电磁场驱动微型机器人的自动化操控研究

发布时间：2020-05-14 13:55

【摘要】：低强度电磁场无线操控的微型机器人由于其体积小,可以在狭小空间内运动,完成复杂的作业操作,在生物医学应用方面有巨大潜力。经历十几年的发展,国内外在电磁场操控微型机器人运动控制方面已开展了大量研究。然而现有的运动操控技术多在理想的条件下完成,未考虑来自自身重力和边界的扰动,且缺少有效的运动规划方案。本课题旨在要建立一个稳定的自动化操控方案,高效地规划微型机器人的运动和达到亚毫米级的操控精度,同时保证运动控制的稳定性。首先,利用自制的三轴亥姆霍兹电磁线圈和相机,建立了一种微型机器人定位和运动控制方案。基于天然成螺旋状的柔性植物纤维制备成螺旋形机器人,在其表面附着磁性Fe_3O_4纳米颗粒,并分析其在平面上的游动的特性。本课题研究该微型机器人在游动过程中的弯曲形变特性,发现这种形变带来游动速度的提升,同时建立了弯曲形变后的游动理论模型。其次,建立了一种平面复杂环境下的运动规划方案和一种稳定的平面运动控制方法。本课题把基于采样的运动规划方法应用到微型机器人所处的狭小受限环境,规划出可行的运动路径,并对比了不同运动规划方法的搜索效率;利用极限学习网络估计微型机器人的运动方向与驱动磁场旋转轴的关系模型,将滑模变结构理论与PI控制相结合形成运动控制器,并分析了控制方法的稳定性。为解决输入信号跳变带来的控制器饱和问题,引入神经元滤波模型平滑输入信号。最后,建立了一种在空间中进行运动规划的方案和一种稳定的空间运动控制方法。本课题采用基于优化采样的运动规划方法,在空间中规划可行路径,解决搜索高维空间带来的计算量大的问题。设计了一种离线的学习模型和一种在线学习模型来近似微型机器人在空间的运动,离线学习模型采用误差反向传播来优化网络参数,在线学习模型可以在线更新模型参数,解决离线方法估计误差大的问题。同时设计了解耦的运动控制器,并基于李雅普诺理论进行了稳定性分析。综上所述,基于自制的电磁驱动平台,本课题实现了微型机器人的自动化操控,达到了亚毫米级的操控精度,为生物医学领域中的靶向运输任务奠定了运动规划和精准运动控制的技术基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨卓镭;;体腔内部清理微型机器人[J];科学启蒙;2019年Z2期

2 ;微型机器人在血管中游泳[J];大数据时代;2017年04期

3 ;科学家模仿蛋白质重叠结构发明了微型机器人[J];工业设计;2013年12期

4 戴台鹏;;微型机器人净化废水[J];黄金;2016年06期

5 克里斯提那·格里凡蒂尼;;超微型机器人修复人体组织[J];机电一体化;2013年02期

6 黄绒;;“机器人+”背景下如何培养学生学习微型机器人的兴趣[J];现代职业教育;2018年13期

7 文彬彬;;美将建造暗能量光谱仪[J];科学大观园;2016年22期

8 胡怀志;;运动了多少圈[J];中学生数学;2017年08期

9 黄春芳;王丽璇;;微型机器人——步兵班的新装具[J];国外坦克;2015年10期

10 蔡立斌;;基于有限元的微型机器人足部仿真分析[J];制造业自动化;2012年18期

相关会议论文 前9条

1 梁亮;彭辉;甘敏;;医用微型机器人动力学建模和螺旋槽参数优化研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

2 阮瑞卿;贾庆轩;孙汉旭;宋义刚;宋荆洲;张号;;基于环幕的空间微型机器人任务视景仿真系统[A];2006年首届ICT大会信息、知识、智能及其转换理论第一次高峰论坛会议论文集[C];2006年

3 张代兵;谭红力;;一种微型机器人局域网(RAN)的设计[A];首届信息获取与处理学术会议论文集[C];2003年

4 张代兵;谭红力;潘献飞;;蛇形机器人的分布式控制实现[A];全国第十五届计算机科学与技术应用学术会议论文集[C];2003年

5 石峰;;基于智能界面的微驱动控制关键技术及应用研究[A];中国化学会第十四届胶体与界面化学会议论文摘要集-第1分会：表面界面与纳米结构材料[C];2013年

6 李德胜;陶隽源;张鹏飞;;微型机器人位置检测传感器阵列[A];中国仪器仪表学会第五届青年学术会议论文集[C];2003年

7 封淑玲;;传感器在医学领域的应用研究[A];2017年博鳌医药论坛论文集[C];2017年

8 王海翔;孙萍;;微机械和微机器人研究的最新进展[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集（上）[C];2001年

9 刘伟庭;李霏;傅新;Paolo Dario;;基于三维微纳操控技术的人工微纤毛感受器制备[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 刘肖勇 通讯员 严PrPr;深圳先进院徐天添：助“蚁人”入体内治病，让科幻照进现实[N];广东科技报;2019年

2 深圳特区报记者 闻坤;柔性微型机器人进入体内治病[N];深圳特区报;2019年

3 记者 刘霞;智能微型机器人可随周围环境“变身”[N];科技日报;2019年

4 Patrick Nelson 编译 Charles;自组织微型机器人将很快涌入工业物联网领域[N];计算机世界;2019年

5 本报记者 张佳星;放个微型机器人 让细胞“指哪打哪”[N];科技日报;2018年

6 记者 王怡;光驱动微型机器人问世[N];科技日报;2015年

7 都世民;微型机器人神通广[N];中国航天报;2000年

8 记者 王海蕴;胶囊医疗微型机器人取得突破性进展[N];中国高新技术产业导报;2009年

9 新华社专电;美国发明仿蜗牛微型机器人[N];新华每日电讯;2004年

10 记者董映璧;俄提出微型机器人团控制新方案[N];科技日报;2003年

相关博士学位论文 前5条

1 刘佳;电磁场驱动微型机器人的自动化操控研究[D];中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院);2019年

2 于莲芝;呼吸参数直接监测仿生微型机器人系统关键技术与实验研究[D];上海交通大学;2007年

3 马官营;人体肠道诊查微型机器人系统及其无线供能技术研究[D];上海交通大学;2008年

4 高鹏;结肠微型机器人关键技术及实验研究[D];上海交通大学;2012年

5 何斌;医用微型机器人动力学建模及其行为智能控制研究[D];浙江大学;2001年

相关硕士学位论文 前10条

1 关雁铭;微型机器人在低雷诺数液体中的特性研究以及IBVS路径跟随的实现[D];中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院);2018年

2 穆晓枫;仿蝌蚪游动微型机器人的研究[D];浙江大学;2004年

3 范祖台;无线供能微型机器人的研究[D];辽宁工程技术大学;2015年

4 吉星春;基于无线供能的肠道微型机器人诊查系统研究[D];上海交通大学;2014年

5 于宏海;径向间隙自补偿胶囊微型机器人的研究[D];大连理工大学;2008年

6 陈伟;基于全局视觉的微型机器人运动轨迹检测及控制的研究[D];北京工业大学;2009年

7 李治贵;胶囊式微型机器人磁驱动特性的研究[D];大连理工大学;2008年

8 陈彬;体内医疗环境下的球形囊状微型机器人的无线供能系统研究与实现[D];上海交通大学;2008年

9 于克龙;微型泳动机器人理论及实验研究[D];浙江大学;2005年

10 胡忠文;微型机器人螺旋驱动机理研究[D];浙江大学;2005年

，

本文编号：2663453