專利名稱：一種永磁微型機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微型機器人技術領域，特別涉及一種永磁微型機器人。
背景技術：
隨著超精密加工、微電子機械集成和基于功能材料為驅動器技術的發(fā)展，微型機器人成為 國內外研究的熱點，特別是進入人體的無線內窺鏡、血管機器人以及面向工業(yè)設備細小管路探 測用的微型機器人。由于工作環(huán)境的特殊，這類微型機器人不可能是普通機器人的簡單微小化， 特別是在驅動方式上會與普通機器人有很大的不同。目前，微型機器人的驅動方式大致可以分 為兩類 一類是利用機器人本體執(zhí)行機構進行驅動；另一類是借助外場進行驅動，主要是利用 一些功能材料對外加物理場的響應特性制成微執(zhí)行器，通過外場激勵實現無線驅動。
目前，大多數微型機器人的執(zhí)行機構還是采用本體執(zhí)行機構驅動方式。如美國專利5337732、 5662587、 5906591，"仿蛇或尺蠖內窺鏡機器人"；中國專利01126965.0，"六足仿生微型機器人"； 3129612.2，"仿蝌蚪與螺旋的血管機器人"；浙江大學周銀生等提出的仿蝸牛和仿蝌酙機器人； 中國科學院合肥智能機械研究所梅濤等提出的仿壁虎爬行機器人以及上海交通大學顏國正等研 制的微型六足仿生機器人。這種本體驅動方式通常需要把電源設計在微機器人內部，機器人的 尺寸很難做小， 一般在厘米量級；帶電池作業(yè)存在漏電的危險，并且受電量的限制，體內工作 的時間有限；其姿態(tài)改變主要靠管道或接觸面的自然約束來實現，因而對接觸面有一定的損傷， 在一些曲率較大的管道處還可能造成堵塞。
為了避免本體驅動方式的以上幾點弊端，研究者把研究熱點投向了外場直接驅動方式，其 中研究較多的是外磁場驅動方式。如日本名古屋大學T.Fukuda等用巨磁致伸縮材料制成了由交 變磁場激勵的微型管道機器人；大連理工大學張永順等研究了基于磁致伸縮薄膜驅動器的泳動 微機器人等，利用磁致伸縮材料的特性，外加交變磁場使由磁致伸縮材料制成的部件發(fā)生形態(tài) 改變從而可達到驅動的目的；中國科學院合肥智能機械研究所梅濤等研究的外磁場驅動的膠囊 內窺鏡機器人，利用外加梯度磁場的吸引力可驅動永磁機器人；中國科學院電工研究所王秋良 等研制了均勻梯度磁場驅動永磁塊的磁導航外科手術模型系統(tǒng)；日本千葉大學H. Saotome等還 開發(fā)了雙永磁執(zhí)行器的微型游動機器人；梅濤等研究了鐵磁橡膠做執(zhí)行器的毫米級游泳機器人； 曰本東北大學K. Ishyama等用金屬線螺旋纏繞永磁材料制成了由旋轉磁場驅動的微型機器人， 其原理是利用外加旋轉磁場驅動徑向磁化的永磁塊旋轉，從而產生軸向摩擦推動力驅動機器人
運動，并且通過調整旋轉磁場的旋轉軸來控制機器人的轉向。實際上這種旋進方式有一定的缺 陷螺旋紋使得吞咽、排出不便；同時器官內的殘渣可能填塞螺紋間隙，難以保證旋進的效率； 此外阻力的存在以及采用一個旋轉磁場既控制機器人旋轉又控制機器人轉向，使得機器人的轉 向控制會受到很大局限，其在姿態(tài)控制和運動的靈活性方面存在著不足。這些外磁場驅動方式 機器人的最大優(yōu)點是機器人本體不需要電機，也不需要能源，因此尺寸可以做得很小，有的已
經做到直徑小于1.5mm。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是克服現有微型機器人姿態(tài)控制與移動靈活性欠佳等缺點，設計一種可用于微 小無磁性管道特別是生物管道中檢査和作業(yè)的永磁微型機器人。本發(fā)明采用外磁場復合調控， 即利用永磁機器人的徑向磁化磁塊在旋轉磁場作用下旋轉，產生軸向推動力實現其在管道內的 前進或后退，結合永磁機器人的軸向磁化磁塊在均勻磁場作用下導向，從而實現靈活轉向。本 發(fā)明永磁微型機器人的靈活性和可控性得到了很大的提高，為其潛入各種微小管道的在線作業(yè) 打下了基礎。
本發(fā)明永磁微型機器人由外殼，永磁磁體，無磁性微型軸承和螺旋槳組成。永磁微型機器 人外殼的頭部圓滑，外部無突起和溝槽，其底部有腔體并在腔體中間開一個軸向通孔。機殼表
面采用光滑的，具有一定韌性和柔性的材料包覆。永磁體有同軸的兩個Nd-Fe-B磁塊組成，一 個軸向磁化；另一個徑向磁化，即磁化方向與軸線垂直，并與螺旋槳固接。兩塊永磁磁體由無 磁性微型軸承連接，可以沿共同的軸線相對運動。磁塊利用線切割加工制作，機器人尺度控制 在毫米量級。該機器人由外磁場進行驅動和控制。
本發(fā)明永磁微型機器人由外磁場復合調控其動作行為。其中外磁場由旋轉磁場和均勻磁場 組成。旋轉磁場由在三組兩兩正交的亥姆霍茲線圈通以交變電流得到，控制電流的相序和大小， 可以實現空間任意旋轉平面和任意磁場強度。均勻磁場由在三組兩兩相交的亥姆霍茲線圈中通 以可調直流電流得到，調整電流的大小可以控制均勻磁場的方向和強弱。將永磁微型機器人置 入管道中，調節(jié)旋轉磁場A的磁場強度和旋轉頻率，使永磁機器人在旋轉磁場的磁轉矩TM2的
作用下與旋轉磁場同步旋轉，從而帶動固接在徑向磁化的永磁塊上的螺旋槳旋轉。螺旋槳和管 道中液體的相互作用產生軸向力Fa，驅動永磁機器人前進或后退。在均勻磁場馬作用下,永磁機
器人產生磁轉矩TM，調節(jié)均勻磁場為的強度和方向，使機器人轉向期望方向，從而完成機器人
姿態(tài)的控制。
本發(fā)明通過布置在體外巨磁電阻(GMR)傳感器等組成的磁場檢測系統(tǒng)，檢測永磁微型機 器人內永磁塊磁場空間分布的變化，并提供給計算機處理系統(tǒng)。由計算機處理系統(tǒng)根據定位算 法計算得到永磁微型機器人的矢量位置信息及姿態(tài)信息，根據這些信息，計算機利用所設計的
控制算法，計算出所需電流的大小和方向。通過接口電路調整程控電源系統(tǒng)的輸出，使電源給 亥姆霍茲線圈提供所需的電流，從而控制旋轉磁場和均勻磁場的強度和方向，最終控制機器人 的運動速度和方向，使機器人沿著期望軌跡運動。
本發(fā)明通過將磁場技術，傳感技術，計算機技術，自動控制技術等結合并應用于微小型管 道檢測領域，以實現管道微機器人的外部無線驅動控制。采用旋轉磁場和均勻磁場復合調控的 微型機器人，能夠有效的完成前進、后退、俯仰、偏轉等動作要求，在一定程度上解決了姿態(tài) 控制與移動靈活性欠佳等缺點。具有體積小，動作靈活，操作方便等優(yōu)點。
本發(fā)明可以用于人體內無線內窺鏡、血管機器人，或者用于工業(yè)環(huán)境中細小的無磁性管道 的探測。
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。


圖1為永磁微型機器人的結構示意圖，圖中l(wèi)外殼、2軸向磁化的永磁塊、3無磁性微型 軸承、4徑向磁化的永磁塊、5螺旋槳的軸、6螺旋槳、7底部、8腔體；
圖2為永磁微型機器人位置和姿態(tài)檢測及控制流程圖。
具體實施例方式
如圖l所示。本發(fā)明永磁微型機器人由外殼l，軸向磁化的永磁塊2，徑向磁化的永磁塊4， 無磁性微型軸承3和螺旋槳6組成。外殼l頭部圓滑，中間無突起和溝槽。在機身外殼l的內 部后端有螺旋槽，與底部7外周螺旋槽密閉配合，這樣便于機器人的拆卸。機器人底部7有腔 體8，并在腔體8中間開一個軸向通孔。在腔體8中充入潤滑脂，可以防止管道中的液體進入機 身。外殼l內部上端做成兩個突起，把軸向磁化的永磁塊2粘貼于兩個突起上。軸向磁化的永 磁塊2通過無磁微型軸承3和徑向磁化的永磁塊4相連，并且永磁塊2、 4可以沿共同的軸線相 對轉動。通過螺旋槳的軸5固接徑向磁化的永磁塊4和螺旋槳6。永磁塊2、 4采用Nd-Fe-B磁 體，利用線切割加工制作。機器人尺度控制在毫米量級。機器人安裝完成后，在其表面采用光 滑的，具有一定韌性和柔性的材料包覆。
永磁微型機器人的動作行為由外磁場復合調控。其中外磁場由旋轉磁場發(fā)生裝置和均勻磁 場發(fā)生裝置產生。旋轉磁場發(fā)生裝置由三組亥姆霍茲線圈和三組幅值相位可控的正弦電流源組 成。三組亥姆霍茲圓形線圈直徑相等，并互為正交。每組亥姆霍茲線圈由兩^^鏡像對稱的線圈 組成，間距為線圈半徑。三組亥姆霍茲線圈分別與三組幅值相位可控的正弦電流源相連，控制 各個亥姆霍茲線圈組的電流相序和大小，可實現空間任意旋轉平面和任意磁場強度的旋轉磁場。 均勻磁場發(fā)生裝置有三組亥姆霍茲線圈和三組高精度直流電流源組成。三組亥姆霍茲線圈與旋 轉磁場的三組亥姆霍茲線圈可共用骨架。三組亥姆霍茲線圈組分別和三組高精度的直流電流源
相連。在計算機的控制下，三組直流電流源分別向三組亥姆霍茲線圏組供應可調直流電流，調 整各個線圈組電流的大小，便可實現磁場強度在數值和方向上均連續(xù)可調的均勻磁場。
外磁場復合調控的微型機器人的運動特征描述如下。
機器人的前進和后退運動
將微型機器人置入所需檢測的管道，加入均勻磁場尾，調節(jié)其場強的大小和方向，使機器 人軸向磁化的永磁塊2和徑向磁化的永磁塊4的合成磁矩方向與所加均勻磁場的方向一致，即 調節(jié)機器人姿態(tài)為期望姿態(tài)，此吋機器人處于靜止狀態(tài)。加入旋轉磁場馬，調節(jié)其磁場強度和 旋轉頻率；同時調節(jié)均勻磁場尾的場強大小，并且調整其磁場方向和軸向磁化的磁塊2的磁化 方向一致，使《和尾的合成磁場方向與機器人的合成磁矩方向位于同一個錐面內。徑向磁化的 磁塊4在旋轉磁場g產生的磁力矩Tm2的作用下，最終和旋轉磁場保持夾角e恒定進行同步旋 轉。徑向磁化的磁塊4帶動螺旋槳6—起旋轉，同時螺旋槳6和管道中液體的相互作用可產生 軸向驅動力Fa，推動機器人前進。當旋轉磁場反向旋轉時，便可實現機器人沿軸向的后退運動， 其驅動與運行原理與前進時的情況相伺。
根據期望的路徑和姿態(tài)，調節(jié)均勻磁場尾的方向，可以實現機器人的運動控制。
*機器人的轉向運動
由于管道曲折復雜，大多機器人是靠接觸面的自然約束來實現姿態(tài)的改變，屬于姿態(tài)的被 動改變。而本發(fā)明可通過改變均勻磁場場強的大小和方向來實現急轉彎及快速轉彎。在均勻磁 場尾的作用下，永磁機器人產生磁轉矩TM，通過改變均勻磁場為的場強方向和大小，使機器
人轉向期望方向，完成機器人轉向運動。這種方法操作簡單，并能有效地控制機器人的運動方 向及轉彎的半徑。
機器人的速度調控
當徑向磁化的永磁塊4隨外部旋轉磁場同步旋轉時，可增大旋轉磁場的旋轉頻率。隨著旋 轉磁場的旋轉頻率的增加，徑向磁化的永磁塊4的旋轉速度會隨之增加，使得機器人的運動速 度增加。但其存在一個不能同步的最小截止頻率"，超過截止頻率"后，徑向磁化的永磁塊4 不再隨外部旋轉磁場同步旋轉。在截止頻率o內，徑向磁化的永磁塊4可同步于外部旋轉磁場， 調節(jié)旋轉磁場的旋轉頻率可以調節(jié)徑向磁化的永磁塊4的旋轉速度，從而改變螺旋槳6在管道 液體中的旋轉速度，最終改變機器人的運動速度。
機器人位置和姿態(tài)檢測及控制流程圖如圖2所示。通過布置在體外巨磁電阻(GMR)傳感 器等組成的磁場檢測系統(tǒng)，檢測永磁微型機器人內永磁塊磁場空間分布的變化，并提供給計算 機處理系統(tǒng)。計算機處理系統(tǒng)根據定位算法計算得到永磁微型機器人的矢量位置信息及姿態(tài)信
息，根據這些信息，利用相應控制算法計算出所需的電流和方向。然后通過接口電路提供給程 控電源系統(tǒng)，程控電源給亥姆霍茲線圈提供相應電流的大小和相序，從而控制旋轉磁場和均勻 磁場的強度和方向，最終控制機器人的運動速度和方向，使機器人沿著期望軌跡運動。
權利要求
1、一種永磁微型機器人，其特征是該機器人由外殼(1)，軸向磁化的永磁塊(2)，徑向磁化的永磁塊(4)，無磁性微型軸承(3)和螺旋槳(6)組成；外殼(1)頭部圓滑，中間無突起和溝槽；機器人底部(7)有腔體(8)；在腔體(8)中間開一個軸向通孔；在腔體(8)中充入潤滑脂；通過螺旋槳(6)的軸(5)固接徑向磁化的永磁塊(2)和螺旋槳(6)；通過無磁性微型軸承(3)連接軸向磁化的永磁塊(2)和徑向磁化的永磁塊(4)；該機器人的動作行為由外磁場進行復合調控。
2、 根據權利要求1所述的永磁微型機器人，其特征是機器人外殼(1)的內部后端有螺旋槽，與底部(7)外周螺旋槽密閉配合；把軸向磁化的永磁塊(2)固接于外殼(1)上；軸向磁化的永磁塊(2)和徑向磁化的永磁塊(4)采用Nd-Fe-B磁體；機器人表面包覆光滑的，具 有韌性和柔性的材料。
3、 根據權利要求1所述的永磁微型機器人，其特征是外磁場由旋轉磁場發(fā)生裝置和均勻 磁場發(fā)生裝置產生；旋轉磁場驅動徑向磁化的永磁塊(4)旋轉，推動機器人；同時在均勻磁場 對軸向磁化的永磁塊(2)偏轉性導向的作用下調控機器人的運動方向和姿態(tài)。
4、 根據權利要求1或3所述的永磁微型機器人，其特征是旋轉磁場發(fā)生裝置由三組亥姆 霍茲線圈和三組幅值相位可控的正弦電流源組成；三組亥姆霍茲圓形線圈直徑相等，并互為正 交；每組亥姆霍茲線圈由兩個鏡像對稱的線圈組成，間距為線圈半徑；三組亥姆霍茲線圈分別 與三組幅值相位可控的正弦電流源相連，控制各個亥姆霍茲線圈組的電流相序和大小，可實現 空間任意旋轉平面和任意磁場強度。
5、 根據權利要求1或3所述的永磁微型機器人，其特征是均勻磁場發(fā)生裝置有三組亥姆 霍茲線圈和三組高精度直流電流源組成；三組亥姆霍茲線圈分別和三組高精度的直流電流源相 連；在計算機的控制下，三組直流電流源分別向三組亥姆霍茲線圈供應可調直流電流，調整各 個亥姆霍茲線圈組電流的大小，可實現均勻磁場的磁感應強度在數值和方向上均連續(xù)可調。
全文摘要
一種永磁微型機器人，由外殼(5)，軸向磁化的永磁塊(1)，徑向磁化的永磁塊(2)，無磁性微型軸承(3)和螺旋槳(4)組成。外殼(5)頭部圓滑，底部(6)有腔體(7)，并在腔體中充入潤滑脂。通過無磁性微型軸承(3)連接軸向磁化的永磁塊(1)和徑向磁化的永磁塊(2)。通過螺旋槳的軸(8)固接徑向磁化的永磁塊(2)和螺旋槳(4)。外磁場由旋轉磁場裝置和均勻磁場裝置產生，旋轉磁場裝置由三組正交亥姆霍茲線圈和正弦電流源及移相器組成，均勻磁場裝置由三組正交亥姆霍茲線圈和三組直流電流源組成。在旋轉磁場作用下，機器人利用徑向磁化的永磁塊(2)旋轉并產生軸向推動力進行驅動，同時在均勻磁場偏轉性導向的作用下，機器人實現靈活轉向，沿著期望軌跡運動。
文檔編號F16L55/26GK101169212SQ200710178810
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權日2007年12月5日
發(fā)明者陽 于, 濤 宋, 楊岑玉, 喆 王, 錚 王 申請人:中國科學院電工研究所