仿生游動(dòng)介入機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制.pdf

1、尋求有效的方法彌補(bǔ)傳統(tǒng)介入診療系統(tǒng)的缺陷是新型介入系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文通過(guò)研究鞭毛微生物的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，提出一種用于介入診療的新型仿生游動(dòng)機(jī)器人，這對(duì)于減少傳統(tǒng)消化道內(nèi)鏡及心導(dǎo)管與管腔硬接觸給病人帶來(lái)的痛苦，彌補(bǔ)膠囊內(nèi)窺鏡被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的不足，以及拓寬微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)的應(yīng)用范圍，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文在觀察鞭毛微生物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、分析其內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，找到仿生的突破口，開(kāi)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了三推進(jìn)器推進(jìn)的仿生游動(dòng)機(jī)器人。運(yùn)用理論研究、

2、視頻分析、仿真和實(shí)驗(yàn)等多種方法相結(jié)合，旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于微型化的游動(dòng)機(jī)器人，以期望將其用于介入診療中，彌補(bǔ)目前微創(chuàng)手術(shù)的不足。
　　論文首先比較了目前在鞭毛驅(qū)動(dòng)研究中應(yīng)用最為廣泛的兩種理論，即抗力理論和細(xì)長(zhǎng)體理論。比較結(jié)果表明：抗力理論計(jì)算簡(jiǎn)單，而細(xì)長(zhǎng)體理論具有更好的普適性。之后建立了鞭毛柔性尾模型，模型的流固耦合分析結(jié)果表明：對(duì)于本文設(shè)計(jì)的推進(jìn)器，可將其視為剛性體進(jìn)行分析研究。
　　通過(guò)觀察單鞭毛尾細(xì)菌的轉(zhuǎn)向特性，

3、發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向時(shí)螺旋尾的彎折現(xiàn)象，并建立了相應(yīng)的鞭毛尾動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)分析獲得了能使菌體具有最佳轉(zhuǎn)彎性能下的最優(yōu)彎折點(diǎn)以及最優(yōu)彎折角度，最后通過(guò)數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論在宏觀環(huán)境下同樣適用。
　　在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)游動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)搭建，并考慮到液體運(yùn)行環(huán)境的特殊性，對(duì)機(jī)器人密封等細(xì)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確保機(jī)器人在液體中的運(yùn)行安全。引入陀螺儀對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)控制。求出了機(jī)身阻力以及推進(jìn)器的推進(jìn)力等，將其代