應用電磁線圈系統(tǒng)研究微米級顆粒的機器人輔助自動化操控.pdf

1、電磁驅動微米級顆粒技術由于其低創(chuàng)傷性以及在復雜微環(huán)境下的可達性，展現(xiàn)出在生物醫(yī)藥應用中的巨大潛力。在過去的幾十年里，人們關于電磁操控微米級顆粒進行了大量的研究。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器人電磁線圈系統(tǒng)驅動的微米級顆粒，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行展開。
　　首先，利用電磁線圈驅動系統(tǒng)，建立了一種自動操控微米級顆粒進行軌跡跟蹤的方案。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環(huán)境中的精確靶向運送的技術基礎。用微米磁球進行預設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，設計了一種普適的魯棒控制法，使得操控系統(tǒng)能夠應對多樣化的系統(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計法相結合，從而使被控系統(tǒng)達到輸入-狀態(tài)穩(wěn)定。這個方法已成功的應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。進一步地，為解決線圈漏磁導致驅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相結

4、合，設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，基于受控的機器人電磁線圈系統(tǒng)，本文還設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到控制目標。數(shù)值仿真以及實驗都驗證了這種控制方案的可