一种基于仿生多纤毛的磁力驱动微机器人系统设计和研究

摘要

微机器人凭借自由无约束的运动以及自身微小的尺寸能够自由穿梭于狭窄且封闭的工作环境中，并进行革新性的功能应用，如人体内的靶向送药、微创/无创手术，以及人体外部的样本采集、运输、分离和检测，甚至是微型零部件的三维装配等应用。微机器人的应用前景十分广泛且潜能巨大，但传统的驱动与控制方法难以实现微机器人的驱动与控制。基于磁力的驱动与控制方式提供了一种易实现、可控性好且基本无伤害的无线远程的驱动和控制方法。基于磁力驱动的微机器人（磁力微机器人）正吸引越来越多的研究目光。由于各物理效应随着机器人尺度缩减而受到的影响，微机器人需要有特殊的运动设计。依照驱动方式的区别，当前液体中的磁力微机器人驱动方式主要可以分为依靠梯度磁场的直接驱动方式和依靠匀强磁场的间接驱动方式。在当前的驱动磁场系统的能力限制下，依靠匀强磁场间接驱动的磁力微机器人凭借合理的设计展现出优秀的运动性能。依靠匀强磁场驱动方式又可进一步分为基于转动匀强磁场的驱动方式和基于摆动匀强磁场的驱动方式，前者展现了优秀的运动学性能，但微机器人的制造难度大；而后者制造方便，可实现大批量生产，且驱动磁场的产生依赖更少的线圈，减少了能量损耗，但目前其运动性能表现欠佳。针对此现象，本文提出基于摆动磁场驱动的新型磁力微机器人设计，模仿自然界中真核细胞生物体侧的纤毛运动，依靠人造的侧边多纤毛驱动其运动。本研究旨在研制一种实现简单，成本低廉，易于实现大规模批量成产的，且运动特性较好的基于摆动磁场控制的新型磁力微机器人。并针对控制其运动的磁力控制系统的设计和搭建做出了详细的研究工作。
　　本文主要研究为基于摆动匀强磁场驱动的新型多纤毛磁力微机器人及其系统设计和搭建，可以分为以下几部分内容：首先阐述磁力微机器人的研究现状，确定本课题的研究目的和研究内容；然后介绍，磁力控制原理以及相关知识，包括磁力随尺寸缩减的变化，磁性材料，磁力特性，以及磁场产生与控制硬件等；接着，分析了微观尺度下的液体环境及磁力微机器人的运动方式，并针对两种不同的驱动方式结合磁场产生的硬件条件进行了驱动性分析，并提出了依靠摆动磁场驱动的多纤毛磁力微机器人的方案，并完成了相应的设计和制造工作；再次，对于控制磁力微机器人的磁力驱动系统进行了设计、仿真和搭建工作，并进行了系统可行性实验验证，针对验证实验中出现的问题进行了优化设计：驱动电源硬件改进以及驱动信号的优化；最后，依靠优化后的磁力控制系统对多纤毛磁力微机器人进行了运动实验，并对结果进行了分析和讨论。通过研究实验结果和数据，得出本文提出的依靠匀强磁场驱动的侧边多纤毛的磁力微机器人方案有效，对比于同样依靠摆动匀强磁场的“磁力精子”机器人，其运动速度有所提高，并进一步发现了影响磁力微机器人的运动表现的因素。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 磁力微机器人的研究现状

1.3 课题主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 磁力控制原理

2.1尺度效应

2.2磁性材料

2.3磁力微机器人的制造技术

2.4磁力的性质

2.5 磁场产生硬件

2.6本章小结

第三章 微机器人的运动研究及其设计

3.1 液体环境讨论

3.2 两种驱动方式的比较

3.3多纤毛磁力微机器人

3.4本章小结

第四章 磁力控制系统设计和搭建

4.1 Helmholtz线圈的磁场讨论

4.2磁力平台的设计、仿真和搭建

4.3 磁力控制系统的验证实验

4.5本章小结

第五章 系统的优化与磁力微机器人的运动实验

5.1驱动电源的优化与改进

5.2实验及结果分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢