机械-电磁混合驱动磁控微机器人系统设计_李庆伟.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 002机械 电磁混合驱动磁控微机器人系统设计李庆伟1，徐冬秦1，牛福洲2，孙立宁1，杨浩1(1 苏州大学机电工程学院机器人与微系统研究中心，江苏 苏州215137)(2 苏州科技大学机械工程学院，江苏 苏州215101)摘要:设计了一种新型磁控微机器人驱动系统，采用机械 电磁混合驱动方式控制磁性微机器人在二维平面内进行任意方向的运动。对磁场发生装置和控制系统工作原理进行了详细论述，并进行了基于位置信息的自动控制实验。实验结果表明，机械 电磁混合驱动系统不仅结构简单，而且具有转向精度高、响应速度快等优点，验证了混合驱动系统的有效性，为磁控微机器人驱动系统的研制提供了新的思路。关键词:磁控微机器人;混合驱动;转向能力中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0009 05近年来，磁控微机器人凭借其具有微小身体尺寸、自由无缆驱动方式和精确可控等优点，成为微机器人领域研究的热点。外部可控电磁场设备是驱动磁性微机器人运动的关键设备。通过调节外部电磁场可以实现对磁性微机器人运动的无缆、精确控制。磁控微机器人应用于组织取样1 3、微手术4 5、靶向送药6 8 等生物医学领域，取得了大量令人瞩目的成果。Kratochvil 等9 提出的 Oc-toMag 磁力操作系统，通过在三维空间中非对称布置 8 个电磁线圈产生梯度磁场，在较大空间内实现对微机器人五自由度的无线控制;Choi 等10 利用两对相互正交布置的 Helmholtz 线圈和 Maxwell 线圈产生的复合磁场对磁性微机器人在二维平面内的运动进行控制。以上两种典型的外部电磁场设备需要多组电磁线圈产生复合电磁场，这不仅使设备结构繁重，价格高昂，而且存在微机器人响应速度慢、转向精度不高等问题。为了寻求一种简单有效的外部电磁场驱动方式，本文提出了一种机械 电磁混合驱动磁控微机器人系统。1系统总体设计本文所设计的新型机械 电磁混合驱动系统分为硬件设备和软件模块两部分，系统具备以下功能:1)产生可调节的电磁场;2)驱动微机器人在二维平面内进行任意方向的运动。1 1硬件设备机械 电磁混合驱动系统硬件由试验台、直流电源、工控机、工业相机、运动控制器 5 部分组成，如图 1 所示，各部分之间的连接如图 2 所示。其中试验台是磁场发生平台，主要由亥姆霍兹和麦克斯韦组合线圈、工作台、旋转台及伺服电机组成。亥姆霍兹和麦克斯韦组合线圈同轴两侧分布，每对线圈均采用串联方式，以保证两线圈中的电流大小完全相同，由固韦 GPP 2323 双通道直流电源独立供电。固韦 GPP 2323 双通道直流电源输出电压为 0 32 V，输出端最大输出电流为 3 2 A，电流控制精度可达 0 01 A，支持 C+和 LabVIEW 编程，方便多种控制器通讯控制。本系统利用工控机通过 USB 接口与直流电源进行通讯控制。旋转台用于带动组合线圈旋转。组合线圈放置在旋转台上，通过控制伺服电机调整旋转台转动从而改变电磁场的方向。运动控制器接收来自工控机的信号控制伺服电机旋转。位于试验台正上方 160 mm 处的工业相机用来记录微机器人运动姿态和位置情况。工控机是整个系统的控制枢纽，连接工业相机、直流电源和运动控制器。收稿日期:2022 11 04基金项目:国家自然科学基金资助项目(62073230，61903269);中国博士后科学基金面上资助项目(2021M691567);江苏省自然科学基金资助项目(BK20190941)作者简介:李庆伟(1996)，男，硕士研究生，主要研究方向为磁控微机器人，1656657833 qq com通讯作者:杨浩，男，教授，yhao suda edu cn92023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2图 1机械 电磁混合驱动系统硬件设备1 2软件模块机械 电磁混合驱动系统软件模块主要负责对输入线圈电流信号的控制、微机器人运动视觉识别与图像处理以及旋转台的角度控制。控制原理是:工业相机读取微机器人实时运动图像并传输给工控机，利用工控机 LabVIEW 软件平台进行图像处理得到微机器人的像素坐标和姿态信息，将得到图 2硬件设备连接示意图的坐标信息和目标点坐标信息进行比较分析，再用基于位置反馈的 PID 算法得到调整后的电流大小和旋转台转动的角度，并分别传输给直流电源控制器和运动控制器，调节线圈实时电流和旋转台转动方向，以实时改变电磁场感应强度和方向，实现对微机器人运动姿态和运动方向的控制。控制原理如图 3 所示。图 3控制原理图2系统电磁场发生原理2 1匀强 梯度混合电磁场系统电磁场主要由亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈产生。两对线圈同轴两侧分布，亥姆霍兹线圈位于内侧，麦克斯韦线圈位于外侧。线圈结构及参数如图 4 和表 1 所示。图 4线圈结构表 1电磁线圈的基本参数线圈类型亥姆霍兹线圈麦克斯韦线圈匝数 N/匝500400内半径 0/mm105105平均半径 /mm120120外半径 d/mm135135线圈间距 L/mm120200根据电磁场理论，新型机械 电磁混合驱动系统采用亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈组合的形式构造复合电磁场。亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈可以分别在线圈中央小范围内产生匀强磁场(图 5右)和梯度磁场(图 5 左)，复合磁场分布如图 5 所示。这样，利用单对亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈即可驱动微机器人在一维方向上运动。具体来说，通过亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场控制微机器人012023 年第 52 卷机械设计与制造工程的运动方向，用麦克斯韦线圈产生的梯度磁场控制微机器人在一维方向的移动。理论上，此方法可以在特定方向上对微机器人的运动进行控制。图 5一维方向电磁场仿真示意图2 2方向控制现有的电磁场装置通常采用两组相互正交布置的亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈产生复合磁场，从而实现微机器人的二维运动。本文所提出的新型混合驱动系统利用旋转台搭载一组亥姆霍兹和麦克斯韦组合线圈，通过控制旋转台旋转即可改变电磁场的方向。由上文可知，一组亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈可以在一维方向上控制微机器人运动，配合旋转台转动，便可以在二维平面产生任意方向的可调节电磁场控制微机器人在二维平面内任意方向的运动。这样的创新设计不仅减少了一组亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的使用，使得外部电磁场设备结构更加简单，而且由于采用电机控制平台，使得对微机器人转向的控制更为灵活。基于以上思路，对混合驱动系统在二维平面内任意角度形成的驱动磁场进行仿真。图 6 所示分别为旋转台不旋转和分别转动 90、180、270时电磁场的仿真示意图。图 6二维平面电磁场仿真示意图根据电磁场理论，结合旋转台转动，组合线圈在二维平面上产生的磁感应强度 B 为:B=BxBy=(BH+BM)cos(BH+BM)sin(1)式中:Bx为磁感应强度在二维平面 x 轴上的分量;By为磁感应强度在二维平面 y 轴上的分量;BH为亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度;BM为麦克斯韦线圈产生的磁感应强度;为组合线圈轴线转过的角度。这里，BH和 BM可分别近似表示为10:BH=(45)32IU0N(2)BM=163(37)52IU0N2(3)式中:I 为通入线圈的电流;U0为真空磁导率;N 为线圈的匝数。2 3微机器人运动识别系统对微机器人的运动识别主要是进行实时位置监测，过程主要包括图像获取、预处理、特征选择并计算 3 个步骤。首先工控机接收来自工业相机捕捉的微机器人运动图像;然后利用 LabVIEW软件对图像进行预处理(高斯滤波、灰度处理、二值化);接着提取图像特征;最后提取微机器人外观轮廓，计算出微机器人几何中心位置坐标，即获得微机器人实时运动坐标。图 7 所示为系统图像识别界面，包括实时位置、位置校正、目标位置、图像识别区域 4 个部分。本文把圆形微机器人定义为检测目标，图 7 界面中黑色的圆点即为微机器人。图 7系统微机器人运动图像识别界面3实验验证本文自制了一种水凝胶微机器人，用于验证机械 电磁混合驱动系统的可靠性。微机器人制作流程如图 8 所示。首先将固体明胶颗粒与浓度为112023 年第 2 期李庆伟:机械 电磁混合驱动磁控微机器人系统设计2%的 PVA 溶液按比例 1 1 混合，在水浴 60 环境下进行磁力搅拌，搅拌 10 min 后将四氧化三铁磁性纳米颗粒加入混合溶液中，磁性纳米颗粒与混合溶液按质量比为1 1 混合磁力搅拌1 h;然后用一个内径为 5 mm 的注射器，快速抽取搅拌好的混合溶液并放置在冰箱里快速冷冻10 min，得到固态且呈空心的结构;接着在所形成的中空结构中添加药物溶液并封装;最后再磁化得到用于磁驱动的靶向给药微机器人。图 8水凝胶微机器人制作流程3 1轨迹跟踪实验使用机械 电磁混合驱动系统控制微机器人沿着预定的方形、三角形、圆形轨迹行走。实验规定微机器人规划路径的起点和终点重合，为一个完整的闭合路径，其中三角形和方形路径中微机器人运动的起点位于试验台台面的左上角，工业相机下微机器人位于(70，80)像素点的位置。根据路径规划要求，提前设定好三角形路径和方形路径其他顶点的坐标。圆形路径中微机器人运动的起点位于试验台台面的正下方，像素点坐标为(100，250)。最终得到微机器人实际运动轨迹如图 9 所示。图 9实际运动轨迹3 2迷宫实验现有的磁驱动系统只能控制微机器人在原地转向，这使得微机器人运动比较笨拙且转向精度不高。采用机械 电磁混合驱动系统控制微机器人转向时，可以同时开启麦克斯韦线圈产生梯度磁场，使微机器人转向和运动同时进行。这样，微机器人的转向运动像汽车转弯一样方便，响应速度有了很大提高。为了进一步验证系统的优异性，实验驱动微机器人在一个微迷宫内运动。迷宫从起点到终点有多个路径，本文规划了一条最优路径。图10 所示为微机器人在微迷宫内运动的时间序列图。实验证明，微机器人在迷宫中可以穿梭自如。图 10微机器人在迷宫中运动时序图4结束语本文提出的机械 电磁混合驱动系统具有高精度、高效率、高灵敏度的特点，创造性地采用旋转台作为亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的载体，解决了使用多对线圈致使机构复杂的问题，同时也避免了多磁场相互耦合。此外，旋转台的使用让对磁场方向的控制更为灵活和精确。该系统控制微机器人具有杰出的转向能力，适合应用于复杂的二维环境中。参考文献:1GULTEPE E，ANDHAWA J S，KADAM S，et al Biopsy withthermally responsive untethered microtoolsJ Advanced Ma-terials，2013，25(4):514 519 2JIN Q，YANG Y，JACKSON J A，et al Untethered single cellgrippers for active biopsyJ Nano Letters，2020，20(7):5383 5390 3ONGAO F，SCHEGGI S，YOO C，et al Autonomous planningand control of soft untethered grippers in unstructured environ-ments J Micro Bio obot，2017，12:45 52212023 年第 52 卷机械设计与制造工程 4VYSKOCIL J，MAYOGA MATINEZ C C，JABLONSKA E，et al Cancer cells microsurgery via asymmetric bent surface Au/Ag/Ni microrobotic scalpels through a transversal rotating mag-netic fieldJ ACS Nano，2020，14(7):8247 8256 5ULL