【摘要】：低強(qiáng)度電磁場無線操控的微型機(jī)器人由于其體積小,可以在狹小空間內(nèi)運(yùn)動(dòng),完成復(fù)雜的作業(yè)操作,在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面有巨大潛力。經(jīng)歷十幾年的發(fā)展,國內(nèi)外在電磁場操控微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方面已開展了大量研究。然而現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)操控技術(shù)多在理想的條件下完成,未考慮來自自身重力和邊界的擾動(dòng),且缺少有效的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案。本課題旨在要建立一個(gè)穩(wěn)定的自動(dòng)化操控方案,高效地規(guī)劃微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和達(dá)到亞毫米級的操控精度,同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性。首先,利用自制的三軸亥姆霍茲電磁線圈和相機(jī),建立了一種微型機(jī)器人定位和運(yùn)動(dòng)控制方案。基于天然成螺旋狀的柔性植物纖維制備成螺旋形機(jī)器人,在其表面附著磁性Fe_3O_4納米顆粒,并分析其在平面上的游動(dòng)的特性。本課題研究該微型機(jī)器人在游動(dòng)過程中的彎曲形變特性,發(fā)現(xiàn)這種形變帶來游動(dòng)速度的提升,同時(shí)建立了彎曲形變后的游動(dòng)理論模型。其次,建立了一種平面復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案和一種穩(wěn)定的平面運(yùn)動(dòng)控制方法。本課題把基于采樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法應(yīng)用到微型機(jī)器人所處的狹小受限環(huán)境,規(guī)劃出可行的運(yùn)動(dòng)路徑,并對比了不同運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的搜索效率;利用極限學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與驅(qū)動(dòng)磁場旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)系模型,將滑模變結(jié)構(gòu)理論與PI控制相結(jié)合形成運(yùn)動(dòng)控制器,并分析了控制方法的穩(wěn)定性。為解決輸入信號跳變帶來的控制器飽和問題,引入神經(jīng)元濾波模型平滑輸入信號。最后,建立了一種在空間中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的方案和一種穩(wěn)定的空間運(yùn)動(dòng)控制方法。本課題采用基于優(yōu)化采樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法,在空間中規(guī)劃可行路徑,解決搜索高維空間帶來的計(jì)算量大的問題。設(shè)計(jì)了一種離線的學(xué)習(xí)模型和一種在線學(xué)習(xí)模型來近似微型機(jī)器人在空間的運(yùn)動(dòng),離線學(xué)習(xí)模型采用誤差反向傳播來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù),在線學(xué)習(xí)模型可以在線更新模型參數(shù),解決離線方法估計(jì)誤差大的問題。同時(shí)設(shè)計(jì)了解耦的運(yùn)動(dòng)控制器,并基于李雅普諾理論進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。綜上所述,基于自制的電磁驅(qū)動(dòng)平臺,本課題實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)器人的自動(dòng)化操控,達(dá)到了亞毫米級的操控精度,為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的靶向運(yùn)輸任務(wù)奠定了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242

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本文編號：2663453