胶囊式微型机器人磁驱动特性的研究

论文摘要

微型管道机器人具有体积小、响应快、耗能低等特点。采用无缆驱动方式,可提高其可靠性与实用性。无缆驱动的体内医疗微型机器人利用人体管腔和液体介质在人体内行走,以实现诊断、治疗和手术等作业。本文提出了靠径向磁化的圆筒形NdFeB永磁体作外驱动器,由变频调速的电机带动其转动产生旋转磁场,驱动表面具有螺旋结构,体内嵌有与外驱动器同磁极数结构的NdFeB内驱动器的胶囊式微型机器人游动的无缆驱动方法。首先阐述了微机器人的驱动原理和游动机理,利用有限元软件ANSYS的电磁模块对外驱动器的磁场特性进行了仿真分析;基于等效磁荷理论和磁库伦定律建立了普遍偏心状态下外驱动器与微机器人的磁驱动力矩和轴向磁拉力的数学模型,并利用MATLAB对模型与外驱动器结构参数的关系进行了验证分析;然后基于永磁魔环技术对外驱动器磁极磁化方向的改进方案进行了探讨。为了提高机器人在不同游动环境的适应能力,提高磁驱动效率,根据离心原理研制了具有径向间隙自补偿功能机器人样机。本文最后进行了磁力特性与游动特性等实验研究,结果表明基于等效磁荷理论和磁库伦定律建立的磁驱动力矩和轴向磁拉力模型可以有效的描述磁力特性。磁检测结果表明基于有限元法的磁场仿真分析精度较高,得出的外驱动器磁场分布规律对磁场结构的优化与改进具有指导作用。游动实验表明机器人新样机在不同的转速下实现了径向间隙的有效补偿,显著提高了机器人在大间隙柔弹性环境内的驱动能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型医疗机器人驱动方式的研究现状
• 1.2.1 胃肠蠕动推进式胶囊内窥镜机器人
• 1.2.2 自蠕动式微型机器人
• 1.2.3 螺旋驱动的微型机器人
• 1.2.4 仿生鱼游动式微型机器人
• 1.2.5 电磁线圈驱动的微型机器人
• 1.3 研究现状分析
• 1.4 课题的研究意义和主要研究内容
• 2 胶囊式微型机器人的外磁场驱动原理
• 2.1 引言
• 2.2 旋转驱动磁场的生成原理
• 2.3 微型机器人的游动机理
• 2.5 小结
• 3 磁驱动器磁特性的有限元仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 驱动器磁材料的选择
• 3.3 内、外驱动器磁极的配置方式
• 3.4 磁场分析步骤以及注意事项
• 3.5 外驱动器磁特性的仿真分析
• 3.5.1 NdFeB瓦片的磁特性分析
• 3.5.2 旋转磁场的磁特性分析
• 3.6 小结
• 4 微机器人的磁力特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 等效磁荷理论和磁库仑定律简介
• 4.3 微机器人磁驱动力矩特性的研究
• 4.3.1 磁驱动力矩数学模型的建立
• 4.3.2 磁驱动力矩与外驱动器结构参数关系的仿真分析
• 4.4 微机器人轴向磁拉力特性的研究
• 4.4.1 轴向磁拉力数学模型的建立
• 4.4.2 轴向磁拉力与外驱动器结构参数关系的仿真分析
• 4.5 小结
• 5 外驱动器磁化方向的改进
• 5.1 引言
• 5.2 永磁魔环简介
• 5.3 磁场属性的对比分析
• 5.4 小结
• 6 实验
• 6.1 验证有限元仿真结果实验
• 6.1.1 永磁体瓦片表面磁感应强度的测量
• 6.1.2 外驱动器中心气隙处磁感应强度的测量
• 6.2 微机器人磁力模型的验证
• 6.2.1 磁驱动力矩的测量
• 6.2.2 轴向磁拉力的测量
• 6.3 样机径向间隙补偿实验
• 6.3.1 技术方案选择
• 6.3.2 微型机器人新样机模型及原理实现简介
• 6.3.3 微机器人样机模型的游动实验
• 6.3.4 径向膨胀实验小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢