一种基于磁体排布优化的磁场生成方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种基于磁体排布优化的磁场生成方法。

背景技术

近年来介入手术机器人发展迅速，现有的手术机器人可按照驱动方式分为两种类型：自驱动和外场驱动。自驱动是指由自身提供动力，常见的自驱动方式为由机械臂齿轮控制导管进行指定的手术动作，外场驱动指需要施加外场才能获得动力，常见的外场驱动方式有声场驱动、磁场驱动、光驱动等。其中低强度、低频率的磁场可以穿透人体且不会对人体组织造成损伤，故磁场驱动在医学领域有着巨大的应用场景。

然而，现有的磁控手术机器人主要通过以下两种方式进行磁场控制：

1)通过永磁体转动的方式对目标点位进行磁场控制，采用上述方式，永磁体若要达到800高斯以上的磁场强度，永磁体体积和质量都会非常大，转动的过程中对空间和地面质量要求比较高，该方式实用性较差，影响推广使用；

2)通过对称设置各个不同磁场方向的电磁线圈来进行磁场控制，该方式可以通过调整电流大小来控制场强强度的大小，但该方式需要针对不同方向设置对应的电磁线圈，通过开闭对应磁场方向的电磁线圈来产生目标磁场方向，该方式电磁线圈利用率较低，只通过少量几个电磁线圈产生目标磁场，需要加以高电流才能达到800高斯以上的磁场强度，该方式能耗较高，且高电流存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何在相同能耗下提供内部空间内更高磁场强度的磁场，并且磁场满足与预设方向和期望磁场密度；有鉴于此，本发明提供一种基于磁体排布优化的磁场生成方法。

本发明采用的技术方案是，一种基于磁体排布优化的磁场生成方法，包括：

获取目标磁场点位以及目标磁场方向；

在同一弧面的不同方向配置多个线圈阵列，其中，每个线圈阵列的中心点的磁场方向与所述目标磁场方向相对所述中心点与所述目标磁场点位的连线对称；

基于每个线圈阵列的中心点的磁场方向，确定当前线圈阵列中，各组线圈单元需要产生单元磁场的对应方向。

在一个实施方式中，每组所述线圈单元包括同圆心相互垂直平面设置的两组线圈单元，用于生成两个相互垂直的基准磁场，由两个所述基准磁场组合形成垂直平面内的，可配置磁场方向的所述单元磁场。

在一个实施方式中，所述目标磁场点位的磁场强度通过下式确定：

B

其中，B

在一个实施方式中，线圈阵列需要产生的磁场方向由所述目标磁场方向与所述目标磁场点位和中心点连接构成的向量按照以下公式进行变换得到：

其中，

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明通过将构成单元磁场方向设计成与目标单元磁场方向关于构成单元中心和目标单元中心连线对称，以此提高构成单元磁场在目标单元中心点的目标磁场方向的磁场强度，实现在相同能耗下达成目标方向上最高磁场强度，一方面提高磁场控制最大行程，另一方面节省能源消耗，在相同磁场强度控制下，能够减小线圈电流大小，同时避免机器因电流过大导致温度过高，影响设备使用。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于磁体排布优化的磁场生成方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的线圈单元结构示意图；

图3为根据本发明实施例的线圈单元与目标磁场方向的关系示意图；

图4为根据本发明实施例的各组线圈单元设置在同一弧线上的组成结构示意图；

图5为根据本发明实施例的多个单元线圈设置在同一弧面上的工作示意图；

图6为根据本发明实施例的多个线圈阵列构成的线圈阵列组示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例，基于磁体排布优化的磁场生成方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1，获取目标磁场点位以及目标磁场方向；

步骤S2，在同一弧面的不同方向配置多个线圈阵列，其中，每个线圈阵列的中心点的磁场方向与所述目标磁场方向相对所述中心点与所述目标磁场点位的连线对称；

步骤S3，基于每个线圈阵列的中心点的磁场方向，确定当前线圈阵列中，各组线圈单元需要产生单元磁场的对应方向。

下面将对本实施例所提供的方法进行详细说明。

本实施例中，通过两个基准线圈磁场的叠加，生成组合单元磁场，单组基准线圈磁场由单组线圈单元产生，两组线圈单元同圆心相互垂直平面设置，生成两个相互垂直的基准磁场，由两个基准磁场组合形成垂直平面内可任意设定磁场方向的单元磁场；如图2所示为线圈单元的结构示意图，两组线圈单元分别产生B1、B2两组相互垂直的基准磁场，由两个基准磁场B1和B2组合生成单元磁场B，根据平行四边形法则，单元磁场可通过两个基准磁场的磁场强度来设计单元磁场的磁场方向。

本实施例中，通过电流设计构建定制磁场，根据单元磁场磁感线分布情况，在目标点位的目标磁场方向上，尽可能构建最强磁场强度，构建方法如下，如图3所示，O点为两组线圈单元共同的圆心点，A点为目标磁场点位，B’为目标磁场点位计划产生的磁场方向，为了在A点获取B’方向尽可能大的磁场强度，本实施例将单元磁场的磁场方向设计为与目标磁场方向B’关于线圈单元圆心点与目标控制点连线OA对称的方向。

如图3所示，单元磁场的磁场方向为B箭头所指方向，B方向与B’方向相对于OA连线对称，通过上述方法设置，单元磁场在A点B’方向上的磁场强度是最大的，实现在相同能耗下，在目标点位获得更高的磁场强度。B的磁场方向由上述单元磁场设计方法构建，通过B1和B2的电流大小设置来构建B方向上的单元磁场。通过上述方式可在两组线圈单元垂直平面内的任意一个目标位置，在相同能耗下构建该位置目标方向的最大磁场强度。

通过上述方式可在两组线圈单元的垂直平面内的任意一个目标位置构建在相同能耗下目标方向的最大磁场强度，两组线圈单元构成一个组合线圈，该组合线圈可构建在两个线圈单元垂直平面内任意方向磁场，通过设置多个组合线圈的方式，将组合线圈按照一定规律排列，所述的一定规律指多个组合线圈设置在同一弧面上，能够在弧面内侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场，以达到磁场叠加的效果。

如图4所示，将组合线圈设置在同一弧线上，弧线内侧汇聚磁力线，根据目标点B需要的目标磁场方向来确定每个组合线圈的单元磁场方向，每个组合线圈不需要刻意对称设置即可实现磁场汇聚，可根据实际的空间要求更多变地对线圈位置进行设计，在B点的磁场方向由四个组合线圈产生的单元磁场进行叠加，使得B点目标方向的磁场强度最大。

如图5所示为多个单元线圈设置在同一弧面上的工作示意图，A点为该弧面的中心点，如图所示弧面上的五个球体为五个不同方向设置的单元线圈，由设置在同一弧面上的多个单元线圈构成线圈阵列，通过每个单元线圈的磁场方向设计，该线圈阵列可在弧面中心A点构建空间任意方向的组合磁场。

如图6所示为多个线圈阵列构成的线圈阵列组示意图，根据目标磁场方向确定每个线圈阵列中心点的组合磁场方向，每个线圈阵列中心点的组合磁场方向与目标磁场方向及阵列中心点与目标点位连线向量进行公式变换获得，通过上述设计方式，在区域弧形内侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场，使得目标点位上的目标磁场方向的磁场强度最高，如上图所示将目标点位记为A，将线圈阵列中心记为B，目标点位的磁场方向记为

由/>

上述公式中X代表向量的叉乘，·代表向量的点乘，p与q为角度系数，其中，p＝m1×(cosα)^n1+o1、q＝m2×(sinα)^n2+o2；m1、n1、o1、m2、n2、o2都是常数，α为a向量和AB向量的夹角；由上，所获得的目标点位的磁场强度与各线圈阵列需要产生的磁场强度的关系可以通过下式描述：

B

其中，B

本实施例中，同弧面设置的多个线圈阵列，通过控制线圈阵列中心点的磁场方向与目标控制点位的目标磁场方向相对中心点与目标控制点位的连线对称，来确保目标控制点在目标磁场方向上的磁场强度最大，所述的线圈阵列包括同弧面不同方向设置的多个线圈组，根据线圈阵列需要在中心点构建的组合磁场方向确定多个线圈组需要产生对应方向的单元磁场，其中线圈组包括两个同圆心垂直设置的基准线圈，可产生两组相互垂直的磁场，单元磁场方向可通过两个基准线圈的磁场大小及方向来进行控制。具体地，本发明通过控制基准线圈的电流大小及方向就可以控制目标点位的磁场方向，且通过上述控制方式可在相同能耗下实现目标点位的最大磁场强度。

综上，相较于现有技术，本发明实施例至少具有以下优点：

1)本发明通过将构成单元磁场方向设计成与目标单元磁场方向关于构成单元中心和目标单元中心连线对称，以此提高构成单元磁场在目标单元中心点的目标磁场方向的磁场强度，实现在相同能耗下达成目标方向上最高磁场强度，一方面提高磁场控制最大行程，另一方面节省能源消耗，在相同磁场强度控制下，能够减小线圈电流大小，同时避免机器因电流过大导致温度过高，影响设备使用；

2)本发明通过线圈组的电流即可实现单元磁场的方向设计，不需要通过磁体空间变化来进行控制，极大程度节省了设备使用空间；

3)本发明将线圈阵列以及线圈阵列组均按照同弧面设置，能够在弧面内侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，经过线圈阵列和线圈整列组的两次磁力线汇聚，从而获得较为理想的单边磁场，进一步提高目标点位的磁场强度。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。