本發(fā)明涉及可用于醫(yī)療檢查和治療的微納機器人控制技術，特別是涉及一種用于磁流變機器人平面運動變形的驅動裝置和方法。

背景技術：

1、隨著科技的迅速發(fā)展進步，微納機器人憑借其尺寸小，可變形，靈活性高可精確控制的工作優(yōu)勢已經成為前沿的研究領域之一，在精準醫(yī)療，工業(yè)制造，環(huán)境監(jiān)測，生物研究等領域有著廣泛的應用前景。例如在醫(yī)學應用方面，磁驅動磁流變機器人可以被用于血栓清除，磁流變機器人可以由特定設備引導至血栓部位，在增強控制磁場后利用磁流變效應對血栓進行機械破碎清除，同樣，可變形的磁流變機器人可以在受控情況下與血管或體腔種裹挾藥物到達病灶區(qū)域，實現微觀層面的精確給藥治療。

2、如何對微納機器人進行準確連續(xù)的驅動與傳感是微納機器人技術的研究重點之一，目前研究中光，熱，聲，電場，壓電，生物，電磁等方式被用于作為微納機器人的可行致動方案。在其中，通過磁驅動的方法對機器人進行控制具有較高的控制精度，并且短時間內的磁場施加不會對人體產生任何危害，與此同時磁驅動微納機器人可以與親生物材料結合以具備高生物相容性，因此在醫(yī)學方面磁驅動的微納機器人具有巨大的應用價值。查閱相關文獻可知，目前存在技術通過平面內分布的微型線圈陣列實現對磁流變微納機器人的平面運動控制，但是其受制于點動的執(zhí)行方式，無法實現磁流變機器人在平面內的連續(xù)運動并且微型線圈提供的驅動力較小，無法操縱機器人對質量體積較大的物體進行運輸。

3、現有的采用三軸亥姆霍茲線圈或線圈陣列對磁流變機器人進行運動控制的方案，采用三軸亥姆霍茲線圈進行控制時，受制于其磁場發(fā)生原理，工作范圍僅限于三組沿x，y，z軸布置的對稱線圈中心部分，而布置其外的大型線圈組會占據工作空間，使其例如在人體，不規(guī)則外殼腔室，大體積物體等工作環(huán)境中無法工作。如果想要利用三軸亥姆霍茲線圈產生足以讓毫米級磁流變機器人驅動克級重量物體的磁場，則需要龐大的線圈匝數體積與能量供應，這將嚴重限制磁流變機器人的工作條件，并且導致高昂的使用成本。線圈陣列通過控制一定狹小區(qū)域內線圈的通斷邏輯順序，電流大小來控制磁流變機器人運動，但是這種方案無法實現穩(wěn)定可控的機器人變形，并且由于磁流變機器人快速的響應時間，無法使得磁流變機器人完全穩(wěn)定連續(xù)運動，其次，線圈陣列限制了每個線圈的大小以獲得更高的運動控制精度，線圈大小的降低勢必會導致線圈可通過電流的降低線圈提供的磁場大小，磁場大小的降低將會導致磁流變機器人的負載能力降低，甚至無法達到磁流變液發(fā)生磁流變效應的磁場閾值，使機器人失去工作能力?，F有的采用三軸亥姆霍茲線圈或線圈陣列的方案，對變形后的磁流變機器人進行驅動難以驅動機器人在變形后進行穩(wěn)定運動，驅動機器人變形需要特定分布的磁場，但是讓磁場隨機器人在運動過程中進行跟蹤現有方法難以做到。

4、需要說明的是，在上述背景技術部分公開的信息僅用于對本技術的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

技術實現思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服上述背景技術中存在的缺陷，提供一種用于磁流變機器人平面運動變形的驅動裝置和方法。

2、為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、一種用于磁流變機器人平面運動變形的驅動裝置，包括：

4、磁場轉換模塊，其包括：

5、多個基座，安置有多種不同排布形式的強永磁體，所述基座的底部設置有吸附永磁體；

6、基座庫，用于安置所述多個基座；

7、云臺，用于支撐所述基座庫并由舵機驅動實現豎直方向旋轉，以使電推桿能夠切換對接不同的基座，從而使用所需形狀的強永磁體；

8、電推桿，所述電推桿頂端安裝有帶鐵芯的小型線圈，所述小型線圈用于與所述基座下方的吸附永磁體吸附配合，所述電推桿沿豎直方向伸縮以調整所述基座與工作區(qū)域的相對距離，所述電推桿安裝在旋轉座上，所述旋轉座由舵機驅動實現豎直方向旋轉，從而調整所述基座上的強永磁體的朝向；

9、機械驅動裝置，與所述磁場轉換模塊連接，用于帶動所述磁場轉換模塊在平面上連續(xù)運動。

10、進一步地，所述機械驅動裝置包括三個絲桿滑臺，其中兩個絲桿滑臺沿x向水平布置，另一個絲桿滑臺沿垂直x向的y向水平布置；沿y向水平布置的絲桿滑臺固定在沿x向水平布置的絲桿滑臺的滑塊上；所述磁場轉換模塊固定在沿y向水平布置的絲桿滑臺的滑塊上；每個絲桿滑臺均由步進電機驅動滾珠絲桿結構，以實現沿絲桿軸向的直線運動。

11、進一步地，所述基座的底部設置錐形槽，所述吸附永磁體設置在所述錐形槽內，所述電推桿的頂端設有錐形座，所述小型線圈設置在所述錐形座上。

12、進一步地，所述錐形座的一側開槽，用于連接線圈的導線走線。

13、進一步地，所述基座庫上設置有多個沉頭槽口中，所述強永磁體設置在所述沉頭槽口中。

14、進一步地，所述基座庫為圓盤形，所述多個基座沿圓周向均勻分布在所述基座庫上。

15、進一步地，所述云臺固定在第一碳纖維架上，所述第一碳纖維架和所述旋轉座固定在第二碳纖維架上。

16、進一步地，所述電推桿由兩塊限位塊夾持固定在所述旋轉座上。

17、一種使用所述的用于磁流變機器人平面運動變形的驅動裝置的方法，包括：

18、當電推桿將基座驅動至靠近工作區(qū)域時，機械驅動裝置驅動基座在平面內進行預定的直線運動或曲線運動；通過基座上方的強永磁體產生的磁場控制工作區(qū)域內的磁流變機器人跟隨基座的運動軌跡；

19、當驅動磁流變機器人進行變形時，電推桿收回并斷電，將基座置入基座庫中；通過舵機驅動云臺和基座庫旋轉，將永磁體排布形式不同的另一基座驅動至電推桿上方；電推桿伸長后通電，將該另一基座固定于電推桿頂端，重新接近工作區(qū)域，從而產生不同的磁場以驅動磁流變機器人變形。

20、進一步地，所述方法還包括：調整電推桿的伸出長度以改變基座與工作區(qū)域的相對距離，和/或通過舵機驅動旋轉座旋轉電推桿以改變基座上的強永磁體的朝向，從而改變控制磁流變機器人的磁場，使磁流變機器人發(fā)生變形或改變剛度。

21、在一些實施例中，一種用于磁流變機器人平面運動變形的驅動裝置，包括控制磁場轉換模塊與機械驅動裝置，控制磁場由按照不同位置排列固定于基座中的不同形狀釹鐵硼永磁體產生，永磁體連同基座被安裝于基座庫沿軸心方向均勻分布的四個圓形沉頭槽口中，基座下方固定有一塊較弱永磁體，基座庫被固定在云臺上，云臺由下方舵機驅動可沿豎直方向旋轉，在基座庫側面固定有一電推桿，電推桿被固定于旋轉座上，旋轉座由下方舵機驅動，電推桿可以沿豎直方向伸長，并由旋轉座下方舵機驅動沿軸向旋轉，電推桿頂端裝有錐形座，錐形座內固定有一帶鐵芯小型線圈，當需要控制磁流體按照某一形狀發(fā)生變形時，云臺下方舵機驅動云臺以及基座庫旋轉，將固定所需形狀永磁體的基座定位于電推桿正上方，電推桿將錐形座嵌入基座下方槽中，小型線圈通電與基座下方較弱永磁體吸合配合錐形槽將基座固定在電推桿頂端，隨后電推桿向豎直方向抬升，將基座貼近工作區(qū)域，上述磁場轉換模塊被固定于機械驅動裝置上，機械驅動裝置由三組絲杠滑臺機構組成，兩組被平行布置與機架上，一組兩端被固定在前兩組的滑塊上，與前兩組垂直布置，磁場轉換模塊被固定在其上，單個絲桿滑臺中伺服電機系統(tǒng)驅動滑臺沿絲桿軸向運動，因此在垂直布置時，絲桿滑臺可以驅動磁場轉換模塊整體沿水平x，y軸方向運動，相當于驅動基座沿x，y方向運動，電推桿可以改變基座與工作區(qū)域的位置，改變永磁體施加在工作區(qū)域磁流體機器人的磁場大小，通過磁流變效應改變機器人剛度使得機器人能通過強磁場增加剛度實現對物體的運輸，或者減弱磁場降低機器人剛度使機器人從操作對象脫離，電推桿旋轉座驅動舵機可以改變永磁體的排列朝向，上述部件協(xié)同運轉時，可以驅動微型磁流變機器人在工作區(qū)域沿水平方向連續(xù)運動，通過改變永磁體的朝向，或者原位自動切換其它不同永磁體排布的基座，實現對控制磁場排布的切換，實現磁流變機器人的可控變形。

22、本發(fā)明具有如下有益效果：

23、本發(fā)明提供一種用于磁流變機器人平面運動變形的驅動裝置，是一種能夠驅動單個磁流變機器人平面運動，變形，變剛度的局部磁場生成系統(tǒng)，有效克服了現有的三軸亥姆霍茲線圈或線圈陣列在連續(xù)驅動磁流變機器人在二維平面運動變形上存在的不足與局限性。與采用三軸亥姆霍茲線圈或線圈陣列控制磁流變機器人相比，本發(fā)明可以實現機器人的連續(xù)運動控制，并且能實現更加復雜穩(wěn)定的變形。利用永磁體配合伺服系統(tǒng)對磁流變機器人進行連續(xù)驅動，可以通過改變永磁體的排布實現磁流變機器人的精確可控變形，并且通過伺服系統(tǒng)連續(xù)驅動。采用特定排布的永磁體產生磁場，通過伺服系統(tǒng)讓永磁體跟隨機器人運動即可使得機器人連續(xù)保持變形狀態(tài)運動。同時，本發(fā)明設有永磁體基座庫，可以隨時主動切換控制永磁體，實現機器人的多種穩(wěn)定變形，執(zhí)行負載的驅動作業(yè)。

24、本發(fā)明實施例中的其他有益效果將在下文中進一步述及。