【摘要】：微機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)工程和微納制造如靶向藥物傳遞、顯微外科手術(shù)和微納操作等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,具有巨大的發(fā)展?jié)摿�。鞭毛微機(jī)器人相對(duì)于螺旋結(jié)構(gòu)的微機(jī)器人,具有結(jié)構(gòu)簡單和柔順性好的優(yōu)點(diǎn)。但目前現(xiàn)有的鞭毛磁微機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式單一,通常只能通過單種推進(jìn)方式驅(qū)動(dòng),因而環(huán)境適應(yīng)性差。由于生物醫(yī)學(xué)和微納制造等領(lǐng)域中微機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜多變,因此研究具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的多重推進(jìn)式微機(jī)器人具有重要意義。本文提出一種多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人,能夠分別在磁梯度場、旋轉(zhuǎn)磁場和擺動(dòng)磁場下驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。分別建立磁微機(jī)器人在液體環(huán)境中三種磁推進(jìn)方式下的動(dòng)力學(xué)模型,并在建立適用多重推進(jìn)式線圈磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出微機(jī)器人的控制策略,開展多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究。首先,提出一種多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。根據(jù)液體環(huán)境中流體阻力理論,結(jié)合磁場特性,分別建立鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人在磁梯度場、旋轉(zhuǎn)磁場和擺動(dòng)磁場下的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,分析鞭毛外形尺寸、彈性模量、鞭毛傾斜角度等參數(shù)對(duì)微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度以及能量轉(zhuǎn)化效率的影響規(guī)律。并通過仿真獲取鞭毛在不同磁場驅(qū)動(dòng)下的變形規(guī)律。其次,依據(jù)多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人的特征,構(gòu)建適于此類磁微機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊。基于亥姆霍茲線圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),增加有效的轉(zhuǎn)換模塊,使傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈亦能產(chǎn)生梯度磁場,以滿足磁微機(jī)器人多重推進(jìn)需求。分析比較各種磁場的產(chǎn)生方式,并利用多物理場仿真COMSOL軟件,仿真獲得磁場的分布特性。依據(jù)仿真結(jié)果,編制對(duì)應(yīng)的控制程序,用以分別產(chǎn)生磁梯度場、旋轉(zhuǎn)磁場和擺動(dòng)磁場,并通過實(shí)驗(yàn)測試磁場的真實(shí)情況。最后,開展多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究。基于之前建立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),制作多種參數(shù)的多重推進(jìn)式磁微機(jī)器人,并開展不同尺寸參數(shù)下的微機(jī)器人在各種磁場驅(qū)動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)獲得的關(guān)于微機(jī)器人的相關(guān)性能結(jié)果,并將其與理論計(jì)算結(jié)果相比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場或擺動(dòng)磁場的驅(qū)動(dòng)下,更適用于在粘性較高的甘油等液體中運(yùn)動(dòng),而在磁梯度場的驅(qū)動(dòng)下,更適用于在粘性比較低的液體中運(yùn)動(dòng)。在粘性多變的復(fù)雜液體環(huán)境中,本文提出的多重推進(jìn)式鞭毛泳動(dòng)磁微機(jī)器人適應(yīng)能力更強(qiáng)。
[Abstract]:Microrobots play a more and more important role in biomedical engineering and micro-nano manufacturing such as targeted drug delivery, microsurgery and micro-nano operation, and have great potential for development. Compared with spiral micro robot, flagellum micro robot has the advantages of simple structure and good flexibility. However, the current flagellum magnetic microrobot drive mode is single, usually can only be driven by a single propulsion mode, so the environmental adaptability is poor. Because of the complex and changeable working environment of micro-robot in biomedical and micro-nano manufacturing fields, it is of great significance to study multi-propulsion micro-robot with strong environmental adaptability. In this paper, a multi-push flagellated swimming microrobot is proposed, which can be driven forward by magnetic gradient field, rotating magnetic field and oscillating magnetic field, respectively. The dynamic models of magnetic microrobot under three kinds of magnetic propulsion modes in liquid environment are established, and the control strategy of the micro robot is proposed on the basis of establishing a magnetic drive system suitable for multiple propulsion coils. The experimental study of multi-push flagellum swimming-magnetic micro-robot was carried out. Firstly, a multi-push micro-robot for flagellating swimming is proposed. Based on the theory of fluid resistance in liquid environment and the characteristics of magnetic field, the dynamic models of flagellated swimming magnetic microrobot under magnetic gradient field, rotating magnetic field and oscillating magnetic field are established respectively. On this basis, the effects of parameters such as flagellum shape size, elastic modulus and flagellum inclination angle on the motion speed and energy conversion efficiency of the micro robot are analyzed. The deformation law of flagella driven by different magnetic fields was obtained by simulation. Secondly, according to the characteristics of multi-push flagellated swimming microrobot, a driving module is constructed for this kind of microrobot. Based on the Helmholtz coil drive system, an effective conversion module is added, so that the traditional Helmholtz coil can also produce gradient magnetic field to meet the need of multiple propulsion of the magnetic micro-robot. The generation methods of magnetic field are analyzed and compared, and the distribution characteristics of magnetic field are obtained by using the COMSOL software of multi-physical field simulation. According to the simulation results, a corresponding control program is developed to generate magnetic gradient field, rotating magnetic field and oscillating magnetic field respectively, and the real situation of the magnetic field is tested by experiments. Finally, the experimental study of multi-push flagellum swimming micro-robot is carried out. Based on the previously established drive system, the multi-push magnetic microrobot with various parameters is fabricated, and the experimental study of the micro-robot driven by various magnetic fields with different parameters is carried out. The experimental results about the correlation energy of the micro robot are compared with the theoretical results. The experimental results show that, driven by rotating magnetic field or swinging magnetic field, multi-push flagellated swimming microrobot is more suitable for moving in glycerol with higher viscosity, but driven by magnetic gradient field. It is more suitable for moving in liquid with lower viscosity. In the complex liquid environment with variable viscosity, the multi-push flagellated swimming magnetic micro robot proposed in this paper has better adaptability.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2316022