一種基于仿生多纖毛的磁力驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究.pdf

1、微機(jī)器人憑借自由無(wú)約束的運(yùn)動(dòng)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(wú)創(chuàng)手術(shù)，以及人體外部的樣本采集、運(yùn)輸、分離和檢測(cè)，甚至是微型零部件的三維裝配等應(yīng)用。微機(jī)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(dòng)與控制方法難以實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與控制?；诖帕Φ尿?qū)動(dòng)與控制方式提供了一種易實(shí)現(xiàn)、可控性好且基本無(wú)傷害的無(wú)線遠(yuǎn)程的驅(qū)動(dòng)和控制方法?；诖帕︱?qū)動(dòng)的微機(jī)器人（磁力微機(jī)器人）正

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

3、，但微機(jī)器人的制造難度大；而后者制造方便，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生依賴更少的線圈，減少了能量損耗，但目前其運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)欠佳。針對(duì)此現(xiàn)象，本文提出基于擺動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的新型磁力微機(jī)器人設(shè)計(jì)，模仿自然界中真核細(xì)胞生物體側(cè)的纖毛運(yùn)動(dòng)，依靠人造的側(cè)邊多纖毛驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)。本研究旨在研制一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量成產(chǎn)的，且運(yùn)動(dòng)特性較好的基于擺動(dòng)磁場(chǎng)控制的新型磁力微機(jī)器人。并針對(duì)控制其運(yùn)動(dòng)的磁力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的新型多纖毛磁力微機(jī)器人及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和搭建，可以分為以下幾部分內(nèi)容：首先闡述磁力微機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，確定本課題的研究目的和研究?jī)?nèi)容；然后介紹，磁力控制原理以及相關(guān)知識(shí)，包括磁力隨尺寸縮減的變化，磁性材料，磁力特性，以及磁場(chǎng)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，并針對(duì)兩種不同的驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合磁場(chǎng)產(chǎn)生的硬件條件進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)性分析，并提出了依靠擺動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的

5、多纖毛磁力微機(jī)器人的方案，并完成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造工作；再次，對(duì)于控制磁力微機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真和搭建工作，并進(jìn)行了系統(tǒng)可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：驅(qū)動(dòng)電源硬件改進(jìn)以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的優(yōu)化；最后，依靠?jī)?yōu)化后的磁力控制系統(tǒng)對(duì)多纖毛磁力微機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。通過(guò)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，得出本文提出的依靠勻強(qiáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的側(cè)邊多纖毛的磁力微機(jī)器人方案有效，對(duì)比于同樣依靠擺動(dòng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的“