應(yīng)用電磁線圈系統(tǒng)研究微米級顆粒的機(jī)器人輔助自動化操控.pdf

1、電磁驅(qū)動微米級顆粒技術(shù)由于其低創(chuàng)傷性以及在復(fù)雜微環(huán)境下的可達(dá)性，展現(xiàn)出在生物醫(yī)藥應(yīng)用中的巨大潛力。在過去的幾十年里，人們關(guān)于電磁操控微米級顆粒進(jìn)行了大量的研究。然而現(xiàn)有的操控方案大多是于理想條件下設(shè)計，而并未考慮操控系統(tǒng)的不確定性或僅僅針對某一特定的不確定因素。事實上，這些被控的微米級顆粒是處于帶有各種各樣不確定因素的復(fù)雜環(huán)境中的。本文中，建立了一個普適的魯棒控制方案，以精確的操控由集成機(jī)器人電磁線圈系統(tǒng)驅(qū)動的微米級顆粒，同時保證了整個

2、操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文從以下三個方面進(jìn)行展開。
　　首先，利用電磁線圈驅(qū)動系統(tǒng)，建立了一種自動操控微米級顆粒進(jìn)行軌跡跟蹤的方案。所用的微米級顆粒為Fe3O4納米顆粒外包裹親水瓊脂糖多聚物構(gòu)成的微米磁球，這種小球可表現(xiàn)出超順磁性以及生物可相容性。電磁線圈系統(tǒng)被當(dāng)成是微操控器，用來在液體環(huán)境中操控微米磁球。這種操控方法可作為體內(nèi)環(huán)境中的精確靶向運送的技術(shù)基礎(chǔ)。用微米磁球進(jìn)行預(yù)設(shè)的二維及三維軌跡跟蹤實驗來證明本文方案的有效性。
　

3、　其次，設(shè)計了一種普適的魯棒控制法，使得操控系統(tǒng)能夠應(yīng)對多樣化的系統(tǒng)不確定因素。本文把“輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性”理論與反步控制器設(shè)計法相結(jié)合，從而使被控系統(tǒng)達(dá)到輸入-狀態(tài)穩(wěn)定。這個方法已成功的應(yīng)用在控制磁性微米級顆粒的軌跡跟蹤里，并保證了在不確定外界干擾下，整個被控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，為解決線圈漏磁導(dǎo)致驅(qū)動磁力不足這一問題，本文還建立了一種基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定理論的容錯控制法。本文的研究第一次將輸入-狀態(tài)穩(wěn)定理論與電磁操控微米級顆粒技術(shù)相結(jié)

4、合，設(shè)計了一種魯棒的閉環(huán)控制器，以處理操控系統(tǒng)中的多種不確定因素。
　　最后，基于受控的機(jī)器人電磁線圈系統(tǒng)，本文還設(shè)計了一種非線性高增益觀測器，用以估計被控微粒的速度。在這個非線性觀測器中，用較高的增益來抑制估計誤差，而用較低的增益來降低狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)誤差。這種集成了輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性理論以及帶觀測器的控制方法，可以在系統(tǒng)不確定因素及測量誤差的同時存在的情況下，不依賴速度的直接測量而達(dá)到控制目標(biāo)。數(shù)值仿真以及實驗都驗證了這種控制方案的可