所述的一种电磁场平台，其特征在于，所述第一麦克斯韦线圈位于所述第一亥姆霍兹线圈的相邻外侧，所述第二麦克斯韦线圈位于所述第二亥姆霍兹线圈的相邻外侧。

7.根据权利要求5所述的一种电磁场平台，其特征在于，所述工作台位于所述第一亥姆霍兹线圈与所述第二亥姆霍兹线圈之间,所述工作台的平面与所述亥姆霍兹线圈的中心轴线平行。

8.一种控制系统，其特征在于，包括：

权利要求1至7中任意一种电磁场平台；

识别装置，用于识别位于所述电磁场平台中工作台上的磁控微机器人的位置及姿态并输出所述位置及姿态信息；

控制装置，与所述识别装置连接，基于所述磁控微机器人的位置及姿态信息控制磁控微机器人运动至目标位置。

9.根据权利要求8所述的一种控制系统，其特征在于，所述识别装置包括：

视频跟踪单元，通过视频或图像方式捕捉磁控微机器人的位置及姿态；

图像处理单元，根据所述视频跟踪单元输出的视频或图像分析并获得磁控微机器人的位置及姿态信息。

10.根据权利要求8所述的一种控制系统，其特征在于，所述控制装置根据所述位置及姿态信息和目标位置之差，采用自动控制算法给所述电磁场平台输出控制指令，所述电磁场平台根据所述控制指令驱动旋转台旋转指定角度或\和给所述麦克斯韦线圈输入指定电流或\和给所述亥姆霍兹线圈输入指定电流。

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