具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供作为进一步改进说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

参见图1和图2，如其中的图例所示，一种磁性机器人驱动装置，包括驱动装置本体单元，上述驱动装置本体单元包括：

多个电磁模块1，每个上述电磁模块1包括通电后产生磁场的电磁线圈11和用于支撑上述电磁线圈的第一支架组件，多个上述电磁模块产生复合磁场；

一个永磁模块2，上述永磁模块2包括在上述复合磁场作用下运动后产生驱动磁场的球形永磁体21、用于提供气流的鼓风机22以及用于支撑球形永磁体21并将气流引导至上述球形永磁体21的下方以驱动上述球形永磁体21悬浮的第二支架组件。

本发明中，通过巧妙的结构设计，利用气悬浮技术将电磁线圈与永磁体有效隔离，使球形永磁体悬浮于电磁线圈内部，此时球形永磁体类似于一个万向轮，在周围电磁线圈的联合作用下可向任意方向自由旋转，从而在周围产生空间任意方向的静态磁场或者旋转磁场以驱动微尺度磁性机器人运动，极大减少永磁体在运动时受到的摩擦力，实现永磁体的无接触摩擦滚动，从而使其具有更高的响应性和更快的速度，解决当前微尺度机器人在低雷诺数下转动速度慢的问题。

本实施例中优选的实施方式，多个上述电磁线圈11围绕上述球形永磁体21的两磁极连线均布设置，各个上述电磁线圈11的两磁极连线延长相交于上述球形永磁体21的中心位置，各个上述电磁线圈11对上述球形永磁体21在水平和竖直方向的作用效果相同。

本实施例中优选的实施方式，上述驱动装置本体单元呈正置圆锥形，上述球形永磁体21设于上述圆锥的锥尖位置，多个上述电磁线圈11围绕上述圆锥的轴线均布设置，上述电磁线圈11的两磁极连线与上述圆锥的母线平行，上述圆锥的上方为用于放置样品池3的观测空间。在传统微尺度磁性机器人驱动装置中，往往需要将微尺度磁性机器人的活动空间用多个电磁线圈或者永磁体封闭起来，使得可控磁场可以覆盖整个范围，这就造成了磁吸机器人的驱动装置的体积不能太小，例如，在做动物实验时，必须把动物完全包裹到电磁线圈或者永磁体内部，否则会由于工作范围太小而造成任务失败，这就会造成这类装置难以实现微尺度机器人的大范围运动控制。本发明中，可控磁场位于电磁线圈和永磁体顶端的半开放空间，通过运动平台单元移动磁性机器人驱动装置的位置可以方便地使磁场聚焦于改变空间中任意位置，通过这种方式可以实现外部磁场跟随微尺度机器人的运动而运动，使得机器人一直处于可控磁场内部，进而实现大范围的运动控制。

本实施例中优选的实施方式，上述电磁线圈11为无磁芯电磁线圈，上述无磁芯电磁线圈包括铝制骨架和缠绕在上述铝制骨架外侧的线圈，上述铝制骨架的纵切面为干字形，上述线圈缠绕在上述干字的两横之间的竖上。为去除磁芯对永磁体小球运动行为的影响，电磁线圈完全由铜线和中空铝制骨架组成，使得整个工作空间内的磁场更加纯粹，也使得球形永磁体运动行为更加可控。铝制骨架设计成“干”型，一方面可以保持铜线裸露在空气中易于散热，另一方面可以用于固定。本发明突破传统微尺度机器人的驱动装置结构，优化电磁线圈的组成，降低电磁线圈与球形永磁体之间的耦合作用，使得输出磁场更加纯净、稳定。

本实施例中优选的实施方式，上述第一支架组件包括第一支撑柱12和第一壳体13，上述第一壳体13连接于上述第一支撑柱12上，上述电磁线圈11置于上述第一壳体13内。上述第一壳体为一端敞开的筒状结构，上述电磁线圈的铝制骨架与第一壳体保持间隙配合，并可通过第一壳体顶部的耳状结构用螺丝紧固，便于安装。

本实施例中优选的实施方式，上述第二支架组件包括第二支撑柱23和第二壳体24，上述第二壳体24连接于上述第二支撑柱23上，上述第二支撑柱23设有中空气道，上述第二壳体24设有与上述中空气道连通的夹层气室，上述第二壳体24的内壁设有与上述夹层气室连通的多个内喷气口，上述内喷气口朝向上述球形永磁体21，上述球形永磁体21悬浮在上述第二壳体24内，上述鼓风机22与上述中空气道连通。为实现对球形永磁体的悬浮，本发明设计了第二支撑组件，其中第二支撑柱的中空气道通过斜向修改的分支导流管25与气泵(鼓风机)相连，分支导流管25从中空气道中部斜向下引出，这样的设计可以尽可能的减少气体阻力，使得气泵吹来的空气畅通地流入中空气道内部，并托起永磁球。内喷气孔可以使得磁球被托起的距离被限制在特定高度(四个电磁线圈轴线延长线上的焦点)。

本实施例中优选的实施方式，上述第二壳体24为半球形托盘，上述半球形托盘的托盘口设有用于支撑样品池3的翻边。

本实施例中优选的实施方式，上述第二壳体24的外壁设有与上述夹层气室连通的多个外喷气口，上述多个外喷气口朝向上述电磁线圈。上述的内喷气口和外喷气口组成喷气口27。上述的外喷气孔可以将气流引导至电磁线圈周围，带动电磁线圈周围的空气流动，可起到为电磁线圈降温的作用。

本实施例中优选的实施方式，还包括用于带动上述驱动装置本体单元沿水平X轴方向、水平Y轴方向以及竖直Z轴方向运动的运动平台单元。上述第一支架组件和第二支架组件固定在一底盘4上，底盘中间打孔以方便与各种实验平台相固定。第一支架组件通过软管26与外部鼓风机相连，其作用是引导来自气泵的气体将磁球悬浮并束缚在四个电磁线圈轴线延长线上的焦点，使机器人位于所有线圈的最顶部的工作空间；整个电磁系统安装于运动平台单元上，可实现磁性机器人驱动装置空间位置的自由调整，进而为微尺度磁性机器人的运动提供开阔的可操控空间。上述运动平台单元包括带动上述底盘4升降的升降平台5、用于带动上述升降平台5沿水平Y轴方向运动的Y轴丝杆模组6、用于带动Y轴丝杆模组沿水平X轴方向运动的X轴丝杆模组7，整个驱动装置本体单元被安装在运动平台单元上，可实现空间的位置调整，从而实现磁场焦点的大范围调整，用于驱动微尺度磁性机器人的动态磁场，可在位移台的调整下于25X25cm的空间内自由移动，相对于传统驱动装置(仅约几个厘米)具有极大提升，可推动微尺度磁性机器人在宏观任务中应用的实现。整个驱动装置本体单元安装于运动平台单元上，因此可以实现空间位置大范围内的自由调整，也可实现磁场在特定部位的聚焦或者按照特定轨迹运动。

本实施例中优选的实施方式，上述第二支架组件的外侧缠绕有若干匝数的测速线圈(图中未示出)，上述测速线圈的两个端头接入电压采集器(图中未示出)，上述球形永磁体21转动时，其周围的磁场随之转动，上述测速线圈切割磁感线，上述测速线圈的两个端部产生电动势，上述电动势与上述球形永磁体21转速成正比，根据上述电动势计算上述球形永磁体21的转速。上述的第二支架组件的半球形出气口外围缠有若干匝数的铜线圈并引出两个末端接入电压采集器，当磁球旋转时周围的磁场随之旋转，造成测速线圈切割磁感线的效果，于是在两端处产生电动势，该电动势与磁球转速成正比，因此通过采集该电动势即可反推出磁球的转速。

本发明的磁性机器人驱动装的电气原理如下：通过台式电脑实现人机交互逻辑和数据可视化，通过数据采集板卡产生和发出用于控制信号的，控制信号经四路功率放大板放大后接入电磁线圈之中，该过程中每一路控制信号的都由上位机软件(用LabVI EW编写)独立控制、调整，使得电磁线圈可以在特定的驱动平面上产生动态或者静态磁场。位移平台组件通过485总线接入到上位机以实现驱动装置本体单元在三维空间中位置的可控调整。此外，磁场的产生、方向调整以及位移台的移动方向均可由上位机通过解析手柄的输入信号后发送相应控制命令实现。

本发明还对气浮后磁球转速与不加气浮的系统做了详细对比：

如图3和图4所示，第一个参数是磁球在电磁线圈作用下的截止频率。当电磁线圈驱动频率增加时，磁球也会随之加快旋转，但是当超过一定频率后电磁线圈就无法克服驱动磁球继续旋转的阻力，造成两者失步，此时磁球速度迅速降为零。因此整个过程中，磁球的旋转速度首先会随驱动频率的增加而增加，直至某一频率后戛然而止，这一频率即为磁球的截止频率。当改变线圈两端的电压后截止频率也会改变，因此我们测量了两个系统在不同电压下截止频率的对比，结果如图所示，从结果可以看出气浮后，在不同的驱动电压下系统的截止频率均增加了20赫兹左右；

如图5和图6所示，当磁球旋转过快时受惯性力的影响难以发生可控转速，因此磁球的最大可转向频率也是磁球运动参数的一个重要指标，该频率是指磁球能够发生可控转向的最大旋转频率，其对比结果如图所示。从结果中可以看出，加入气浮后磁球的可转向频率显著增加，并且随着驱动电压的升高其增加速度也越快。

与传统技术产生的磁场相比，本发明产生的磁场具有强磁场、大梯度的同时可以保证更高的磁响应性和更大的工作空间，是本发明的最核心的思想。本发明的核心是利用气悬浮技术和位移台，改进基于电磁和永磁的复合式微尺度磁性机器人驱动系统，与传统驱动装置相比，该装置在产生更强的磁场的同时还具有更高的响应性和更大的工作空间，在微尺度磁性机器人的驱控方面具有更好的可操作性和易用性。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。