CN113568053A - 一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法，其中机械臂控制的磁场主动补偿系统，包括线圈，所述线圈安装于一六自由度的机械臂上，所述线圈内安装有用于检测线圈内部的磁场分布的磁场传感器，所述磁场传感器与接收其检测信号得到磁场大小及向量的控制器电性连接，所述线圈上连接有用于驱动其的电流源，所述控制器与由其根据磁场方向控制转动调整线圈位置的机械臂电性连接，所述控制器与由其根据磁场大小控制驱动线圈的电流源电性连接。

Description

一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法

技术领域

本发明属于弱磁探测技术领域，具体涉及一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法。

背景技术

现有高灵敏度弱磁探测技术主要有基于光学技术的无自旋交换弛豫(SERF)、光泵浦(Optical Pumping)、非线性磁光旋转(NMOR)等方法，主要原理是利用激光来测量极化原子在磁场中的振荡信号或自旋演化信号，进而得到磁场的大小。

基于这些弱磁探测技术的磁力仪在某个给定方向上的磁场中，其灵敏度可以达到最优值，然而随着磁力仪敏感方向与待测对象的磁场角度发生偏差，在敏感方向上的磁场分布均匀性显著下降，导致磁力仪灵敏度会逐渐下降，甚至到某些特定角度灵敏度下降为接近零(即存在一定“死区”)。

前人针对磁力仪本身做了许多改进的研究来减少或消除“死区”效应。例如采用相干布居囚禁(CPT)(文献：Phys.Rev.Lett.105,193601(2010))、多气室或探头(文献：Eur.Phys.J.Appl.Phys.13,143(2001)、Phys.Rev.A 82,013837(2010)等，此方案极易受磁场梯度干扰)、正交偏振态调制法(文献：Phys.Rev.A89,062507(2014))、椭圆偏振探测光技术(文献Phys.Rev.A 101,063408(2020))、光强度调制法(文献：Rev.Sci.Instrum.86,103105(2015))、基于双谐振的单光束探测法(文献：Phys.Rev.Appl.15,024033(2021))等。

当磁力仪应用到具体场景中，特别是将装置放入地磁场中时，由于外磁场的不确定性和变化性，需要采用上述改进的磁力仪，或需要考虑对外磁场的补偿从而减少其对待测对象磁场的干扰。

然而，磁场补偿的主要途径，包括上述文献中涉及的无死区磁力仪研究，都是基于利用导磁材料制作的磁屏蔽，将磁力仪和待测对象(或模拟磁场)放入磁屏蔽当中。此方法虽然能实现较高灵敏度，但依赖于体积庞大、笨重的磁屏蔽，成本较高且在移动的场景应用极其不便。

还有一种补偿方法是采用三维线圈，通过调整三个方向上的不同电流，使得中心均匀区的磁场稳定在某个范围。此种方法简便，但存在的明显问题是，由于外磁场方向的不确定性，要达到均匀的补偿效果，对三个方向上的线圈设计要求非常高。这是因为三个方向线圈的地位是相等的，需要每个方向上的线圈都能产生均匀区较一致的补偿磁场。常用的三维Helmholtz线圈，每个方向具有较一致的均匀区，但每个均匀区较小，不适合需要较大均匀区的场合。

高灵敏度弱磁探测技术在空间探测、地球物理、生物医学、海洋探测等具有重要应用，而目前能移动并用在户外的磁力仪仍会受到“死区”效应的影响(文献：Phys.Rev.Appl.14,011002(2020).)。

因此，需要一种能减少“死区”的影响、减少补偿线圈的复杂性、实现较大的磁场补偿均匀区范围、有效地减少体积与质量、能方便在户外应用的磁场补偿技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种能减少“死区”的影响、减少补偿线圈的复杂性、实现较大的磁场补偿均匀区范围、有效地减少体积与质量、能方便在户外应用的机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，包括线圈，其特征在于：所述线圈安装于一六自由度的机械臂上，所述线圈内安装有用于检测线圈内部的磁场分布的磁场传感器，所述磁场传感器与接收其检测信号得到磁场大小及向量的控制器电性连接，所述线圈上连接有用于驱动其的电流源，所述控制器与由其根据磁场方向控制转动调整线圈位置的机械臂电性连接，所述控制器与由其根据磁场大小控制驱动线圈的电流源电性连接。

进一步，所述机械臂包括安装于固定面上的底座，所述底座上依次安装有第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机，所述第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机以及线圈之间均设有支撑臂，所述第一电机与第二电机、第二电机与相应的支撑臂、第三电机与相应的支撑臂、第四电机与相应的支撑臂、第五电机与相应的支撑臂、第六电机与相应的支撑臂之间均通过传动部件连接，所述第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机均与控制其转动的控制器电性连接。

进一步，所述第一电机、第四电机、第六电机为水平转动设置，所述第二电机、第三电机、第五电机为垂直转动设置。

进一步，与线圈连接的所述支撑臂采用无磁材料制成，当然也可以是一定长度的无磁材料，减少磁场干扰。

进一步，所述线圈是一维线圈。在机械臂控制精度足够的情况下，采用一维线圈以有效控制线圈体积与质量，并降低结构复杂性。

或者，所述线圈为三维线圈，包括主线圈和两个次线圈，所述主线圈与连个次线圈分别设置于三个正交方向上。

进一步，所述主线圈采用无矩线圈、组合线圈或螺线管，提高由其流过的电流所产生磁场的均匀区。

进一步，两个次线圈采用亥姆霍兹线圈形式、正弦线圈、或余弦线圈，能产生更大均匀区。

进一步，所述线圈采用无磁材料制成。

上述机械臂控制的磁场主动补偿系统的补偿方法，其具体步骤如下：

(1)初始时刻，线圈的方位处于已知位置；

(2)线圈内的磁场传感器检测背景磁场并输出检测信号至控制器，控制器分析背景磁场各个分量大小，并得到总合成磁场的大小B₀及向量B₀；

(3)控制器根据得到的磁场方向，控制机械臂的六个电机转动，使得线圈的位置与背景磁场向量B₀的方向一致；

(4)控制器根据得到的总合成磁场的大小B₀，控制用来驱动线圈的电流源，使得线圈产生一个与总合成磁场B₀大小相等，但方向相反的磁场B₁，即B₁＝-B₀，补偿背景磁场；

(5)通过磁场传感器对线圈内部产生的磁场进行检测，并反馈给控制器，控制器发出指令自动调节电流源，形成闭环控制，使得线圈内部磁场接近于零。

本发明的优点是：

1、利用多轴机械臂随时灵活地调整线圈方向，使得主线圈磁场方向与背景磁场方向重合，方便根据需要来对背景磁场补偿，或利用背景磁场避开检测死区，提高磁力仪的探测灵敏度。

2、在达到同样补偿效果的情况下，可以极大地简化线圈结构形式，甚至可以只采用一维线圈补偿，在达到较大补偿均匀区的同时，减少体积与质量、降低结构复杂性。即使采用三维线圈补偿，对其他两个方向的线圈均匀区要求更低，也有利于减少体积和质量。

3、无需使用磁屏蔽筒等笨重的屏蔽材料，可以工作在地磁场环境下，可以采用移动电源例如蓄电池等供电，可移动性高并可应用在户外。

4、利用线圈内部磁场传感器(可使用单独传感器或者磁力仪本身)实时检测并提供反馈，对磁场的补偿形成闭环控制，自动化程度高。

5、可以利用常见的计算机结合硬件，实现对系统各个结构的控制，又可以实时显示并存储系统相关的数据，使用与维护灵活、高效。

附图说明

图1为本发明的机械部件的简要结构示意图。

图2为本发明的三维线圈的结构示意图。

图3为本发明的控制原理框图。

图4为本发明的主线圈磁场分布示意图。

图5为本发明的磁场传感器探测到的磁场向量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参见图1-3，本实施例提供了一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，包括线圈8，所述线圈8安装于一六自由度的机械臂上，所述线圈8内安装有用于检测线圈内部的磁场分布的磁场传感器9，所述磁场传感器9与接收其检测信号得到磁场大小及向量的控制器13电性连接，所述线圈8上连接有用于驱动其的电流源14，所述控制器13与由其根据磁场方向控制转动调整线圈8位置的机械臂电性连接，所述控制器13与由其根据磁场大小控制驱动线圈8的电流源14电性连接。

具体的，所述机械臂包括安装于固定面上的底座，所述底座上依次安装有第一电机1、第二电机2、第三电机3、第四电机4、第五电机5、第六电机6，所述第二电机2、第三电机3、第四电机4、第五电机5、第六电机6以及线圈8之间均设有支撑臂，所述第一电机1与第二电机2、第二电机2与相应的支撑臂、第三电机3与相应的支撑臂、第四电机4与相应的支撑臂、第五电机5与相应的支撑臂、第六电机6与相应的支撑臂之间均通过传动部件连接，所述第一电机1、第二电机2、第三电机3、第四电机4、第五电机5、第六电机6均与控制其转动的控制器13电性连接。其中所述第一电机1、第四电机4、第六电机6为水平转动设置，所述第二电机2、第三电机3、第五电机5为垂直转动设置。与线圈8连接的所述支撑臂7采用无磁材料制成，当然也可以是一定长度的无磁材料，减少磁场干扰。

本实施例线圈8可以采用无磁材料制成的三维线圈形式，如图2所示。由三个正交方向上的主线圈10、次线圈11、12及其相应的支撑结构组成。其中主线圈10可采用无矩线圈、组合线圈或螺线管等形式，提高由其流过的电流所产生磁场的均匀区。其他两个方向上的次线圈11、12既可以采用更简单的亥姆霍兹线圈形式，也可采用正弦线圈、余弦线圈等能产生更大均匀区的线圈形式。当然所述线圈8还可以采用一维线圈的形式。在机械臂控制精度足够的情况下，可以省略次线圈11、12两个方向上的线圈，只保留主线圈10，以有效控制线圈体积与质量，并降低结构复杂性。

本实施例磁场传感器9采用一个高灵敏的微型三维磁场传感器，安装于线圈内部，用于检测线圈内部的磁场分布，具体安装位置可以按需要调整。

本实施例所述控制器13的部分既可以利用计算机软件结合多功能数据采集与控制卡实现，也可以利用含有模数转换器(ADC)和专用处理器的嵌入式系统实现。

本发明所述机械臂控制的磁场主动补偿系统的补偿方法，其具体步骤如下：

(1)初始时刻，线圈8的方位处于已知位置；

(2)线圈8内的磁场传感器9检测背景磁场并输出检测信号至控制器13，控制器13分析背景磁场各个分量大小，并得到总合成磁场的大小B₀及向量B₀；

(3)控制器13根据得到的磁场方向，控制机械臂的六个电机转动，使得线圈8的位置与背景磁场向量B₀的方向一致；

(4)控制器13根据得到的总合成磁场的大小B₀，控制用来驱动线圈8的电流源14，使得线圈8产生一个与总合成磁场B₀大小相等，但方向相反的磁场B₁，即B₁＝-B₀，补偿背景磁场；

(5)通过磁场传感器9对线圈8内部产生的磁场进行检测，并反馈给控制器13，控制器13发出指令自动调节电流源14，形成闭环控制，使得线圈8内部磁场接近于零。

本发明能够充分利用外磁场(主要是针对例如地磁场之类的大范围磁场(大场)说的，大场的特点是比较均匀，且方向在较大工作范围内基本一致。其他的附近磁性物质产生的小范围磁场(小场)会使得补偿受较大影响，因此小场不是本发明针对的重点)，无需导磁性磁屏蔽装置，利用机械臂控制线圈的方向，使得外磁场方向与均匀区最大的线圈产生磁场方向一致，再产生一个和外磁场相反的方向精确补偿，实现线圈内部产生均匀区较大的近零磁场。

本发明利用多轴机械臂随时灵活地调整线圈方向，使得主线圈磁场方向与背景磁场方向重合，方便根据需要来对背景磁场补偿，或利用背景磁场避开检测死区，提高磁力仪的探测灵敏度。在达到同样补偿效果的情况下，可以极大地简化线圈结构形式，甚至可以只采用一维线圈补偿，在达到较大补偿均匀区的同时，减少体积与质量、降低结构复杂性。即使采用三维线圈补偿，对其他两个方向的线圈均匀区要求更低，也有利于减少体积和质量。无需使用磁屏蔽筒等笨重的屏蔽材料，可以工作在地磁场环境下，可以采用移动电源例如蓄电池等供电，可移动性高并可应用在户外。利用线圈内部磁场传感器(可使用单独传感器或者磁力仪本身)实时检测并提供反馈，对磁场的补偿形成闭环控制，自动化程度高。可以利用常见的计算机结合硬件，实现对系统各个结构的控制，又可以实时显示并存储系统相关的数据，使用与维护灵活、高效。

本发明的一个具体实例如下：

无磁材料制作了线圈8，其中主线圈10采用四环线圈，直径为12cm，长度为20cm，产生z方向的磁场，磁场/电流系数为0.27μT/mA。如图4所示，1％均匀区可以是直径4cm，长度12cm的较大范围，2％和5％的均匀区则更大。其他两个方向的次线圈11、12采用简易的亥姆霍兹线圈，磁场/电流系数分别为0.24μT/mA、0.32μT/mA。

一个高灵敏的微型三维磁场传感器9，PCB面积为5mm×5mm，其中传感器核心面积约1mm×1mm，安装于线圈8中部，用于检测线圈内部的磁场分布。

线圈8以及磁场传感器9稳固安装在一个常规六轴机械臂上，底座安装在移动平台台面上。

初始时刻，线圈8的方位(z方向)处于水平位置。

磁场传感器9检测背景磁场，得到三个方向上的磁场大小为：B_x＝38.4μT，B_y＝15.5μT，B_z＝50.3μT。总磁场大小B＝65.15μT。磁场向量B₀如图5所示。

控制器13根据得到的磁场方向，控制机械臂的六个电机，使得线圈8的位置与背景磁场向量B₀的方向一致。

控制器13根据得到的总合成磁场的大小B₀，控制用来驱动线圈8的电流源14，z方向上使用-241.3mA电流，x方向上使用0.1mA电流，y方向使用0.0mA电流，补偿背景磁场。

磁场传感器9对线圈8内部产生的磁场进行检测，检测结果为：B_x＝±0.5μT，B_y＝±0.5μT，B_z＝±1μT。总磁场大小B＝±1.22μT。检测结果反馈给控制器形成闭环控制。

不使用屏蔽筒的情况下，在直径4cm，长度12cm的范围内实现了背景磁场小于1.22μT，波动小于12.2nT的磁场控制效果。

Claims (10)

1.一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，包括线圈，其特征在于：所述线圈安装于一六自由度的机械臂上，所述线圈内安装有用于检测线圈内部的磁场分布的磁场传感器，所述磁场传感器与接收其检测信号得到磁场大小及向量的控制器电性连接，所述线圈上连接有用于驱动其的电流源，所述控制器与由其根据磁场方向控制转动调整线圈位置的机械臂电性连接，所述控制器与由其根据磁场大小控制驱动线圈的电流源电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：所述机械臂包括安装于固定面上的底座，所述底座上依次安装有第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机，所述第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机以及线圈之间均设有支撑臂，所述第一电机与第二电机、第二电机与相应的支撑臂、第三电机与相应的支撑臂、第四电机与相应的支撑臂、第五电机与相应的支撑臂、第六电机与相应的支撑臂之间均通过传动部件连接，所述第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机均与控制其转动的控制器电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：所述第一电机、第四电机、第六电机为水平转动设置，所述第二电机、第三电机、第五电机为垂直转动设置。

4.根据权利要求2所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：与线圈连接的所述支撑臂采用无磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：所述线圈是一维线圈。

6.根据权利要求1所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：所述线圈为三维线圈，包括主线圈和两个次线圈，所述主线圈与连个次线圈分别设置于三个正交方向上。

7.根据权利要求6所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：所述主线圈采用无矩线圈、组合线圈或螺线管。

8.根据权利要求6所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：两个次线圈采用亥姆霍兹线圈形式、正弦线圈、或余弦线圈。

9.根据权利要求1所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统，其特征在于：所述线圈采用无磁材料制成。

10.根据权利要求1所述的一种机械臂控制的磁场主动补偿系统的补偿方法，其具体步骤如下：

(1)初始时刻，线圈的方位处于已知位置；

(2)线圈内的磁场传感器检测背景磁场并输出检测信号至控制器，控制器分析背景磁场各个分量大小，并得到总合成磁场的大小B₀及向量B₀；

(3)控制器根据得到的磁场方向，控制机械臂的六个电机转动，使得线圈的位置与背景磁场向量B₀的方向一致；

(4)控制器根据得到的总合成磁场的大小B₀，控制用来驱动线圈的电流源，使得线圈产生一个与总合成磁场B₀大小相等，但方向相反的磁场B₁，即B₁＝-B₀，补偿背景磁场；

(5)通过磁场传感器对线圈内部产生的磁场进行检测，并反馈给控制器，控制器发出指令自动调节电流源，形成闭环控制，使得线圈内部磁场接近于零。

Images