微医疗机器人旋转磁场驱动电源的研究

摘要

微机器人具有微创伤、痛苦小、响应快等特点，而外磁场驱动技术实现了对管内游动机器人的无缆驱动，使微机器人在医疗方面具有了广阔的应用前景。直接数字频率合成(DDS)技术是七十年代初提出的一种新的频率合成技术，其全数字结构具有许多独特的性能，可以满足现代电子设计的诸多要求，因而得到了迅速的发展。本文结合这两种技术，利用单片机灵活的控制特性，研究开发了一种新的基于DDS技术的微医疗机器人旋转磁场驱动电源系统。该驱动电源可以驱动两轴亥姆霍兹线圈空间的一个平面内产生旋转磁场，用以实现对游动机器人的无缆驱动，本文详细介绍了设计的过程及方法。 本文首先阐述了微机器人的驱动原理和游动机理，提出了一种靠两路正交的电流信号驱动两轴亥姆霍兹线圈产生旋转磁场作为外驱动磁场，驱动表面具有螺旋结构，以钕铁硼(NdFeB)圆柱形永磁体作为内驱动器的胶囊式微机器人游动的无缆驱动方法。 然后本文对直接数字频率合成技术的发展以及特点进行了介绍，详细介绍了DDS的工作原理和基本结构，重点阐述了旋转磁场驱动器的硬件设计和软件设计，设计出了以单片机AT89S52和DDS芯片AD9854为核心的数字可控旋转磁场驱动电源，将整个系统分为信号产生电路、键盘显示电路，滤波放大电路三个模块，对系统的各部分功能电路进行了设计和调试，最终产生两路正余弦电流信号用以驱动两组亥姆霍兹线圈产生旋转磁场。 系统的调试与分析的结果表明，本文设计的数字可控旋转磁场驱动电源系统基本满足了课题的要求，且具有体积小、精度高、控制便捷、响应快等特点，为微机器人应用于医疗领域奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及大连理工大学学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1微型机器人驱动方式的研究现状

1.1.1有缆机器人

1.1.2无缆机器人

1.2微机器人行走方式的比较

1.2.1轮式微机器人

1.2.2蠕动式微机器人

1.2.3足式微机器人

1.2.4泳动式微机器人

1.3微机器人驱动的研究现状分析

1.4本文的研究内容

2胶囊式微机器人外旋转磁场驱动原理

2.1旋转磁场的产生

2.2旋转磁场驱动原理

2.3本章小结

3基于DDS芯片AD9854的旋转磁场驱动电源的总体设计

3.1 DDS的工作原理及特点

3.1.1 DDS技术概述

3.1.2 DDS的工作原理

3.1.3 DDS的特点

3.2 DDS输出信号质量分析

3.2.1频率稳定度

3.2.2失真与杂波

3.3方案的选取

3.4 AD9854芯片介绍

3.5旋转磁场驱动电源的系统总体设计

3.6本章小结

4硬件电路设计与实现

4.1 DDS波形产生控制电路设计方案

4.1.1单片机的选型

4.1.2接口电平的匹配方案

4.1.3 AD9854外围电路设计方案

4.2波形产生控制电路的硬件实现

4.3人机交互电路设计

4.3.1键盘电路设计

4.3.2显示电路设计

4.3.3串口通信电路设计

4.4信号处理电路设计

4.4.1低通滤波电路的设计

4.4.2功率放大电路设计

4.5系统电源电路的设计

4.6硬件电路的抗干扰设计

4.6.1 CMOS元器件的使用

4.6.2接地及地平面的分割

4.6.3电源的处理

4.7本章小结

5软件设计与系统调试

5.1系统软件的基本结构

5.2 AD9854的控制

5.2.1 AD9854的工作模式

5.2.2 AD9854的工作时序

5.3 81C55的控制

5.4系统调试

5.4.1系统硬件调试

5.4.2调试结果与分析

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

附录：部分实物照片