球形微機(jī)器人控制及運(yùn)動(dòng)特性的研究.pdf

1、目前，醫(yī)用管道微機(jī)器人是一種理想的人體胃腸道疾病無創(chuàng)診斷和治療的方案，根據(jù)臨床實(shí)踐的操作需求，本研究提出了一款由外部磁場驅(qū)動(dòng)的新型醫(yī)用球形微機(jī)器人樣機(jī)，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的激勵(lì)源系統(tǒng)，在新的流體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對醫(yī)用球形微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了評價(jià)與分析。系統(tǒng)通過上位機(jī)遠(yuǎn)程界面發(fā)送控制指令，經(jīng)無線射頻芯片通信實(shí)現(xiàn)對信號發(fā)生電路輸出的正弦信號的頻率或者幅值參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)將調(diào)節(jié)好的三路正弦信號通入到三軸亥姆霍茲線圈系統(tǒng)中去，在正弦信號的激勵(lì)作

2、用下，線圈系統(tǒng)在中心區(qū)域產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。利用外部旋轉(zhuǎn)磁場與球形微機(jī)器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場之間耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)球形微機(jī)器人的有效運(yùn)動(dòng)。本課題分別對三軸亥姆霍茲線圈模型、線圈激勵(lì)源系統(tǒng)以及新型球形微機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，并且通過一系列的流體實(shí)驗(yàn)評價(jià)球形微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性。
　　首先，本課題設(shè)計(jì)并加工了三軸亥姆霍茲線圈模型，并且用有限元軟件ANSYS分析了三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的外部旋轉(zhuǎn)磁場的電磁特性，討論了亥氏線圈產(chǎn)生外磁場用于驅(qū)

3、動(dòng)球形微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)。
　　其次，結(jié)合控制系統(tǒng)對外部旋轉(zhuǎn)磁場的特性需要以及三軸亥姆霍茲線圈的驅(qū)動(dòng)原理，本課題為三軸亥氏線圈模型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的激勵(lì)源系統(tǒng)，主要包括信號發(fā)生電路和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制電路兩個(gè)部分。同時(shí)本課題還對比了外部旋轉(zhuǎn)磁場的理論值與實(shí)驗(yàn)測量值之間的誤差，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性以及仿真結(jié)果的正確性。
　　再次，本課題設(shè)計(jì)并制作了新型球形微機(jī)器人樣機(jī)，分析了球形微機(jī)器人受到的磁場力、浮力以及阻力，推導(dǎo)了外部旋

4、轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)球形微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的空間算法。結(jié)合三軸亥姆霍茲線圈的外磁場特性分析，本研究還對外磁場與球形微機(jī)器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場進(jìn)行了耦合分析，進(jìn)而得到了外部旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)球形微機(jī)器人有效運(yùn)動(dòng)的磁場力的理論值。
　　最后，本研究通過一系列的評價(jià)實(shí)驗(yàn)，在新的流體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上評價(jià)了新型球形微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，主要分析了水流流速及方向、正弦信號的頻率及幅值參數(shù)對球形微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，并進(jìn)行了球形微機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型的球形