管内微型游动机器人驱动控制及定位技术研究

论文摘要

微型磁控游动机器人具有体积小、响应快、能耗低、性能可靠等特点,在生物医学工程领域具有广阔的应用前景,如用来实现体内介入治疗。 目前,体内介入治疗是外科诊疗与手术发展的必然趋势,其具有微创、无痛苦、治疗费用低等特点,而在管内微机器人的特性测试阶段,采用良好的驱动技术与定位方法尤为重要。基于所研究的微机器人,本文在这两方面提出了实用的解决办法。 本文首先对双面磁致伸缩薄膜(GMF)的特性进行了介绍,依据仿生游动机理建立了微型游动机器人的运动方程,提出了组合线圈的方案完成对微型机器人的驱动,对组合线圈进行了功率优化以及内部磁场均匀化,同时完成其驱动控制电路的研制。 然后,本文提出了采用超声波测距原理,实现微型机器人管道内部在线定位的技术方案,对微型机器人管内超声波定位原理进行了分析,完成了超声波传感器的驱动、接收等模拟电路的设计与开发,文中具体采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)完成了超声波定位数字部分的计时、控制等电路的研制,采用超高速硬件电路描述语言(VHDL)编程以及电路图编辑相结合的方式完成CPLD部分的系统开发,并对管内微型机器人定位系统的精度进行了分析。 最后在研制的磁场环境下,进行了机器人游动与定位实验,结果表明组合线圈磁场驱动系统具有功耗低、磁场均匀化程度高、实验可操作性好等优点。超声波定位系统的定位精度满足要求,本文提出的组合线圈及其驱动电路构成微型机器人驱动系统方案切实可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 游动微机器人国内外的研究现状
• 1.1.1 国外研究现状
• 1.1.2 国内发展现状
• 1.2 研究现状分析
• 1.2.1 面临的问题
• 1.2.2 涉及的相关技术
• 1.2.3 发展前景与未来趋势
• 1.3 课题的研究意义及主要研究内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 应用价值
• 1.3.3 研究内容
• 2 微机器人结构与运动机理
• 2.1 超磁致伸缩薄膜简介
• 2.2 微机器人的结构与运动机理
• 2.2.1 微机器人的结构
• 2.2.2 微机器人驱动实验系统
• 2.2.3 微机器人的运动机理
• 2.2.4 仿鱼类波状运动的力学模型
• 3 驱动系统设计实现
• 3.1 微机器人的驱动线圈的设计要求
• 3.2 驱动线圈的优化与均匀化设计
• 3.2.1 线圈的功率优化分析
• 3.2.2 线圈磁场强度的均匀化分析
• 3.2.3 线圈的优化设计
• 3.3 驱动线圈控制电路设计
• 4 超声定位系统设计实现
• 4.1 超声波定位原理
• 4.2 机器人结构设计
• 4.3 总体电路设计
• 4.3.1 总体设计方案
• 4.3.2 传感器驱动接收电路模块
• 4.3.3 CPLD电路模块
• 5 实验及数据分析
• 5.1 驱动线圈的磁场验证
• 5.1.1 线圈磁场强度的计算
• 5.1.2 线圈磁场特性的实验验证
• 5.2 超声波定位电路实验
• 5.3 调试及实验操作相关问题
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录A 驱动线圈控制电路原理图
• 附录B 超声波传感器的驱动接收电路原理图
• 附录C CPLD内部电路原理图
• 附录D CPLD外接电路原理图
• 攻读硕士期间发表的论文与获奖情况
• 致谢
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