仿趋磁细菌的微型机器人研究pdf,仿趋磁细菌的微型机器人研究148机器人2009年3月信号送入 MICRFI02射频发射电路,经 MICRFI02机器人处于静止状态.调节方波发生器,使射频发调制到315MHz并发射出去, MICRFO0O7接收MI-射系统发射出一定频率和占空比的方波信号,此时CRHl02发射的方波信号,解调并反相后驱动压控微型机器人体内的射频接收电路板接收方波信号并开关管导通或截止,控制微型机器人体内电杋回路搾制微型电机的转动,从而带动螺旋结构一起旋转,的导通或截止螺旋结构和液体的相互作用可产生轴向驱动力F,23导向磁场系统推动微型机器人前进完成微犁机器人运动无缆控制的同时,通过计3.2微型机器人的姿态调整算机处理系统、导向磁场系统以及微型机器人体内当微型机器人的前进方向和期望方向不一致的永磁块完成微型机器人姿态的无缆控制.导向磁时,调节导向磁场方向为期望方向,在其作用下,微场系统由三组互相正交的亥姆霍兹线圈和三组高精型机器人体内的永磁块产生磁转矩Tm,使微型机器度程控电流源组成,如图3所示.通过调整三组高人转向期望方向,最终使其沿着期望轨迹运动.这凊度程控申流源的输岀电流的大小和方向,亥姆霍种方法操作简单,并能有效地控制微型机器人的姿兹线圈可产生大小和方向均连续可调的均匀磁场.态所设计的导向磁场系统可产生~10mT连续可调、3.3微型机器人的速度控制方向任意可调的均匀磁场,外导向磁场为均匀憾场,调节发射端方波信号的占空比,微型机器人接对微型机器人只有导向的作用收端驱动压控开关管的方波的占空比随之改变,这样微型电机回路通电断电的时间发生了变化,向微型电机提供的平均电枢电压发生了变化,从而使微型电杋输岀的負载转矩和转速得到了调节,最终调整螺旋桨在液体中的旋转速度,改变了微型机器人的运动速度4实验研究( Experimental research)为了验证微型机器人驱动系统设计方案的正确性和可行性,我们研制岀仿趋憾细菌微型机器人原理样机,如图4所示.其直径为12mm,长度为40mm,尾部为三叶螺旋桨.内部结构布置如图2,图3导向磁场系统其中体内微型电机采用永磁直流微型电机,型号为Fig 3 The system of guiding magnetic fieldCK6AL13-09型,其直径为6mm,长度为10mm,使用电压范围为0.8~2.4V,额定电瓜为1.3V.微3微型机器人的运行机理( The locomotion型机器人内部分两组供电,射频接收电路板用2节mechanism of the micro-robotMaxell公司的3V扣式电池CR1025供电,微型电由于管道曲折复杂,大多微型机器人是靠接触机利用一节 Maxell公司的1.5V扣式电池LRll30面的自然约束来实现姿态的改变,属于姿态的被动供电.微型机器人本体质量为7.07g,密度为17改变.仿趋磁细菌的微型机器人可以实现姿态的主g/cm动改变,其动作行为由射频发射系统和导向磁场系采用密度和微型机器人相近的泵汕作为微型机统进行复合控制器人的实验环境,在方波信号频率为1kHz的条件3.1微型机器人的前进运动下,实验研究了射频发射系统方波占空比的改变对首先,打开射频发射系统开关使其处于待工作黴型机器人运动速度的影响以及导向磁场控制下徼状态,打开微型机器人的开关使其处于工作状态.型机器人的转向特性,并对微型机器人的实验过程然后将微型机器人置入所需检测的管道,加入导向进行了录像.通过对录像的逐帧分析,就可得到微憾场,并调节磁场强度的大小和方冋,在磁转矩的型杋器人的运动轨迹.根据微型机器人运行位移和作用下,微型机器人轴向方向最终和磁场方一致,运行时间,就可得到其运行速度.微型机器人运动即调整微型机器人初始姿态为期望姿态,此时微型速度和方波占空比的关系如图5所小,图中“■”为第31卷第2期杨岑玉等:仿趋磁细菌的微型机器人研究149实验数据,实线为实验数据的拟合曲线.由于微型当运行到007m时,去掉x轴方向的均匀碰场,同机器人体内驱动压控开关管的方波信号和射频发射时加入半行于y轴的均匀磁场,完成微型机器人的系统的方波信号反相,所以微型电机两端的平均电转向控制.微型机器人在实验中转向时重心的运动枢电压和发射的方波信号占空比成反比关系.从图轨迹如图6所示,图中“O”为实验数据,实线为实5可以看山,微型杋器人的运行速度也随着方波占验数据的拟合曲线.转弯运动吋的运动速度如图7空比的增加呈单调的递减关系,因此可以通过改变所示,图中“”和“◆”为实验数据,实线为实验数所发射方波占空比的方法来改变微型机器人的运行据的拟合曲线.从图中可以看出微型机器人用了2s速度.由图可知,在方波占空比为20%时,其速度可的时间完成了转弯运动,转弯半径为13mm.通过达到66mm/s,同时,还在方波信号频率为1kHz、定性实验研究表明,随着磁场强度的增加,转弯半占空比为50%条件下,通过实验获知微型机器人可径减小连续工作25min左右0.1x轴方向位移/m图6微型机器人转向吋重心的运动轨迹图4微型机器人样机Fig 6 Barycenter trajectory of the micro-robot during turningFig 4 ProTotype of the nicro-robot0.10.08一沿x轴的速度0.08◆沿y轴的速度0.060.040.04搬0020.020.01000.2040.60.80.02方波占空比6时间图5发射端方波占窄比的改变对徵型机器人速度的影响Fig.5 The influence of the duty cycle of the square wave on图7微型机器人转向时的运动速度Fig 7 Turning velocity of the micro-robotvelocity of the micro-robot此外,在一个装着泉油的直角玻璃器皿中进行5结论( Conclusion)了微型机器人水平面转弯90的运动实验,图6中借鉴趋磁细菌的运动方式,提出了一种主动螺的虚线为器皿的截血图.本实验中,改置方波信号旋推进结合外磁场姿态控制的仿趋磁细菌的微型机频率为1kHz,占空比为50%,磁场强度为20Gs.器人.利用该微型机器人体外及体内无线射频收发定义x轴、y轴分别平行于器皿的直角边(如图6),模块控制其启动、停止和运动速度,利用体内的并以起始时微型机器人的重心位置为坐标原点.首憾块和外部导向磁场的耦合作用控制其运动方向先加入平行于τ轴的均匀磁场,调整徴型机器人的实验表明可通过改变方波信号的占空比实现徴型机初始姿态,然后发射方波信号,使微型机器人运行,器人运行速度的控制,通过改变磁场方向实现其转150机器人2009年3月的灵活控制.该微型机器人在一定程度上解决了[7] Ishiyama K, Sendoh m, Yamazaki a.,eat! Swimming micro机器人体积微型化与运动灵活性之间的犭盾.但微machine driven by magnetic torque[J]. Sensors and Actuators型机器人体内电池和微型电机的重量偏大,致使其A: Physica,2001,9(1-2):141-144.本体密度过人,从而限制了其应用范闱.随着高容[8 Sendoh M, Ishiyama K, Arai K I. Fabrication of magnetic actator for use in a capsule endoscope[J]. IEEE Transactions on量微型电池的出现和微特电杌的发展,仿趋磁绀菌Magnetics,2003,39(5):3232~3234.的微型机器人可在非磁性细小管路的探测中发挥重9 I Mei t, Chen y,FuGQ.eta. wireless drive and control of a要作用.下一步会针对微型机器人在特定环境中运wimming microrobot[A]. Proceedings of the IEEF Conference行时可能遇到的情况,比如进入人体诊疗时是否会on Robotics and Automation[C]. Piscataway, NJ, USA: IEEE,2002.113l~136.对肠道产牛损伤,在细小管道中探测时是否会出现1o白烨,杨明,王秋良,等磁导航外科于术模型系统设计和椪壁等情况,进行深入的分析和研究,并构健其动建造凹.北京生物医学工程,2006,25(3):261~264,315力学模型,设计其控制策略,进一步完善我们的工Bai Ye, Yang ming, Wang Qiu-liang et al. The design and作,fabrication of a model magnctic stereotaxis system[J. BcijingBiomedical Engineering, 2006, 25(3): 261-264, 315参考文献( References)1]张永顺,李海亮,王惠颖,等.超磁致伸缩薄膜驱动仿生游[1] Peirs J, Reynaerts D, Van Brussel H. 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