CN113488309A - 旋转磁场发生器及机器人 - Google Patents

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Abstract

一种旋转磁场发生器及机器人，涉及磁场发生器技术领域。该旋转磁场发生器包括支架、三组铁芯以及三组线圈；三组铁芯分别固定于支架上，且三组铁芯的轴线的延长线呈两两正交设置，三组线圈一一对应套设于三组铁芯的外周；其中，每组线圈分别具有两接线端子，两接线端子用于与外部电源电连接。该机器人被配置于上述的旋转磁场发生器的三组铁芯形成的空间内，旋转磁场发生器用于驱动机器人运动。该旋转磁场发生器能够提高磁通密度。

Description

旋转磁场发生器及机器人
技术领域
本发明涉及磁场发生器技术领域，具体而言，涉及一种旋转磁场发生器及机器人。
背景技术
远程无线微型机器人广泛应用在细胞生物力学测量、药物测试和靶向治疗等精密医学领域中。其中，远程无线微型机器人的驱动装置根据工作原理进行区分，通常分为以下五种：磁驱动、光驱动、超声波驱动、流体场驱动和电场驱动。由于光和超声波容易受到深层组织的干扰，难以达到高精度操作；而流体场驱动和电场驱动对执行环境有很高的要求，且存在容易对生物体造成损伤的问题。因此，远程无线微型机器人的驱动装置最常用的是对生物损伤较小、且对作业环境要求较低的磁驱动。
其中，由于旋转磁驱动装置更容易实现群控制，且能够通过提高磁通密度来提高动力大小而广受青睐。然而，现有的旋转磁驱动装置的磁通密度受限于永磁体的磁场强度，其获得的动力较小，难以在粘稠的环境中运动。若通过增加线圈匝数或增大电流的方式提升磁通密度的话又会使得驱动功率大幅提升，提高了系统稳定运行的负荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转磁场发生器及机器人，其能够提高磁通密度。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明的一方面，提供一种旋转磁场发生器，该旋转磁场发生器包括支架、三组铁芯以及三组线圈；三组铁芯分别固定于支架上，且三组铁芯的轴线的延长线呈两两正交设置，三组线圈一一对应套设于三组铁芯的外周；其中，每组线圈分别具有两接线端子，两接线端子用于与外部电源电连接。该旋转磁场发生器能够提高磁通密度。
可选地，每组铁芯包括第一子铁芯和第二子铁芯，每组线圈包括套设于第一子铁芯外周的第一子线圈和套设于第二子铁芯外周的第二子线圈；第一子铁芯和第二子铁芯分别固定于支架上，且第一子铁芯的轴线和第二子铁芯的轴线共线，第一子线圈和第二子线圈的绕线方向相同。
可选地，支架包括本体，本体上设有三组插接孔，每组铁芯分别通过每组插接孔能够插接并固定于支架上。
可选地，每组插接孔包括两个分别设于本体相对两侧的子插接孔。
可选地，旋转磁场发生器还包括冷却风扇，冷却风扇连接于支架上，用于对铁芯进行降热。
可选地，冷却风扇包括三组，三组冷却风扇用于分别对三组铁芯进行降热，每组冷却风扇分别位于每组铁芯远离支架中心的一端。
可选地，旋转磁场发生器还包括连接于冷却风扇和铁芯之间的导热件。
可选地，导热件的材料为紫铜。
可选地，旋转磁场发生器还包括填充于线圈与铁芯之间的缝隙处的硅脂。
本发明的另一方面，提供一种机器人，该机器人被配置于上述的旋转磁场发生器的三组铁芯形成的空间内，旋转磁场发生器用于驱动机器人运动。
本发明的有益效果包括：
本申请提供的旋转磁场发生器，包括支架、三组铁芯以及三组线圈；三组铁芯分别固定于支架上，且三组铁芯的轴线呈两两正交设置，三组线圈一一对应套设于三组铁芯的外周；其中，每组线圈分别具有两接线端子，两接线端子用于与外部电源电连接。该旋转磁场发生器能够提高旋转磁场发生器的磁通密度。这样，在使用时，用户可以通过将三组线圈的两接线端子分别与外部电源电连接，从而通过外部电源对每组线圈分别进行通电，并根据需要调整三组线圈通入的交流电的幅值、相位和频率，这样，便可以在三组铁芯的轴线的延长线的交汇处产生特定旋转方向、强度幅值以及旋转频率的旋转磁场。本申请提供的旋转磁场发生器引入了三组轴线的延长线呈正交设置的铁芯，以及一一对应套设于三组铁芯外周的三组线圈，相对于现有技术中采用永磁铁产生磁场的磁场发生器而言，本申请能够提升旋转磁场的磁通密度，进而使得在该旋转磁场发生器应用于机器人中时，能够提高机器人的运动速度。同时，本申请还可以通过调整三组线圈通入的交流电的幅值、相位以及频率，实现对旋转磁场的强度幅值、旋转方向和旋转频率进行调节，进而使得本申请的旋转磁场发生器能够应用于多种不同的工作环境中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的旋转磁场发生器的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的旋转磁场发生器的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的旋转磁场发生器的结构示意图之三；
图4为本发明实施例提供的旋转磁场发生器的结构示意图之四。
图标：10-支架；11-本体；12-插接孔；13-第一子架；20-铁芯；21-第一子铁芯；22-第二子铁芯；30-线圈；31-第一子线圈；32-第二子线圈；40-冷却风扇；50-导热件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
远程无线微型机器人(以下简称机器人)因其在精密医学领域的广泛应用而备受关注，其广泛应用在细胞生物力学测量、药物测试和靶向治疗等领域。其中，机器人根据工作原理的区别，常见的机器人的驱动装置可以分为五种，分别为：磁驱动、光驱动、超声波驱动、流体场驱动以及电场驱动。考虑到需要在深层组织内进行工作，由于光和超声波会受到深层组织的干扰，难以达到高精度操作，而流体场驱动和电场驱动对执行环境有着很高的要求，同时也容易对生物体造成损伤。因此，磁驱动因其生物损伤小、对作业环境要求低等优点成为了机器人的最常用的驱动方式。然而，现有的用于精密医学的机器人的磁场发生器，其多采用永磁铁产生对应的磁场，其磁场强度有限，难以满足在粘稠环境中运动的工作需求。为此，本申请提供了一种旋转磁场发生器，以提升磁通密度，进而提高机器人的磁驱动动力，以满足机器人在粘稠环境中的工作需求。下文将对旋转磁场发生器的具体结构进行详细说明。
请参照图1至图4，本实施例提供一种旋转磁场发生器，该旋转磁场发生器包括支架10、三组铁芯20以及三组线圈30；三组铁芯20分别固定于支架10上，且三组铁芯20的轴线的延长线呈两两正交设置，三组线圈30一一对应套设于三组铁芯20的外周；其中，每组线圈30分别具有两接线端子，两接线端子用于与外部电源电连接。该旋转磁场发生器能够提高磁通密度。
其中，三组铁芯20可以分别固定于支架10上，支架10能够对铁芯20起到支撑作用。本申请对支架10的结构形式不做限制，本领域技术人员可以根据需要将支架10设计成正多边体结构。
三组线圈30一一对应套设于三组铁芯20上，且每组线圈30的两接线端子用于与外部电源电连接，这样，通过外部电源对三组线圈30通电，便可以产生旋转磁场。同时，通过调整三组线圈30通过的交变电流的幅值、相位和频率，便可以分别调整旋转磁场发生器的旋转磁场的强度幅值、旋转方向和旋转频率。
需要说明的是，在本实施例中，三组铁芯20的轴线呈两两正交设置，且三组铁芯20互不接触，如图1所示。这样，三组铁芯20的一端均朝向同一个中心延伸，且三组铁芯20的另一端呈放射状向外扩散。如此，可以形成三维旋转磁场。这样，在分别对三组铁芯20上缠绕的线圈30进行通电后，在三组铁芯20相互靠近的一端处能够形成旋转磁场。其中，旋转磁场的旋转方向、强度幅值以及旋转频率均可以通过对三组线圈30的交流电的幅值、相位以及频率进行调节而实现。
综上所述，本申请提供的旋转磁场发生器，包括支架10、三组铁芯20以及三组线圈30；三组铁芯20分别固定于支架10上，且三组铁芯20的轴线呈两两正交设置，三组线圈30一一对应套设于三组铁芯20的外周；其中，每组线圈30分别具有两接线端子，两接线端子用于与外部电源电连接。该旋转磁场发生器能够提高旋转磁场发生器的磁通密度。这样，在使用时，用户可以通过将三组线圈30的两接线端子分别与外部电源电连接，从而通过外部电源对每组线圈30分别进行通电，并根据需要调整三组线圈30通入的交流电的幅值、相位和频率，这样，便可以在三组铁芯20的轴线的延长线的交汇处产生特定旋转方向、强度幅值以及旋转频率的旋转磁场。本申请提供的旋转磁场发生器引入了三组轴线的延长线呈正交设置的铁芯20，以及一一对应套设于三组铁芯20外周的三组线圈30，相对于现有技术中采用永磁铁产生磁场的磁场发生器而言，本申请能够提升旋转磁场的磁通密度和效率，进而使得在该旋转磁场发生器应用于机器人中时，能够提高机器人的运动速度。同时，本申请还可以通过调整三组线圈30通入的交流电的幅值、相位以及频率，实现对旋转磁场的强度幅值、旋转方向和旋转频率进行调节，进而使得本申请的旋转磁场发生器能够应用于多种不同的工作环境中。
请参照图1，在本实施例中，每组铁芯20包括第一子铁芯21和第二子铁芯22，每组线圈30包括套设于第一子铁芯21外周的第一子线圈31和套设于第二子铁芯22外周的第二子线圈32；第一子铁芯21和第二子铁芯22分别固定于支架10上，且第一子铁芯21的轴线和第二子铁芯22的轴线共线，第一子线圈31和第二子线圈32的绕线方向相同。即，三组铁芯20便包括六个子铁芯20，对应地，三组线圈30包括六个子线圈30，且六个子线圈30一一对应套设于六个子铁芯20外周。
其中，每组铁芯20包括设于支架10相对两侧的第一子铁芯21和第二子铁芯22。在本实施例中，第一子铁芯21和第二子铁芯22互相靠近的一端互不连接，且第一子铁芯21轴线和第二子铁芯22的轴线共线，如图1和图3所示。这样，第一线圈30和第二线圈30通电时，第一子铁芯21和第二子铁芯22可以形成同一个方向的磁场。如此，三组铁芯20便可以形成三维的旋转磁场。
如图1所示，示例地，支架10可以包括本体11，本体11上可以设有三组插接孔12，每组铁芯20分别通过每组插接孔12能够插接并固定于支架10上。这样，在对旋转磁场发生器进行组装时，可以将每组铁芯20对应插接于本体11上的对应插接孔12内，从而实现对铁芯20的固定。三组铁芯相互靠近一端采用一个第一子架13(第一子架13为本体11的一部分，见图1)固定在一起。本申请采用铁芯20插接于本体11上的方式，能够提高旋转磁场发生器的装配效率。
需要说明的是，本申请对插接孔12的形状不做限制，例如，每组插接孔12可以是圆形孔，也可以是方形孔或者异型孔等，只要能使得通过该插接孔12能够将铁芯20插接于本体11上即可。另外，需要注意的是，在对插接孔12进行设计时，应当避免铁芯20自插接孔12内滑落。
还有，插接孔12的组数应当与铁芯20的组数对应，或者，插接孔12的组数大于铁芯20的组数。这样，能保障所有的铁芯20均可以通过插接孔12固定于本体11上。
可选地，每组插接孔12包括两个分别设于本体11相对两侧的子插接孔12。这样，每组铁芯20的第一子铁芯21和第二子铁芯22可以分别插设于两个子插接孔12内。
由于在每组线圈30通电后，会产生一定的热量，因此，在本实施例中，可选地，请参照图1和图4，旋转磁场发生器还包括冷却风扇40，冷却风扇40连接于支架10上，用于对铁芯20进行降热。
其中，可选地，冷却风扇40包括三组，三组冷却风扇40用于分别对三组铁芯20进行降热，每组冷却风扇40分别位于每组铁芯20远离支架10中心的一端。当然，冷却风扇40包括三组仅为示例，在其他的实施例中，本领域技术人员可以根据实际需求而定，例如，在将该旋转磁场发生器应用于高磁场强度需求的工作环境时，可以将冷却风扇40的数量设置为大于三组，以满足工作需求；在该旋转磁场发生器应用于较低磁场强度需求的工作环境时，冷却风扇40还可以小于三组，这样，既可以满足散热需求，又能降低不必要的损耗和成本。
还有，在本实施例中，冷却风扇40位于每组铁芯20远离支架10中心的一端，如图1所示。当然，这仅为本申请提供的一种示例，在其他的实施例中，本领域技术人员还可以将冷却风扇40设置于支架10内，且使冷却风扇40的出风口朝向铁芯20。
在本实施例中，冷却风扇40可以为普通的扇叶型风扇，也可以为水冷风扇，本申请不做限制。
为了提高旋转磁场发生器的导热效率，在本实施例中，可选地，旋转磁场发生器还包括连接于冷却风扇40和铁芯20之间的导热件50。这样，铁芯20产生的热量便可以通过导热件50导出。
其中，在本实施例中，每组铁芯20包括第一子铁芯21和第二子铁芯22，即三组铁芯20一共包括六个子铁芯20，这样，导热件50的数量可以与子铁芯20的数量对应，即设置六个。
可选地，在本实施例中，导热件50的材料为紫铜。当然，这仅为示例，在其他的实施例中，本领域技术人员还可以选用其他材料作为导热件50，本申请不做限制。
为了进一步提高散热效果，可选地，旋转磁场发生器还包括填充于线圈30与铁芯20之间的缝隙处的硅脂。其中，硅脂除了提充于线圈30和铁芯20之间的缝隙之外，还可以填充于铁芯20和导热件50之间的缝隙处、导热件50和冷却风扇40之间的缝隙处等。即，在不对旋转磁场发生器产生的磁场造成影响的情况下，该硅脂可以填充于任何缝隙处以实现导热的目的。
本发明的另一方面，提供一种机器人，该机器人的材料可以是铁、氧化铁、钴、镍等任何带有磁性的纳米至厘米尺度的一个或多个颗粒、螺旋体等物体。该机器人被配置于上述的旋转磁场发生器的三组铁芯20形成的空间(即三组铁芯20相互靠近的一端形成的空间，对应至图1中则为支架10的内部空间)内，旋转磁场发生器用于驱动机器人运动。也即，该机器人放置于上述的旋转磁场发生器六个线圈30朝向内部的工作空间内。机器人(单个、多个或群体)由旋转磁场无线驱动进行旋转、滚动、摇摆等运动。由于该旋转磁场发生器的具体结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述，故在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种旋转磁场发生器，其特征在于，包括支架、三组铁芯以及三组线圈；三组所述铁芯分别固定于所述支架上，且三组所述铁芯的轴线的延长线呈两两正交设置，三组所述线圈一一对应套设于三组所述铁芯的外周；其中，每组所述线圈分别具有两接线端子，两所述接线端子用于与外部电源电连接。
2.根据权利要求1所述的旋转磁场发生器，其特征在于，每组所述铁芯包括第一子铁芯和第二子铁芯，每组所述线圈包括套设于所述第一子铁芯外周的第一子线圈和套设于所述第二子铁芯外周的第二子线圈；所述第一子铁芯和所述第二子铁芯分别固定于所述支架上，且所述第一子铁芯的轴线和所述第二子铁芯的轴线共线，所述第一子线圈和所述第二子线圈的绕线方向相同。
3.根据权利要求1所述的旋转磁场发生器，其特征在于，所述支架包括本体，所述本体上设有三组插接孔，每组所述铁芯分别通过每组所述插接孔能够插接并固定于所述支架上。
4.根据权利要求3所述的旋转磁场发生器，其特征在于，每组所述插接孔包括两个分别设于所述本体相对两侧的子插接孔。
5.根据权利要求1所述的旋转磁场发生器，其特征在于，所述旋转磁场发生器还包括冷却风扇，所述冷却风扇连接于所述支架上，用于对所述铁芯进行降热。
6.根据权利要求5所述的旋转磁场发生器，其特征在于，所述冷却风扇包括三组，三组所述冷却风扇用于分别对三组所述铁芯进行降热，每组所述冷却风扇分别位于每组所述铁芯远离所述支架中心的一端。
7.根据权利要求5所述的旋转磁场发生器，其特征在于，所述旋转磁场发生器还包括连接于所述冷却风扇和所述铁芯之间的导热件。
8.根据权利要求7所述的旋转磁场发生器，其特征在于，所述导热件的材料为紫铜。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的旋转磁场发生器，其特征在于，所述旋转磁场发生器还包括填充于所述线圈与所述铁芯之间的缝隙处的硅脂。
10.一种机器人，其特征在于，所述机器人被配置于权利要求1至9中任意一项所述的旋转磁场发生器的三组铁芯形成的空间内，所述旋转磁场发生器用于驱动所述机器人运动。
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