氣-液界面磁驅(qū)動微機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微米尺寸機(jī)器人在微納制造、生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力和前景。在微納制造中，對于微納米尺寸的器件，毛細(xì)力相對于自身重力通常占據(jù)主導(dǎo)地位，在一定條件下，可以穩(wěn)定漂浮在氣/液界面上。相對于固體表面環(huán)境，氣/液界面具有低阻力特征，為微納器件操作提供了另一種選擇。相應(yīng)地，探索適于氣/液界面作業(yè)的微米尺寸機(jī)器人具有重要意義。
　　本文設(shè)計一種氣/液界面磁驅(qū)動微機(jī)器人系統(tǒng)，建立氣/液界面微機(jī)器人的靜力學(xué)和動力學(xué)模型，進(jìn)行磁驅(qū)動

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析電磁線圈產(chǎn)生的磁場和磁場力，并開展微機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)動實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，建立典型微球體和微圓柱體構(gòu)件在氣/液界面的靜力學(xué)模型，計算作用在氣/液界面微構(gòu)件的作用力。通過對 Young-Laplace方程的求解，分別研究微球體和微圓柱體受力隨浸入液體深度的變化情況，分析接觸角、微構(gòu)件形狀對作用力的影響。采取表面疏水處理，增大接觸角，進(jìn)一步增強(qiáng)微機(jī)器人承載能力，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后在微機(jī)器人加工方法比較的基礎(chǔ)上，采

3、用激光切割制作微機(jī)器人本體。
　　其次，根據(jù)氣/液界面磁驅(qū)動微機(jī)器人的特點(diǎn)，比較不同的磁場產(chǎn)生方式，建立氣/液界面磁驅(qū)動微機(jī)器人系統(tǒng)的磁場模型，進(jìn)行磁場力和磁力矩的理論計算及仿真分析。針對磁驅(qū)動微機(jī)器人系統(tǒng)特點(diǎn)，建立氣/液界面磁驅(qū)動微機(jī)器人動力學(xué)方程，并確定其控制方案。分析線圈參數(shù)對磁場和磁場梯度的影響，根據(jù)微機(jī)器人的運(yùn)動需求，完成線圈的空間布置，并分析工作區(qū)域內(nèi)的磁場和磁場梯度。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證磁場與電流之間的關(guān)系以及不同位置處