CN115556085B - 一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置，包括：电磁线圈壳体，所述电磁线圈壳体包括双层套设的内壳体和外壳体，在所述内壳体中设置有放置磁性机器人的工作空间，在所述内壳体与外壳体之间形成密封的冷却腔，在所述外壳体上开设有与所述冷却腔连通的水冷液进液口和水冷液排液口；电磁线圈芯，设置所述内壳体和外壳体之间的冷却腔中，所述电磁线圈芯围绕所述内壳体设置在内壳体外XYZ三轴空间的六个方位上。本发明提供一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置，兼顾大空间、高强度、低温度变化等优点，该系装置在微尺度磁性机器人驱动控制及生物体内应用等领域具有更高的可用性和操作性，具有一定的实用价值。

Description

一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置

技术领域

本发明涉及磁性机器人驱动与控制技术领域，尤其是指一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置。

背景技术

微尺度磁性机器人控制模块，主要用于实现各种尺寸微型机器人的远程运动控制，具有获取简单、调试方便、能够无损穿透生物组织等优点，用户可以通过调整磁场的方向和大小来实施控制，一般由永磁体或者电磁铁(如：亥姆霍兹线圈)组成。

现有技术磁驱动微型机器人控制装置的设计方案主要采取以下要点：

1.直接利用永磁体，并借助电机、机械臂等装置实现永磁体的机械运动来产生特定磁场；

2.直接利用电磁线圈组装成具有特定正交结构的线圈组(如亥姆霍兹线圈)，然后通过往线圈中通入交流电信号产生振荡或旋转的磁场；

3.为增大工作空间，对亥姆霍兹线圈进行改进，采用方形线圈实现，该方式可以极大增加系统内部的可用工作区域。

但是现有的以上三种磁驱动微型机器人控制装置的设计方案均存在一定的缺陷：

1.现有基于永磁铁的磁控驱动装置受自身机械性质和物理规律的限制，难以实现周围高速的磁场调控；如电机或者机械臂很难实现永磁体姿态或者位置的高速可控调整，灵活性与可操作性较低，进而无法快速改变磁性微机器人的运动行为。

2.当前基于线圈的电磁驱控系统的大工作空间和大磁场强度不可兼得，亥姆霍兹线圈可以获得较大的磁场强度，但是却无法满足大工作空间的需求；采用方形线圈对亥姆霍兹线圈进行赶紧，虽然增大了工作空间，但是线圈距离中心位置距离也相对增加，因此无法满足大磁场强度的需求。

3.目前基于线圈的微机器人磁控系统往往会在短时间内产生大量的热量，传统系统难以将产生的热量迅速排出，造成热量的不断累积。因此，这类系统往往只能工作几分钟就必须关机散热，否则会对装置本体或者微机器人造成不可逆的损害。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中传统控制微尺度磁性机器人磁控装置存在发热量大、散热难、空间与磁场强度无法兼得等问题，提供一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置，兼顾大空间、高强度、低温度变化等优点，该系装置在微尺度磁性机器人驱动控制及生物体内应用等领域具有更高的可用性和操作性，具有一定的实用价值。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置，包括：

电磁线圈壳体，所述电磁线圈壳体包括双层套设的内壳体和外壳体，在所述内壳体中设置有放置磁性机器人的工作空间，在所述内壳体与外壳体之间形成密封的冷却腔，在所述外壳体上开设有与所述冷却腔连通的水冷液进液口和水冷液排液口；

电磁线圈芯，设置所述内壳体和外壳体之间的冷却腔中，所述电磁线圈芯围绕所述内壳体设置在内壳体外XYZ三轴空间的六个方位上。

在本发明的一个实施例中，所述电磁线圈壳体由多个电磁线圈模块拼接形成，所述电磁线圈模块包括：

外挡板，多个所述外挡板拼接形成外壳体；

内挡板，多个所述内挡板拼接形成内壳体；

支撑筒，连接设置在所述内挡板和外挡板之间，所述支撑筒与所述内挡板和外挡板拼接形成冷却腔；

漆包线，缠绕在所述支撑筒外，与所述支撑筒共同形成电磁线圈芯。

在本发明的一个实施例中，所述外挡板和内挡板的边缘连接处均设置为榫卯连接结构，并在所述边缘连接处涂覆有密封胶。

在本发明的一个实施例中，在所述外挡板的拼接处外还设置有包边结构。

在本发明的一个实施例中，所述支撑筒的筒体结构为超椭圆曲线，缠绕在所述支撑筒外的漆包线也呈超椭圆曲线分布。

在本发明的一个实施例中，所述支撑筒为中空筒体，在所述外挡板和内挡板上均开设有与之连通的通孔。

在本发明的一个实施例中，所述漆包线呈楔形斜坡状分层缠绕在所述支撑筒上。

在本发明的一个实施例中，在所述漆包线之间填充有导热硅脂。

在本发明的一个实施例中，在所述漆包线最外层还涂覆有防水导热胶。

在本发明的一个实施例中，所述水冷液进液口和水冷液排液口分别开设在外壳体斜对角的位置。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，设置分层套设的内壳体和外壳体，在内壳体内形成能够放置磁性机器人的工作空间，在内壳体与外壳体之间形成密封的冷却腔，在冷却腔中设置有能够为磁性机器人提供电磁动力的电磁线圈芯，通过给电磁线圈芯施加特定电压信号就可激励电磁铁产生任意方向的磁场，该磁场可带动放置在工作空间内的磁性机器人随之旋转并产生位移；

在外壳体上开设有与冷却腔连通的水冷液进液口和水冷液排液口，由于冷却腔为密封空间，且电磁线圈芯设置在冷却腔中，就可以在冷却腔中通入冷却液，采用冷却液作为电磁线圈芯热量排出的媒介，可以大大增强热量被消散的速度，降低电磁线圈芯周围温度变化的速度，可极大增强系统的可靠性和稳定工作时长；

并且，设置电磁线圈芯围绕内壳体设置在内壳体外XYZ三轴空间的六个方位上，电磁线圈芯作用在内壳体外，不会与内壳体内的工作空间干涉影响，内壳体内的全部工作空间即为磁性机器人的操作空间，同时，电磁线圈芯直接作用在内壳体外，电磁线圈芯距离内壳体的中心位置也比较近，也能够满足较大磁场的需求。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的整体外部结构示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图；

图3是本发明的装置的爆炸结构示意图；

图4是本发明的电磁线圈模块的结构示意图；

图5是本发明的装置与水冷模块的装配结构示意图；

图6是本发明的装置用于驱动磁性机器人的工作原理图。

说明书附图标记说明：1、电磁线圈壳体；11、内壳体；12、外壳体；121、水冷液进液口；122、水冷液排液口；13、电磁线圈模块；131、外挡板；132、内挡板；133、支撑筒；134、漆包线；14、包边结构；2、电磁线圈芯；3、工作空间；4、冷却腔；5、水泵；6、散热片；7、散热风扇。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1和图2所示，本发明公开了一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置，包括：电磁线圈壳体1和设置在所述电磁线圈壳体1内的电磁线圈芯2，其中所述电磁线圈壳体1包括双层套设的内壳体11和外壳体12，在所述内壳体11中设置有放置磁性机器人的工作空间3，在所述内壳体11与外壳体12之间形成密封的冷却腔4，所述电磁线圈芯2设置所述内壳体11和外壳体12之间的冷却腔4中，通过给电磁线圈2芯施加特定电压信号就可激励电磁铁产生任意方向的磁场，该磁场可带动放置在工作空间内的磁性机器人随之旋转并产生位移，从而实现对内部机器人的控制；在所述外壳体12上开设有与所述冷却腔4连通的水冷液进液口121和水冷液排液口122，由于冷却腔4为密封空间，且电磁线圈芯2设置在冷却腔4中，就可以在冷却腔2中通入冷却液，采用冷却液作为电磁线圈芯热量排出的媒介，可以大大增强热量被消散的速度，降低电磁线圈芯2周围温度变化的速度，可极大增强系统的可靠性和稳定工作时长；

具体地，要想实现电磁线圈芯2对工作空间内磁性机器人的驱动与控制，就需要设置所述电磁线圈芯2围绕所述内壳体11设置在内壳体11外XYZ三轴空间的六个方位上，设置六个电磁线圈芯2就能够在工作空间外轴向三个方向、空间六个方位产生带动磁性机器人的磁场，具体控制方式如下：将设置在同一方向上的每2个相对的电磁线圈芯2作为一个线圈组，这样可沿着x、y、z三个方向总共分成3组；控制时每个线圈组中的2个线圈通入相同的信号；向3组线圈中分别通入特定电流信号，即可在装置内部形成可控磁场。

具体地，将电磁线圈芯2设置在冷却腔4中，电磁线圈芯2设置在内壳体11外，不会与内壳体11内的工作空间3干涉影响，内壳体11内的全部工作空间即为磁性机器人的操作空间，同时，电磁线圈芯2直接作用在内壳体11外，电磁线圈芯2距离内壳体11的中心位置也比较近，也能够满足较大磁场的需求。

参照图3和图4所示，公开了一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置的具体结构：在本实施例中，所述电磁线圈壳体1由多个电磁线圈模块13拼接形成，所述电磁线圈壳体1为正方体结构，所述电磁线圈壳体1由六个结构相同的电磁线圈模块13两两拼接形成，每个所述电磁线圈模块13作为构成正方体结构的一个侧面；

具体地，所述电磁线圈模块13包括：

外挡板131，多个所述电磁线圈模块13的所述外挡板131拼接形成外壳体12；

内挡板132，多个所述电磁线圈模块13的所述内挡板132拼接形成内壳体11；

支撑筒133，连接设置在所述内挡板132和外挡板131之间，所述支撑筒133与所述内挡板132和外挡板131拼接形成冷却腔4，为了在外壳体12和内壳体11之间能够形成封闭的冷却腔3，设置支撑筒133的长度为外挡板131、内挡板132边长差的一半；

漆包线134，缠绕在所述支撑筒133外，所述漆包线134与所述支撑筒133共同形成电磁线圈芯2。

具体地，在本实施例中，为了实现外挡板131、内挡板132之间拼接的稳定性，所述外挡板131和内挡板132的边缘连接处均设置为榫卯连接结构，在所述边缘连接处还涂覆有密封胶，并且，还在所述外挡板131的拼接处外设置有包边结构14，通过包边结构14对外壳体12进行封装；一方面，通过所述榫卯连接结构和包边结构14提高了外挡板131、内挡板132之间的稳定性，保持其在连接好后不会脱落，同时采用密封胶对连接的缝隙处进行密封，保证内壳体11和外壳体12之间形成的冷却腔4为封闭的腔体，保证在冷却腔4中通入的冷却液不会从内挡板132连接的缝隙中渗入到内壳体11内的工作空间中，也不会从外挡板131连接的缝隙中渗出到外壳体11外部，冷却液只会从水冷液进液口121进入，从水冷液排液口122排出。

具体地，在本实施例中，设置所述支撑筒133的筒体结构为超椭圆曲线，缠绕在所述支撑筒133外的漆包线134也呈超椭圆曲线分布，设置超椭圆曲线分布的电磁线圈芯2，从而可以根据实际需求情况讨论工作空间和磁场强度的大小的关系；所述超椭圆曲线的表达式为：

|x|^n+|y|^n＝1

通过调整n的值可以使得曲线从圆形逐渐过渡到方形，即，n越小(n>1),越接近圆形，越大越接近方形；在本实施例中，根据实际的磁场强度需求，经过模拟计算，取n＝3，使支撑筒133具有合理的弧度，在满足达到驱动与控制磁性机器人的前提下，尽可能设置更大的工作空间。

在本发明的一个实施例中，所述支撑筒133为中空筒体，在所述外挡板131和内挡板132上均开设有与中空筒体连通的通孔，将所述支撑筒133插入到通孔中，并黏贴固定在所述通孔中，通过开设所述通孔，可以观察磁性机器人在工作空间中的运动状态，并且，还能够对磁性机器人进行手动操控。

在本实施例中，所述漆包线134呈楔形斜坡状分层缠绕在所述支撑筒133上，以方便后期装配时各个电磁线圈模块13之间保持有充分的孔隙使得水流自由流通；

具体地，在所述漆包线134之间填充有导热硅脂，在缠绕漆包线134的同时填充导热硅脂，通过导热硅脂使得内部热量可以很快的传输到线圈最外层，再由冷却液带走。

具体对，在所述漆包线134最外层还涂覆有防水导热胶，在缠绕完所有的漆包线134后，在最外层涂覆防水导热胶，使得漆包线134被密封在壳体和导热硅胶之间，防止冷却液渗入内部，防止漆包线外134皮发生水解。

在本实施例中，所述水冷液进液口121和水冷液排液口122分别开设在外壳体12斜对角的位置，使冷却液从水冷液进液口121进入后，流经整个冷却腔4后，才会从水冷液排液口122排出；参照图5所示，本实施例所述的装置配合水冷模块使用，其中所述水冷模块包括水泵5、散热片6、散热风扇7，通过水泵5实现冷却液在本装置及散热片6之间的循环流动，当冷却液流动到散热片6中时，通过散热风扇7实现对冷却液进行降温处理，处理后的低温冷却液在通过水泵5输入到本装置的冷却腔4中，在冷却腔4中吸收电磁线圈芯2工作过程中产生的热量，实现对电磁线圈芯2的降温，从而实现热量传导和快速耗散的过程。

参照图6所示，采用本装置用于驱动磁性机器人时，采用外部上位机充当控制系统的主机，所述上位机用于显示人机交互界面和数据可视化，采用DAQ板卡用于控制信号的产生和发出；通过设置与电磁线圈模块13数量对应的功率放大器将控制信号进一步放大并接入每一个电磁线圈芯2中，实现每个电磁铁中电压信号的都独立控制、调整，使得电磁铁可以在特定的驱动平面上产生动态或者静态磁场，最终在多个通电电磁线圈芯2相互配合作用下，在工作空间产生特定方向的合成磁场，以该合成磁场作为媒介进一步用来驱动工作空间内的磁性机器人朝着平面中的任意方向转动或者滑动；通过水冷模块可以快速的与本发明中的电磁线圈芯进行热量交换，降低设备运行时的温度。

采用本发明的装置驱动与控制磁性机器人的过程为：

1、系统初始化，将准备好的磁性机器人放入本装置的工作空间3内；

2、在本装置的顶部设置相机观察磁性机器人的位置，打开顶部相机并移动相机位置，调整成像视野，通过相机初定位磁性机器人位置，选择感兴趣的实验区域，并定位该区域到相机的视场中心；

3、将本装置与水冷模块连通、通过水泵在装置的冷却腔中注满去冷却液，然后将水泵5接通散热片6，使冷却液在本装置与散热片6之间形成流动回路；

4、将6个电磁线圈芯2分别接入功率放大器模块输出端，DAQ板卡信号输出端接入功率放大器模块输入端，并接通电源；

5、打开本系统的上位机控制软件，启动程序并接入上位机上的操作模块；

6、先调整输出信号的最大值，避免电磁线圈芯2因电流过大而烧毁，启动上位机的信号输出功能；

7、根据视野中磁性机器人的位置，控制操作模块，使上位机产生6路特定的电压信号，该电压信号经过功率放大器放大后接入6个电磁铁，使之在相互配合的作用下产生沿空间特定方向旋转的动态磁场，进而带动磁性机器人随之旋转并运动；

8、不断通过操作模块调整输出电压的信号，改变工作空间3内的磁场方向，进而调整磁性机器人的滚动方向，实现其运动行为的控制和路径的跟踪控制；

9、在操作过程中，如果所需驱动电压比较大，电磁线圈芯2发热量大可通过增加水泵5功率的方式加快该装置与水冷模块之间的热交换。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于，包括：

电磁线圈壳体，所述电磁线圈壳体包括双层套设的内壳体和外壳体，在所述内壳体中设置有放置磁性机器人的工作空间，在所述内壳体与外壳体之间形成密封的冷却腔，在所述外壳体上开设有与所述冷却腔连通的水冷液进液口和水冷液排液口；

电磁线圈芯，设置所述内壳体和外壳体之间的冷却腔中，所述电磁线圈芯围绕所述内壳体设置在内壳体外XYZ三轴空间的六个方位上；

其中，所述电磁线圈壳体由多个电磁线圈模块拼接形成，所述电磁线圈模块包括：外挡板，多个所述外挡板拼接形成外壳体；内挡板，多个所述内挡板拼接形成内壳体；支撑筒，连接设置在所述内挡板和外挡板之间，所述支撑筒与所述内挡板和外挡板拼接形成冷却腔；漆包线，缠绕在所述支撑筒外，与所述支撑筒共同形成电磁线圈芯。

2.根据权利要求1所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：所述外挡板和内挡板的边缘连接处均设置为榫卯连接结构，并在所述边缘连接处涂覆有密封胶。

3.根据权利要求1所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：在所述外挡板的拼接处外还设置有包边结构。

4.根据权利要求1所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：所述支撑筒的筒体结构为超椭圆曲线，缠绕在所述支撑筒外的漆包线也呈超椭圆曲线分布。

5.根据权利要求1所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：所述支撑筒为中空筒体，在所述外挡板和内挡板上均开设有与之连通的通孔。

6.根据权利要求1所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：所述漆包线呈楔形斜坡状分层缠绕在所述支撑筒上。

7.根据权利要求6所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：在所述漆包线之间填充有导热硅脂。

8.根据权利要求6所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：在所述漆包线最外层还涂覆有防水导热胶。

9.根据权利要求1所述的水冷式磁性机器人驱动与控制装置，其特征在于：所述水冷液进液口和水冷液排液口分别开设在外壳体斜对角的位置。

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