螺旋推進泳動磁微機器人系統(tǒng)設計與實驗研究.pdf

1、隨著微納米技術的進步和人們對微創(chuàng)醫(yī)療、微制造系統(tǒng)等方面日益增長的需求，微機器人技術得到了快速發(fā)展。螺旋結構磁微機器人在微尺度范圍內相對于梯度場驅動磁微機器人和擺動前進磁微機器人具有驅動力大和易于控制的特點，是微尺度機器人的一種重要結構形式。當前國內外研究者對于螺旋磁微機器人的研究主要集中在毫米甚至厘米尺度中，而對于亞毫米尺寸范圍內的螺旋磁微機器人的研究較少。不同的尺度范圍內，各參數(shù)變化對其運動性能的影響規(guī)律存在差異，因此在亞毫米尺度下對

2、微機器人的研究具有重要研究意義。
　　本文以螺旋推進泳動磁微機器人為研究對象，建立微機器人在液體中泳動的動力學模型，設計亥姆霍茲線圈驅動微機器人運動，并在此基礎上提出運動控制策略。構建螺旋推進泳動磁微機器人系統(tǒng)，進行實驗分析和驗證。
　　首先，建立螺旋推進泳動磁微機器人的動力學模型。在低雷諾數(shù)環(huán)境的前提下，基于阻力理論得出了螺旋磁微機器人泳動的動力學模型。在該模型的基礎上研究螺旋半徑、長度、螺距等參數(shù)對機器人運動速度和效率的

3、影響規(guī)律，得出微機器人性能最佳時的參數(shù)取值。分析磁場能夠產(chǎn)生的最大力矩，引入失步頻率，得到螺旋磁微機器人所能達到的最大速度與結構參數(shù)之間的關系曲線。進一步提出兩端分布的雙螺旋磁微機器人結構，并對其進行分析。
　　其次，設計螺旋推進泳動磁微機器人磁驅動模塊。分析亥姆霍茲線圈的工作原理，并利用COMSOL軟件進行仿真，得出線圈的磁場分布特性。基于仿真結果，設計滿足實驗要求的三對亥姆霍茲線圈。利用線圈磁場在空間中的旋轉控制微機器人沿任意

4、方向運動。對設計的亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的磁場進行實驗檢測。
　　最后，進行螺旋推進泳動磁微機器人的實驗研究。在磁驅動模塊的基礎上構建螺旋磁微機器人實驗系統(tǒng)，并加工制作多種尺寸的單螺旋磁微機器人。在不同外界環(huán)境和不同微機器人幾何參數(shù)條件下進行機器人運動性能實驗。利用實驗得到各參數(shù)對運動性能的影響規(guī)律，并對理論分析結果進行驗證。通過實驗比較雙螺旋和單螺旋磁微機器人的運動性能，并驗證雙螺旋磁微機器人的螺旋可疊加性。進行螺旋磁微機器人運動控