介入诊疗游动机器人的运动仿真与控制系统研究

论文摘要

随着生物工程、微电子机械技术(MEMS)的发展和微系统加工技术的成熟,用于介入诊疗手术的介入机器人,已经成为国内外研究的热点问题。游动微型机器人由于非接触、无摩擦,能源利用率高的优点,成为国内外介入机器人研究的重要选择之一。本文对在液体中运动微机器人的研究现状和主要研究问题进行了深入分析,设计出一种新型游动微型机器人。该机器人以四根刚性螺旋柱为推进器,在运动过程中,调整螺旋柱的旋向,来实现机器人轴向和周向推进力的协同与组合,最终实现机器人的前进、后退和转向。论文首先对游动微型机器人的驱动方案进行了分析与设计,在此基础上,设计了游动微型机器人的外形以及主体结构,对机器人在流体中的静态平衡及密封等问题进行了综合考虑。在机器人结构设计的基础上,建立了游动微型机器人的数学模型和血流动力学模型,对游动微型机器人在管道中的受力进行了分析,利用CFD中的Fluent软件对动脉流场中游动微型机器人的运动进行仿真分析。为了实现游动微型机器人的有效运动控制,设计了机器人的控制系统。控制系统的设计从控制系统的软硬件以及体系结构入手。硬件设计的任务是设计出满足游动微机器人控制需要的数字控制器硬件,包括处理器的选择和必要的外围接口设计,软件设计包括上位机监控软件设计以及下位机DSP控制软件设计。最后,对游动微型机器人的运行机理进行实验研究。制作了游动微型机器人的原理样机,验证了机器人的运行机理,同时研究了驱动参数和外部的环境对游动机器人运动的影响。根据实验结果,优化了机器人的控制性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 仿生蠕动机器人研究现状
• 1.2.2 仿生游动机器人研究现状
• 1.3 介入诊疗机器人面临问题
• 1.4 本文的主要研究工作
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 游动机器人的总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 总体设计性能要求
• 2.3 游动机器人的工作原理
• 2.3.1 驱动模式的选择
• 2.3.2 机器人的能源供给方式
• 2.4 游动机器人的机构设计
• 2.4.1 游动机器人的外形结构设计
• 2.4.2 壳体材料的选择
• 2.4.3 游动机器人的推进部分的设计
• 2.4.4 密封设计
• 2.5 游动机器人的整体设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 游动机器人的仿真建模以及运动分析
• 3.1 引言
• 3.2 游动机器人的数学模型
• 3.3 流场的数学模型
• 3.3.1 血管的力学特性
• 3.3.2 血液的流变特性
• 3.3.3 脉动流的产生
• 3.4 游动机器人流体阻力计算模型
• 3.5 基于CFD 的游动机器人的仿真
• 3.5.1 CFD 软件简介
• 3.5.2 FLUENT 软件简介
• 3.5.3 几何建模
• 3.5.4 仿真与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 游动机器人的控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 游动机器人系统控制原理
• 4.3 系统的硬件设计
• 4.3.1 电机驱动模块
• 4.3.2 PID 控制
• 4.3.3 数字PID 控制算法
• 4.3.4 PID 仿真分析
• 4.3.5 主控芯片的性能
• 4.3.6 驱动电路设计
• 4.3.7 通信模块
• 4.3.8 电源模块
• 4.4 系统的软件设计
• 4.4.1 上位机软件设计
• 4.4.2 底层软件设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 游动机器人运行实验与分析
• 5.1 引言
• 5.2 游动机器人的样机制作和运行环境
• 5.3 游动机器人直线及转向运动实验
• 5.4 电机驱动参数对机器人运动速度的影响
• 5.4.1 硬件电路的测试
• 5.4.2 不同驱动参数与速度的关系
• 5.5 不同环境介质下的速度关系
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作及总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文