一種基于仿生多纖毛的磁力驅(qū)動微機器人系統(tǒng)設(shè)計和研究.pdf

1、微機器人憑借自由無約束的運動以及自身微小的尺寸能夠自由穿梭于狹窄且封閉的工作環(huán)境中，并進(jìn)行革新性的功能應(yīng)用，如人體內(nèi)的靶向送藥、微創(chuàng)/無創(chuàng)手術(shù)，以及人體外部的樣本采集、運輸、分離和檢測，甚至是微型零部件的三維裝配等應(yīng)用。微機器人的應(yīng)用前景十分廣泛且潛能巨大，但傳統(tǒng)的驅(qū)動與控制方法難以實現(xiàn)微機器人的驅(qū)動與控制?；诖帕Φ尿?qū)動與控制方式提供了一種易實現(xiàn)、可控性好且基本無傷害的無線遠(yuǎn)程的驅(qū)動和控制方法?；诖帕︱?qū)動的微機器人（磁力微機器人）正

2、吸引越來越多的研究目光。由于各物理效應(yīng)隨著機器人尺度縮減而受到的影響，微機器人需要有特殊的運動設(shè)計。依照驅(qū)動方式的區(qū)別，當(dāng)前液體中的磁力微機器人驅(qū)動方式主要可以分為依靠梯度磁場的直接驅(qū)動方式和依靠勻強磁場的間接驅(qū)動方式。在當(dāng)前的驅(qū)動磁場系統(tǒng)的能力限制下，依靠勻強磁場間接驅(qū)動的磁力微機器人憑借合理的設(shè)計展現(xiàn)出優(yōu)秀的運動性能。依靠勻強磁場驅(qū)動方式又可進(jìn)一步分為基于轉(zhuǎn)動勻強磁場的驅(qū)動方式和基于擺動勻強磁場的驅(qū)動方式，前者展現(xiàn)了優(yōu)秀的運動學(xué)性能

3、，但微機器人的制造難度大；而后者制造方便，可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且驅(qū)動磁場的產(chǎn)生依賴更少的線圈，減少了能量損耗，但目前其運動性能表現(xiàn)欠佳。針對此現(xiàn)象，本文提出基于擺動磁場驅(qū)動的新型磁力微機器人設(shè)計，模仿自然界中真核細(xì)胞生物體側(cè)的纖毛運動，依靠人造的側(cè)邊多纖毛驅(qū)動其運動。本研究旨在研制一種實現(xiàn)簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)大規(guī)模批量成產(chǎn)的，且運動特性較好的基于擺動磁場控制的新型磁力微機器人。并針對控制其運動的磁力控制系統(tǒng)的設(shè)計和搭建做出了詳細(xì)的研究

4、工作。
　　本文主要研究為基于擺動勻強磁場驅(qū)動的新型多纖毛磁力微機器人及其系統(tǒng)設(shè)計和搭建，可以分為以下幾部分內(nèi)容：首先闡述磁力微機器人的研究現(xiàn)狀，確定本課題的研究目的和研究內(nèi)容；然后介紹，磁力控制原理以及相關(guān)知識，包括磁力隨尺寸縮減的變化，磁性材料，磁力特性，以及磁場產(chǎn)生與控制硬件等；接著，分析了微觀尺度下的液體環(huán)境及磁力微機器人的運動方式，并針對兩種不同的驅(qū)動方式結(jié)合磁場產(chǎn)生的硬件條件進(jìn)行了驅(qū)動性分析，并提出了依靠擺動磁場驅(qū)動的

5、多纖毛磁力微機器人的方案，并完成了相應(yīng)的設(shè)計和制造工作；再次，對于控制磁力微機器人的磁力驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計、仿真和搭建工作，并進(jìn)行了系統(tǒng)可行性實驗驗證，針對驗證實驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計：驅(qū)動電源硬件改進(jìn)以及驅(qū)動信號的優(yōu)化；最后，依靠優(yōu)化后的磁力控制系統(tǒng)對多纖毛磁力微機器人進(jìn)行了運動實驗，并對結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。通過研究實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，得出本文提出的依靠勻強磁場驅(qū)動的側(cè)邊多纖毛的磁力微機器人方案有效，對比于同樣依靠擺動勻強磁場的“