技术领域
[0001] 本发明涉及可变构磁场发生装置及磁场产生方法，属于磁控微机器人驱动技术领域。
相关背景技术
[0002] 通常磁驱微机器人无法通过自身产生驱动力，需要在外部磁场作用下运动。常见的磁驱方式根据磁驱装置的可移动性分为固定式和移动式两大类。
[0003] 固定式磁驱装置通过多个线圈在空间上排布形成的阵列获得理想的场源。它的工作空间可伸缩性较差，很难匹配各种医疗设备所需的尺寸；若要增大工作空间则会增大装置的体积，这会对其最大控制带宽产生负面影响；因此只能为微型机器人提供小中心区域的工作空间。
[0004] 移动式电磁线圈磁驱装置具有很高的扩展性，但也存在许多问题需要解决。例如为满足串联机器人负载的能力需对线圈尺寸进行限制，而在不同工作空间形式下要产生强磁场，又需要增大线圈体积，二者之间存在矛盾；同时现有移动式电磁线圈磁驱装置在高功率运行下的散热问题也有待解决。
具体实施方式
[0050] 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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0052] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0053] 具体实施方式一、结合图1至图6所示，本发明提供了一种可变构磁场发生装置，包括连接机构和四套可变构磁场发生机构，每一套可变构磁场发生机构包括变构机构和电磁机构，
[0054] 连接机构的一端用于连接机械臂，另一端通过四个连接端对应连接四套可变构磁场发生机构，四套可变构磁场发生机构在水平面上沿圆周方向排布；
[0055] 所述连接端通过变构机构连接电磁机构，电磁机构在变构机构的带动下实现水平状态至竖直状态之间90度范围内的旋转。
[0056] 微纳机器人技术是一门新兴的交叉学科，目前已被应用于病情诊断、外科手术、靶向治疗等诸多医学领域。磁驱动具有穿透性强、可远程操控、生物兼容性好等优点，被广泛地用于驱动微纳机器人，因此需要搭建可控的外加磁场发生装置。
[0057] 本实施方式通过对称布置电磁机构，在装置的中心区域生成旋转磁场，可通过连接机构连接机械臂。
[0058] 结合图1所示，本实施方式中，所述连接机构包括上支架9和下支架10，上支架9和下支架10呈十字旋转连接，上支架9和下支架10的四个末端作为连接机构的四个连接端。
[0059] 每个支架上对应两个电磁机构，共四个电磁机构。本实施方式中的上支架9和下支架10的夹角可变
[0060] 进一步，结合图1所示，所述变构机构包括摇杆11和曲柄13，摇杆11的一端连接电磁机构的水平状态上外端，曲柄13的一端连接电磁机构的水平状态上内端；
[0061] 摇杆11和曲柄13另一端之间通过连杆连接，连杆连接支架的末端，并且连杆由下至上呈向外倾斜状态，摇杆11处于曲柄13上方；连杆与摇杆11和曲柄13通过销连接构成转动副；
[0062] 曲柄13的一端与水平状态上内端之间通过销连接构成转动副；摇杆11的一端与水平状态上外端构成滑动副。
[0063] 可通过调整上支架9与下支架10的夹角，以及曲柄13的位置以适应使用需求。
[0064] 再进一步，结合图1所示，所述电磁机构包括线圈架19、铁芯18和绕组17，[0065] 铁芯18设置在线圈架19内腔，线圈架19外表面的两端具有限位转动连接件和限位滑动连接件，绕组17设置在限位转动连接件和限位滑动连接件之间；绕组17用于连接励磁电路；
[0066] 限位转动连接件上部作为电磁机构的水平状态上内端，限位滑动连接件上部作为电磁机构的水平状态上外端；摇杆11的一端与限位滑动连接件上部通过紧定螺钉14固定。
[0067] 本实施方式中，铁芯18直到与线圈架19内径相同。
[0068] 本实施方式中，所述电磁机构还包括左限位螺钉15、左固定圈16、右限位螺钉20和右固定圈21，
[0069] 铁芯18左端通过固定在线圈架19上的左固定圈16限位，铁芯18与左固定圈16之间通过左限位螺钉15固定；铁芯18右端通过固定在线圈架19上的右固定圈21限位，铁芯18与右固定圈21之间通过右限位螺钉20固定。
[0070] 限位螺钉与固定圈相结合，可限制铁芯18沿轴向的滑动。
[0071] 所述连接机构还包括上紧固螺母1、连接盘2、螺母柱3、垫片一4、垫片二5、垫片三6、垫片四7、垫片五8和下紧固螺母12，
[0072] 螺母柱3的上端连接连接盘2，并在连接盘2与螺母柱3之间设置垫片一4和垫片二5，上紧固螺母1与螺母柱3上端连接，用于固定连接盘2；
[0073] 螺母柱3的下端依次与上支架9和下支架10转动连接，螺母柱3与上支架9之间设置垫片三6、垫片四7和垫片五8，下紧固螺母12与螺母柱3下端连接，用于固定上支架9和下支架10。
[0074] 本实施方式中的连接盘2可用于连接机械臂。螺母柱3可为六角螺母柱3；上紧固螺母1和下紧固螺母12可为外六角螺母；垫片可用于调整螺母柱3与螺母的旋入螺纹长度。多个垫片的设计可方便改变长度，根据需要增加或拆卸即可。
[0075] 将本发明所述磁场发生装置安装在机械臂末端后可使磁场发生装置具有更大的运动空间和较高的自由度。
[0076] 作为示例，所述线圈架19上设置通孔。对于实体结构的线圈架19，可在侧壁上做打孔处理减轻重量以降低机械臂负载。
[0077] 具体实施方式二、结合图6至图9所示，本发明还提供了一种可变构磁场产生方法，基于具体实施方式一所述可变构磁场发生装置实现，根据磁驱微机器人所需空间大小和外形，调整变构机构和上支架9与下支架10的夹角，以改变电磁机构的天顶角和两对电磁机构的相对位置；
[0078] 再根据目标驱动力确定绕组17通入电流，生成目标旋转磁场。
[0079] 如图6所示，本实施方式在产生磁场时，可结合上位机的控制，使励磁电路输出目标电流，目标电流经调频电路调频后，输入到每个电磁机构的绕组17。通过机械手段调整变构机构，改变电磁机构的天顶角和上下支架夹角以适应实验对象的外形，上位机发出信号控制励磁电路的电流，来控制磁场强度和方向，以实现目标磁场。
[0080] 电磁铁工作在磁芯材料的线性阶段，通入电磁铁的电流I与产生的磁通量密度成线性关系。设定点P为绝对坐标系下磁场发生装置内部空间的任意位置，使用电磁有限元软件仿真电流I通过单个电磁铁产生的磁场，获得点P对应的磁通量密度B(I)，并使用齐次变换分别获得四个电磁铁的磁场，以及点P对应的磁通量密度Bi(Ii)，i＝1，2，3，4，并测量执行器的磁化强度M，共同存储在上位机中。磁芯之间距离远，相互影响小，四个电磁铁产生的磁场可使用叠加定理获得组合磁场。
[0081] 进一步，当执行器位于点P时，使用梯度场驱动执行器，各级电磁铁通入的电流I可通过求解下式获得。
[0082] 当目标磁场为匀强磁场时，根据公式(一)确定绕组17通入电流：
[0083] F为磁驱微机器人的驱动力：
[0084]
[0085] 式中M为磁驱微机器人的磁化强度，为哈密顿算子，Bi为第i个电磁机构在目标点的磁通量密度，Ii为第i个电磁机构的绕组17通入电流；
[0086] 根据磁通量密度Bi与电流的对应关系，确定Ii。
[0087] 为获得旋转磁场(Bix(t),Biy(t),Biz(t))，将电磁铁成对对称布置，单独控制通入各个电磁铁的电流，可求出一对电磁铁在P点产生的磁通量密度，则四个电磁铁通入的电流可通过求解下式(二)获得：
[0088] 即当目标磁场为旋转磁场时，根据公式(二)确定绕组17通入电流：
[0089] P为磁驱微机器人的驱动力：
[0090]
[0091] mx为磁化强度M的X轴分量，my为磁化强度M的Y轴分量，mz为磁化强度M的Z轴分量；
[0092] 总磁能量B通过四个磁通量密度Bi叠加获得：
[0093]
[0094] 式中Bix为第i个电磁机构在目标点的磁通量密度的X轴分量，Biy为第i个电磁机构在目标点的磁通量密度的Y轴分量,Biz为第i个电磁机构在目标点的磁通量密度的Z轴分量；
[0095] 根据磁通量密度Bi与电流的对应关系，确定Ii。
[0096] 励磁电源为直流电机驱动器，其发出的PWM波在电磁铁电感的滤波作用下可获得所需的电流。电磁铁电感为L，电阻为R，其截止频率为 通过上位机对目标输出的交流信号离散化为直流脉冲信号，实现磁场的交流控制，并通过控制输出信号的幅值、频率与两对线圈之间的相位差实现对线圈组磁场的各项参数的控制。
[0097] 本发明方法的具体实施过程为：
[0098] 1、磁场发生装置的初始化：依据实验对象的体积和形状调整装置，改变上支架9、下支架10的夹角和摇杆11位置，并用紧定螺钉14固定。
[0099] 2、控制程序的初始化：使用电磁有限元软件，仿真电流I通过单个电磁铁产生的磁通量密度B(I)；测量电磁铁的电感L；测量执行器的磁化强度M，共同存入上位机。
[0100] 3、使用匀强磁场控制执行器时，磁场发生装置通过解式(一)获得各级电磁铁通入的电流I。
[0101] 4、使用旋转磁场控制执行器时，首先确定旋转频率f，再通过解式(二)获得各对电磁铁通入的电流I。
[0102] 虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
