螺旋推進(jìn)泳動(dòng)磁微機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著微納米技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)微創(chuàng)醫(yī)療、微制造系統(tǒng)等方面日益增長(zhǎng)的需求，微機(jī)器人技術(shù)得到了快速發(fā)展。螺旋結(jié)構(gòu)磁微機(jī)器人在微尺度范圍內(nèi)相對(duì)于梯度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)磁微機(jī)器人和擺動(dòng)前進(jìn)磁微機(jī)器人具有驅(qū)動(dòng)力大和易于控制的特點(diǎn)，是微尺度機(jī)器人的一種重要結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于螺旋磁微機(jī)器人的研究主要集中在毫米甚至厘米尺度中，而對(duì)于亞毫米尺寸范圍內(nèi)的螺旋磁微機(jī)器人的研究較少。不同的尺度范圍內(nèi)，各參數(shù)變化對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的影響規(guī)律存在差異，因此在亞毫米尺度下對(duì)

2、微機(jī)器人的研究具有重要研究意義。
　　本文以螺旋推進(jìn)泳動(dòng)磁微機(jī)器人為研究對(duì)象，建立微機(jī)器人在液體中泳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)亥姆霍茲線圈驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上提出運(yùn)動(dòng)控制策略。構(gòu)建螺旋推進(jìn)泳動(dòng)磁微機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證。
　　首先，建立螺旋推進(jìn)泳動(dòng)磁微機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。在低雷諾數(shù)環(huán)境的前提下，基于阻力理論得出了螺旋磁微機(jī)器人泳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型。在該模型的基礎(chǔ)上研究螺旋半徑、長(zhǎng)度、螺距等參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和效率的

3、影響規(guī)律，得出微機(jī)器人性能最佳時(shí)的參數(shù)取值。分析磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生的最大力矩，引入失步頻率，得到螺旋磁微機(jī)器人所能達(dá)到的最大速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系曲線。進(jìn)一步提出兩端分布的雙螺旋磁微機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行分析。
　　其次，設(shè)計(jì)螺旋推進(jìn)泳動(dòng)磁微機(jī)器人磁驅(qū)動(dòng)模塊。分析亥姆霍茲線圈的工作原理，并利用COMSOL軟件進(jìn)行仿真，得出線圈的磁場(chǎng)分布特性。基于仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)要求的三對(duì)亥姆霍茲線圈。利用線圈磁場(chǎng)在空間中的旋轉(zhuǎn)控制微機(jī)器人沿任意

4、方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)設(shè)計(jì)的亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。
　　最后，進(jìn)行螺旋推進(jìn)泳動(dòng)磁微機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究。在磁驅(qū)動(dòng)模塊的基礎(chǔ)上構(gòu)建螺旋磁微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并加工制作多種尺寸的單螺旋磁微機(jī)器人。在不同外界環(huán)境和不同微機(jī)器人幾何參數(shù)條件下進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)得到各參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的影響規(guī)律，并對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較雙螺旋和單螺旋磁微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，并驗(yàn)證雙螺旋磁微機(jī)器人的螺旋可疊加性。進(jìn)行螺旋磁微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控