（机械电子工程专业论文）移动旋转磁场驱动的微型管道机器人的研究.pdf

哈尔滨下程大学硕十学位论文 摘要 微型管道机器人是为了满足管道检测、维护任务而出现的。由于受到空 间条件的限制，机器人的机械机构必须简单可靠，而且驱动能量转换效率高。 磁控微型机器人正是满足上述需要发展起来的。 磁控微型机器人的运动方式主要有以下几种：游动式，旋进式，蠕动式。 目前磁控微型管道机器人受机器人本体形状和能源供给的限制，存在不能实 现双向行走、机器人本体会对管壁造成伤害、以及运动速度过慢等问题。 本文研究了一种表面不带螺纹的胶囊型微型管道机器人，依靠外部锥型 的旋转磁场驱动机器入本体内的钕铁硼永磁体实现机器人的旋进式运动。基 于亥姆霍兹线圈能够产生均匀磁场及磁场矢量叠加原理，提出了利用轴线相 互正交的两组亥姆霍兹线圈与螺线管线圈组合形成组合驱动线圈，通过给两 组亥姆霍兹线圈通入一定幅值和频率的交流电，螺线管线圈通入直流电形成 锥型旋转磁场，由锥形旋转磁场实现对机器人的外部磁场驱动。 这是一种无缆驱动方式，其结构简单，运动速度快，可以实现双向运动， 并且可以避免机器人本体与管壁接触对管壁造成伤害。 论文对机器人的本体设计、驱动磁场形成的原理、在建立线圈磁感应强 度数学模型的基础上对线圈设计所要考虑的磁场的品质( 磁场强度、磁场均 匀度、功率损耗) 等进行了分析，为组合线圈的优化设计提供了依据，并用 a n s y s 软件对设计的亥姆霍兹线圈进行了仿真，依据分析结果设计了组合驱 动线圈实物。 最后通过一系列实验验证了机器人的运动性能。实验结果表明，该机器 人具有较好的运动性能。实现了基于锥型旋转磁场驱动的表面不带螺纹的微 型管道机器人的无缆驱动控制。 关键词：胶囊式微型管道机器人；亥姆霍兹线圈；锥型旋转磁场 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t m i c r oi n - p i p er o b o ti sd e v e l o p e df o rp i p e l i n ed e t e c t i o na n dm a i n t e n a n c e b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fs p a c e ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fr o b o tm u s tb e s i m p l ea n dr e l i a b l ea n dt h er o b o ts h o u l dh a v eh i g he f f i c i e n c yo fd r i v i n ge n e r g y c o n v e r s i o n t h em i c r or o b o td r i v e nb ym a g n e t i cf i e l dj u s t d e v e l o pt om e e tt h e n e e d sm e n t i o n e da b o v e t h em a i nm o v i n gm o t i o n so ft h em i c r or o b o td r i v e nb ym a g n e t i cf i e l da r e w a n d e r i n g ，p r o c e s s i o n ，a n dp e r i s t a l s i s b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o ni nb o d ys h a p ea n d e n e r g ys u p p l y ，t h em i c r or o b o td r i v e nb ym a g n e t i cf i e l dh a ss o m es h o r t c o m i n g s s u c ha sn ow a yt or e a l i z eb i d i r e c t i o n a lm o v e ，t h ed a m a g et ot h ep i p ew a l lm a d eb y t h er o b o tb o d y , l o wv e l o c i t ya n ds oo n i nt h i sp a p e r , ac a p s u l em i c r o i n - p i p er o b o tw h o s es u r f a c ew i t h o u ts c r e wl i n e d r i v e nb yo u t s i d em a g n e t i cf i e l di sd e v e l o p e d t h er o b o tr e a l i z e st h er e v o l v i n gb y m e a n so ft h ei n n e rn d f e br e v o l v i n gw h i c hi sd r i v e nb yo u t s i d e m a g n e t i c f i e l d o nt h eb a s i so ft h et h e o r yt h a th e l m h o l t zc o i l sc a ng e n e r a t eu n i f o r m m a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l dv e c t o ra d d i t i o n ，t h ed r i v i n gc o i lg r o u pw h i c hi s m a d eb yt w oa x e s p e r p e n d i c u l a rh e l m h o l t zc o i lg r o u pa n ds o l e n o i dc o i li s d e s i g n e d t h ec o n i n gr o t a t i o n a lm a g n e t i cf i e l di sc r e a t e db yt h ew a yo fl o a d i n g a l t e m a t i n gc u r r e n tw i t hf i x e da m p l i t u d ea n df r e q u e n c yt oh e l m h o l t zc o i l sa n d d i r e c tc u r r e n tt os o l e n o i dc o i l t h er o b o ti sd r i v e nb yt h ec o n i n gr o t a t i o n a l m a g n e t i cf i e l d t h er o b o tw h o s es t r u c t u r ei ss i m p l ei sd r i v e nb yw i r e l e s sw a ya n dt h e v e l o c i t yi sq u i c k i tc a nr e a l i z eb i d i r e c t i o n a lm o v e m e n ta n dc a na v o i dt h eb o d y c o n t a c t i n gw i t ht h ep i p ew a l lw h e ni ti sm o v i n g ，s oi th a sn oh a r mt ot h ep i p e w a l l t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l e so fr o b o tb o d yd e s i g na n dd r i v i n gm a g n e t f o r m a t i o n ，a n dt h ef l u xd e n s i t yc a l c u l a t em o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h e q u a l i t yo fm a g n e t i cf i e l d ( f l u xd e n s i t y , u n i f o r m i t ya n dp o w e rl o s s ) ，w h i c h 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 p r o v i d e st h er e f e r e n c eo fc o i lo p t i m u md e s i g n i ta l s os i m u l a t e st h eh e l r n h o l t z c o i lw i t ha n s y ss o f t w a r ea n dd e s i g nt h ed r i v i n gc o i lg r o u pa c c o r d i n gt ot h e a n a l y z er e s u l t a tl a s t ，t h em o t i o np e r f o r m a n c e sa r ev e r i f i e dt h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h em i c r or o b o tf e a t u r e sw i t hg o o dm o v e m e n t p e r f o r m a n c e t h e r e f o r ean e wc o n t r o lm e t h o dw i t h o u tc a b l eo nm i c r oi n p i p e r o b o tw h o s es u r f a c ew i t h o u ts c r e wl i n ed r i v e nb yc o n i n gr o t a t i o n a lm a g n e t i cf i e l d i sr e a l i z e d k e yw o r d s ：c a p s u l em i c r oi n p i p er o b o t ；h e l m h o l t zc o i l s ；c o n i n g r o t a t i o n a l m a g n e t i cf i e l d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：钕忍研 曰期：桫i r 年弓月耖日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 自在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：辞茬娜导师( 签字) ：碉彳形上、 日期：j 卯j ：f 年弓月1 日2 阳9 年弓月曰 哈尔滨i ：程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 机器人是一种可编程的，能执行某些操作或移动动作的自动控制机械。 开发研制机器人的主要目的之一就是要代替人在危险的或人们无法到达的环 境下工作。作为一种通用作业装备这种技术是机械、电子、自动化及信息处 理技术的融合，在许多领域得到了日益广泛的应用1 。随着微纳米技术的发 展，微型机器人技术也应运而生【2 1 。但是微型机器人不可简单理解为普通机 器人的微小化。微型机器人技术隶属于微型机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 的研究领域。微型机器人技术已成为微机电系统研究的 一个重要的方向与内容u 。随着计算机技术和m e m s 技术的快速发展，机器 人技术正在向微型化和超微型化方向发展，并将在军事、航天、工业、农业 和医学等各领域得到广泛应用刚。微型机器人是指结构尺寸微小、器件精密， 可进行微细操作的机器人，具有惯性小，谐振频率高，响应时间短，集约高 技术成果，附加值高等特点。微型机器人的种类很多，目前研究的重点主要 集中在微型管道机器人、微型飞行器和微型水下机器人三个方面。 微型管道机器人是微型机器人领域的一个重要的方向。微型管道机器人 由于其自身的结构特点，在工业、航空航天、生物医学等领域都有广阔的应 用前景，在工业方面主要用于核电站、石油化工厂和热交换站、航天飞机发动 机和导弹等大量的管道探伤、维护和微小空间内的检查、维修等。微型机器 人较早的应用于医学领域，研究的目标是开发以创伤最小、能动的进入人体 腔内、可安全精细的在体内完成诊断、投药、手术等，而不伤害人的健康。 可以协助医生更及时准确的对病人进行诊断和实施手术，并有效的减轻病人 在传统医疗方法中所遭受的痛苦p 划。微型管道机器人是基于以上应用背景提 出的。它实质是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携有一种或多种传 感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一 系列管道作业的机电一体化系统。 目前，人们生活中有各种燃气管道、下水管道、自来水管道、地热管线 哈尔滨j i ：稃大学硕士学位论文 等很多管道，同时随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，空调和天然 气管道以及各种输送管道的应用也越来越多。由于年久失修，每年都要出现 大量故障，可是这些管道大多都埋在地下、或墙体内。当这些管道出现问题 或需要定期维护的时候，要花费大量的人力、物力、财力。随着机电一体化 技术的发展，以及机器人技术和管道检测技术的进一步的发展以及相互之间 的渗透程度越来越大，管道机器人担当了这个任务。在医疗方面研制出能够 在人体血管内游动的微型管道机器人将具有重要的意义和应用价值。因为血 液可以通过血管达到人体内的任何地方，从而使微型机器人可以达到人体内 的任何地方进行检查、投药、手术等医疗作业。微型机器人的使用可以减少 对人体其它完好组织的伤害，缩短康复时间，消除手术引起的副作用，降低 医疗费用，减轻患者的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理压力。就目前 各国的研究现状而言，形形色色的微型机器人被研制出来，其驱动方法也多 种多样，但是除了靠胃肠蠕动推进的胶囊内窥镜技术较为成熟外，医疗微型 机器人技术大多还处于实验室或原型开发阶段。在工业方面研究的机器人大 多采用有缆供能方式，由于有缆供能方式的缺点较多，因此研究人员也开展 了无缆机器人的研究。 近年来国内外对利用外场实现微型机器人的无线驱动均有研究，并取得 了一些进展。常见的外部能量场有微波、超声波、磁场和光波等，但由于微 波、超声波、光波等在应用上有一定的局限性。目前，对微型管道机器人的 研究国内外广泛采用外磁场驱动作为无缆驱动的一种重要形式，相应地选择 超磁致伸缩合金、铁磁橡胶和和钕铁硼( n d f e b ) 等磁性材料作驱动器。 1 2 外磁场驱动微型管道机器人研究现状 日本在面向管道检测微型机器人方面的研究最为活跃和富有代表性，日 本通产省的“微机械技术”十年计划的三大应用目标中就有两大目标与管道有 关1 ，即制造出能进入工业管道检修的微机械和在人体内部进行诊断和实行 手术的机器人。美国国家自然科学基金会将m e m s 技术列为优先支持项引引。 在欧洲，尤其是德国和法国，m e m s 技术作为前沿高科技，得到欧盟组织的 大力支持，将全微分析系统和- 心+ t - 片实验室作为研究的重点例。 2 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 微型管道机器人并不是简单地把普通机器人的微小化，微型管道机器人 是智能机器人的重点研究领域之一。国内研究起步较晚，基本处于跟踪国外 先进技术阶段。浙江大学、广东大学、大连理工大学等在外磁场驱动的管道 机器人研究方面取得了一定的成果，但也都处于实验室研究阶段叫引。目前， 靠外磁场驱动的微型机器入主要分为三种：一种是游动式微型机器人，其机 器人本体采用仿鱼形，主要依靠交变外磁场驱动机器人本体内的永磁铁运动 使连接于机器人本体尾部的薄膜板摆动提供机器人前进的驱动力。一种是旋 进式微型机器人，其机器人本体采用胶囊式，主要依靠作用于胶囊式机器人 本体内嵌永磁体在外旋转磁场驱动下带动其旋转。一种是仿蠕虫式微型机器 人，主要依靠机器人本体的磁性与外部移动线圈产生的磁场作用使机器人在 管道内产生不断变化的状态，这些变化的状态使机器在管道内像蠕虫一样运 动。 1 2 1 游动式微型机器人 ( 1 ) 基于磁致伸缩材料驱动的微型游动机器人 磁致伸缩驱动是利用磁致伸缩合金( g m a ) 的伸缩原理，即对磁致伸缩合 金通外加磁场，磁致伸缩合金的电磁方向为外加磁场方向，则沿磁场方向伸 长，沿垂直于磁场的方向收缩。采用磁致伸缩合金驱动，不仅能使机器人在 微型管道内运动，而且实现了机器人运动的无线驱动。 日本名古屋大学f u k u d a 等人利用超磁致伸缩合金作执行器研制出了两 种微型管道机器人引。一种是纵向g m a 驱动微型机器人，如图1 1 所示，为 可在直径为2 1 m m 的管内双向行走的微小机器人，为了增加轴向位移输出， 并充分利用管内轴向空间大的特点，将g m a 沿纵向放置，外激励磁场方向 也沿管轴方向。另一种是横向g m a 驱动微型机器人，如图1 2 所示，为了 使机器人微型化，将g m a 驱动器安置为与管轴垂直( 即横向) ，激励磁场也 横向作用，由于g m a 缩短，因此在一定程度上降低了g m a 的位移输出， 但机构变得简单，而且在g m a 小位移输出时即可行走。 3 哈尔滨_ 【：程大学硕十学位论文 0 图1 1 纵向g m a 驱动微型机器人图1 2 横向g m a 驱动微型机器人 大连理工大学的张永顺等跟据磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快和 能量密度高等显著特点研制了一种以管道外磁场驱动控制行走的方法，基于 振动原理实现了微型机器人行走的微型管道机器人4 1 。该机器人系统结构如 图1 3 所示，其上部是机器人外磁场系统，其结构上采用副线圈2 ( 偏置磁场 线圈) ，是为了使位移输出显著增加，导磁套筒3 是为了减少磁能损失，使管 外磁通通过套筒构成磁路。主线圈下部是机器人移动载体的结构。由于激励 线圈轴心线的磁场最强，控制器将一定频率的正弦或方波电压通过电流负反 馈功放模块在线圈中产生相同频率的时变振荡磁场，媒介于机器人上的超磁 致伸缩微驱动器的磁一机祸合作用，将振荡磁场的能量转换为直线振动，通 过机器人本体上的二级微位移放大机构将振动微位移放大到弹性腿上，弹性 腿相对管壁振动，靠摩擦力可实现机器人的行走。 图1 3 机器人结构及外磁场系统结构图 、 1 主线圈2 届0 线圈3 导磁套简 试验结果表明，超磁致伸缩驱动器有可能运用于微型机构中，尤其是管 内微型机器人的应用；机器人的移动行为表明该种机器人可应用于不同环境 中，但该机器人的结构与驱动控制较复杂。很难在微小管道中应用。 ( 2 ) 基于铁磁橡胶驱动器的微型游动机器人 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 铁磁橡胶( f m p ) 是含有纯铁粉颗粒的硅橡胶。由于f m p 含有纯铁粉，因 此具有软磁特性，即可以被磁场磁化，产生磁吸引力，当磁场撤消后又能基 本恢复无磁性状态。同时f m p 的基材是硅檬胶，具有较好的柔软性和弹性， 在外力作用下会发生较大的变形，外力撤消后又能恢复原状。 中国科学院智能研究所的梅涛等人研制了采用交变外磁场驱动的微型游 动机器人5 。1 6 1 。机器人本体长1 5 m m ，宽1 0 m m ，厚3 m m 。如图1 4 所示，微执 行器f m p 材料制作，它的尺寸为8 m m 长，2 m m 宽，0 5 m m 厚，将两个相同的微执 行器以约4 0 0 的角度粘贴在蜡本体两侧。对螺线管施加脉冲电压，使螺线管 内产生交变磁场，观察微执行器的运动情况。结果发现，微执行器随着交变 磁场的变化产生振动，推动微型机器人模型运动，改变电压的幅值，微执行 器振动幅值也随着改变。该机器人最大缺点是不能实现双向行走。 机器人本体一 图1 4 铁磁橡胶材料游动微型机器人 ( 3 ) 基于石蜡热膨胀微驱动器的微型机器人 清华大学王广振等研制了无导线微驱动烈1 7 1 。如图1 5 所示，微驱动器主 要由感应导体、石蜡、外套管、密封系统、惯性块和弹簧等组成，当把驱动 器放在磁场中时感应导体在磁场的作用下发热从而加热其周围的石蜡，石蜡 受热膨胀便会推动活塞杆快速向外运动。当磁场消失之后石蜡冷却体积减小， 活塞杆则在弹簧的作用下往回运动。在水冷时，该驱动器可以达n o 1 5 6 m m s 的运动速度。虽然速度不是很快，但由于输出力大( 最大为3 1 6 n ) ，所以其 设计方案是可行的。但它只能单向运动，运动灵活性受限。 哈尔滨工程大学硕 学位论文 口疑 i 棒l# l *$ a 0 # * i 哲s * _l * q h # 5 螬* # * 图15 石蜡热膨胀微驱动器的微型机器人结构 ( 4 ) 基于钕铁硼( n d f e b d ) 磁性材料驱动的微型机器人 n d f e b d 这种永磁体主要特点是具有高的剩磁、高的矫顽力以及大的磁能 积，且具有怠好的动态回复特性，粘结钕铁硼加工性好，尺寸精度高，可发 展小型化。在这里主要利用的是大的剩磁来产生大的转矩，在一定程度上避 开了磁路理论，简化了运算。 日本千叶大学h i d e os a o t o m e 等人研制了一种平行磁场方向液体中游动 的微执行器”。如图1 6 所示，它由两个小磁块( 材料为n d f e b ，尺寸是 0 7 m m x 07 m m x 2 m m ) ；r 和连接两小磁块的一对鱼鳍( 长2 0 m m ) 构成。两小磁块极 性相对放置，两个鳍用橡胶膜连接，小磁块可在鳍上滑动。外磁场方向平行 于游动微执行器的移动方向，当外部投有磁场时微执行器是直的当外加 直流磁场时，小磁块在磁转矩的作用下发生偏转，沿鳍滑动。当在直流磁场 基础上加一个交流磁场肘，小磁块就会保持弯曲伸展运动，从而平行于磁场 方向运动。通过改变偏置磁场强度、交流磁场的幅值、频率来观察微执行器 的速度变化，由试验可得该执行器的最大速度为3 7 n u r d s 。此微型机器人的结 构设计比较新颖，可双向行走，但在垂直方向上小机器人的运动不能控制。 磁咎够厦，鳍 d 遍鞋碰葫 图1 6 双n d f e b 驱动器游动微型机器人 日本香川大学的郭书样等人研制了鳍形管内微小机器人”“2 ”，如图1 7 所 哈尔滨工程大学硕士学位论文 示。机器人本体采用苯乙烯材料将n d f e b 小磁柱包裹构成，微型机器人的主 体呈球形。通过电磁驱动器作为伺服驱动器来实现行走，摆动的鳍由钕铁硼 驱动并通过外磁场控制。试验结果表明速度可以通过频率的调整来控制， 且长距离行走己通过试验验证。当薄板长为l5 m m ，宽为1 0 m m 时，该微型机器 人可获得4 2 m m s 的速度。但该机器人只能实现单向行走。 e 等 图1 7 鳍形游动微型机器人 同本香川大学的潘勤学，哈尔滨工程大学的肖楠、任思臻等人在郭书祥 老师鳍形管内微小机器人的基础上进一步研制了仿鱼型微型管道机器人”5 矾。 如图18 所示，该机器人主要由三个部分组成，前端部分，由一个塑料外壳和 两个小磁铁构成。中间部分是一段铜片。铜片具有较好的刚性并且震动频率 也较高，这样有利于机器人产生较好的运动速度。最后端是尾鳍采用月牙尾 的形状，这样可以产生更大的推力。机器人全长4 5 r a m ，厚5 m m ，宽1 0 m m 。 其形状仿照够科模式推进的鱼类，前体具有良好的“流线型”，使游动阻力减 小。两块小磁铁磁极方向相同，这样可以增大机器人在磁场中的磁场力。该微 型机器人的特点是具有柔韧性，良好的响应性能，缺点是只能向一个方向运 动。 塑料外壳磁铁 磁铁? 薄 同片尾蜡 磁铁i 、“| 、 i 【 铜片厚度“- 一- 图i8 仿鱼型微型机器人一 彗尘堡；! ：垒尘兰竺：兰竺兰三 12 2 旋进式微型机器人 日本的kl s h i y a m a 等人1 9 9 6 年利用钕铁硼( n d f e b ) 永磁体研制了螺旋 形的医用永磁体微型机器人“，如图19 所示。2 0 0 3 年进一步研制了胶囊式 钕铁硼微型机器人9 ，如图11 0 所示。外磁场的实现是采用旋转磁场，通过 外磁场旋转带动永磁体同步旋转，从而螺旋叶片旋转产生向前或者向后的推 进力。磁性材料沿径向磁化，与外磁场方向垂直，这样可以得到最大的转矩 力。机器人的游动方向可以通过改变旋转磁场的方向来控制，机器人的游动 垂直于旋转磁场的旋转平面。 敏铁硼永碰体 磁场方向 犍蕊躅雹豳 + 。 图19 螺旋型永磁体微型机器人 ( 口i2 m m ( 口o8 m m ) 1 5 m m ) 图11 0 胶囊型永磁体微型机器人 s e n d o h 等人在以上研究基础上进一步提出了利用外场磁转矩驱动方式 驱动胶囊式微型机器人m 1 。如图11 1 所示，它是出类似三轴亥姆霍兹线圈提 供空问旋转磁场，控制加载电流以调整磁场强度的大小及方向，以磁转矩的 方式作用于胶囊内嵌磁体，在胶囊表面螺旋纹推动下使胶囊向前旋进 哈尔滨= 程大学硕士学位论文 幽11 l 外旋转磁场驱动螺旋式微型机器人示意图 大连理工大学特种加工实验室提出了一种以径向磁化的圆筒式多磁极为 外驱动器，以嵌入胶囊机器人内部的n d f e b 永磁体为内驱动器的胶囊式机器 人系统”。如图11 2 所示，胶囊机器人的结构在聚四氟乙烯棒体内部嵌入径 向磁化的钕铁硼( n d f e b ) 永磁体，在棒体外表面上按一定的螺距缠绕无毒树 脂材料的螺旋线，棒体两端带有半圆头帽，如图1 1 3 所示，由变频驱动控制 外驱动器的旋转，进而控制旋转磁场的转速，在磁力矩的耦合作用下，胶囊 型机器人的内驱动器受到转矩的驱动作用带动机器人旋转，机器人外部的螺 纹与介质相互作用产生动压力，推动机器人向前运动。通过调节电机的频率 及旋转方向可以方便地控制机器人的运动速度和方向。 图1 1 2 胶囊式微型机器人 1 2 _ 3 仿蠕虫微型机器人 德国的k l a mz i m m e r m a n n 等人研制了靠外磁场驱动的仿蠕虫的微型机 器人”。如图11 3 所示，浚机器人本体呈圆柱形，由一种被磁化的有弹性的 聚合物制成。机器人由在管道外加的交替移动的线圈通电后产生的磁场驱动， 放入充满液体的管道中的机器人本体会随着磁场的移动在液体中产生不断变 竺至釜三耋查：翌：兰竺兰三 化的状态，这些变化的状态使机器人像蠕虫一样向前移动。其运动方向与磁 场的移动方向相反，具有周期性。 。= 兰 _ 。：4 茹裟：= 一w - 一： i i _ _ _ _ _ _ _ _ - o _ 一m h - - _ 。j 一 ：= 。：，? = ：= 一 、* “脚o ：二二一 一 日 。 ，t 。4 - i j ! 一e _ 一 图1 1 3 磁化聚合物本体在磁场中移动示意图 1 3 外磁场驱动微型机器人常用线圈组合方式 通常情况下对微型机器人运动所需能量的供应方式有：电缆连接，自带 电池，吸收外部能量三种。前一种为有缆方式，后两种为无缆方式。有缆方 式的优点是能量供应方式既方便又充足，但对于应用在细小管道和狭小空间 等特殊环境下的微型机器人，如果采用有缆方式供能，会使得微型机器人的 运动灵活性、移动距离和行走路线受到限制。又由于目前还没有开发出高容 量微型电池，所以用电池供能，一方面使机器人的尺寸增大，另一方面也无 法满足长时间作业的需要。如果微型机器人能对某一个外场敏感或者从外场 吸收能量，那么它就可以获得充足的能源，从而克服有线和电池这两种供能 方式的不足。目前从国内外的研究现状来看人们广泛采用外磁场驱动作为 无缆驱动的一种重要形式。这主要是因为磁场具有产生容易、控制方便、输 出力大和有方向性等特点从而受到国内外研究者的青睐，因此靠外磁场驱 动的微型机器人越来越多地涌现出来。 13 1 交变外磁场发生装置 尾部驱动管内微型机器人大多是由外部交变磁场提供驱动力的。机器人 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 运动的外部交变磁场是由通交变电流的螺线管线圈产生。螺线管线圈上的交 变电流可以通过计算机来控制。目前，国内外对此类微型机器人的研究大多 使用的都是在长直管道上缠绕线圈形成螺线管9 ”。如图1 1 4 所示，但是这种 缠绕方式由于螺线管的长度是有限的，再者长度过长的螺线管产生的电阻较 大，缠绕不均匀，不适于机器人在较长的管道中工作。 图11 4 螺线管线圈磁场发生装置图 为了解决以上问题哈尔滨工程大学的肖楠和任思臻等设计了由一台步进 电机来带动一台小车，小车上载有一段较短的缠绕均匀螺线管，螺线管套在 管道外侧运动”1 。如图11 5 所示，这样就解决了较长螺线管带来的问题。通 过计算机来控制步进电机来改变小车的运动速度和运动方向。此种驱动方法 结构简单，驱动力大，具有较好的驱动效果。但只适用于驱动游动式的机器 人，不适用旋进式的。 r 1 。、 l 。i ”，0 舅肇一。o 驯u 踊离， 图1 1 5 移动装置整体效果图 蘸 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 3 2 旋转外磁场发生装置 目前国内外用于驱动微型机器人的旋转磁场的产生大多是基于亥 姆霍兹线圈能够产生均匀磁场及磁场矢量叠加原理，利用相互正交的 多轴亥氏线圈组合，分别通入一定幅值、频率、相位关系的电流，使 每轴线圈产生的磁场矢量叠加后形成大小、旋转频率、旋转方向均可 调的空间均匀旋转磁场。如图1 1 6 所示，为两轴正交亥氏线圈生成旋转 磁场组合方式p0 1 。这是由轴线相互垂直的一对大线圈组和一对小线圈组 组合成的装置，当分别给两组线圈通入相同频率、相位相差9 0 度的正 弦电流时，两组线圈会产生相同频率、相位差为9 0 度的谐波磁场。根 据磁场失量叠加的原理，产生的两路谐波磁场相互叠加产生旋转磁场。 曩 图1 1 6 二轴匀场线圈的组合 简小云等根据组合线圈可以得到均匀的磁场强度或均匀的场强梯度的原 理，并利用不同形式的梯度线圈之间的区别主要在于梯度张量各分量之间的 关系不同，提出了利用各种梯度线圈与匀场线圈组合来形成驱动磁场的方法 p 。如图1 1 7 所示，采用x z 二轴梯度线圈( 内部) 与y z 二轴匀场线圈( 外部) 的组合。在x 轴线圈内放置管道并使其可沿x 轴平移；径向线圈可绕x 轴旋 转通过组合线圈加载电流的变化、横向线圈的旋转以及管道与线圈系统的相 对平移产生控制微型机器人运动的旋转的驱动力。此种线圈组合方式适于对 体内各种腔管的微型机器人实现磁场驱动，因其结构复杂，体积大，不易微 型化，不适合用于微型管道机器人的驱动。 1 2 哈尔滨f 程大学硕士学位论文 图11 7 二轴梯度线圈与二轴匀场线圈的组合 大连理工大学特种加工实验室提出了一种以径向磁化的圆筒式多磁极以 n d f e b 水磁体为外驱动器，以嵌入胶囊机器人内部的n d f e b 永磁体为内驱动 器的胶囊式机器人系统”。如图l1 8 所示，外驱动器由径向n s 与s n 磁化的 瓦状磁极相邻排列而成，内驱动器与外动器具有相同的磁极结构，通过外驱 动器转动产生旋转磁场以非接触方式作用于机器人内嵌磁体，实现机器人的 旋进驱动。以径向磁化的圆筒式永磁体为外驱动器的驱动控制方案使驱动 频率与磁场强度之间的矛盾迎刃而解，具有节省能源、驱动力矩大、安全可 靠、实用性强等优点。实验表明该螺旋胶囊机器人适合在大粘度液体内驱动， 并可在充满大粘度液体的封闭管内快速垂直游动。此种驱动方法驱动力不可 调。 图11 8 圆筒式多磁极磁场发生装置示图 3 3 交替移动磁场的线圈组合方式 如图11 9 所示，将完全相同的多个线圈放置在管道的两侧，间距为l ， l3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 通过给两侧相邻的三个线圈同时通电，将产生以中i 日j 线圈的轴线为对称轴的 合成磁场b 。1 ( 例如：如图1 1 9 同时给5 、6 、7 号线圈通电，这样就会产生以 6 号线圈轴线为对称轴的的磁场) ，机器人本体在合成磁场的作用下将会产生 形变。一段时间的间隔后将5 号线圈断电并将其移动到8 号线圈的右侧距离 为l 的位置，同时给8 号线圈通电，这时又会产生以线圈7 轴线为对称轴的 合成磁场，依次给线圈通断电就会产生移动的磁场，在该磁场的作用下机器 人本体产生各式的形变，这种不断变化的形态使机器人本体在管道内像蠕虫 一样运动。 ：酋j 圄+ 离 l l l _ 一 一 十：；串+ 固 图1 1 9 磁场线圈组合图 1 4 外磁场驱动微型机器人面临的问题 从微型机器人的发展过程来看，每前进一步都和微机械电子技术、超精 密加工技术的发展以及和以功能材料、智能材料为基础的微型驱动器的研制 开发密切相关的。尽管目前己经设计了很多种微型管道机器人，但是诸如能 源供给问题，驱动器的微型化问题及自主控制问题等都还没有从根本上解决。 因此液体中靠外磁场驱动的微型机器人研究仍面临着许多具有挑战性的问 题，这些问题主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 驱动器的微型化 微驱动器是微型机器人最主要的部件，从微型机器人的发展来看，微驱 动技术起着关键作用。微驱动的问题就是研制出响应快、输出力大、非接触 驱动控制且易于微型化的驱动器，多使用智能材料。目前，液体中微型机器 人多采用压电陶瓷、高分子材料、磁性材料等作驱动器，压电陶瓷和高分子 1 4 哈尔滨r 1 ：祥大学硕十学何论文 材料需要施力h # i - 部电压来产生推动力，存在安全性等问题；而使用磁性材料 做的驱动器可在外部磁场变化时产生推动力，不同于前述微型机器人的电缆 供电方式，是一种新型的微驱动方法，具有无缆驱动、安全、高效等特点。 但磁力驱动技术在应用中存在问题：磁场的存在可干扰周围环境，而且磁力 驱动器在启动过程中易产生滞后。 ( 2 ) 能源供给问题 微型机器人的无缆供能方式和驱动控制主要靠电池和外场。但是目前没 有小体积大容量的电池可供使用，因此电池驱动增大了微型机器人的体积， 不利于机器人的灵活性和长期工作。随着微机械电子技术的发展，制造高容 量的微型电池是使机器人满足能源供给和驱动控制的途径之一。目前采用较 多的是外磁场供能和驱动控制，但由于磁场具有方向性，所以微型机器人在 复杂的狭小空间中运动时，其控制非常复杂，需要对这种供能方式及外磁场 的姿态控制方面进行深入的研究。 ( 3 ) 可靠性问题 胶囊型微型机器人研制的最终目标是要实现在生物医学以及工业管道等 重要领域中应用，因此其可靠性显得尤为重要，从而要求微型机器人能够适 应复杂的管内环境，并具备故障排除的能力，不能因为一些故障的产生而导 致微型机器人的瘫痪。目前许多正在研制和开发的微型管道机器人是以医疗、 军事及核电站为应用背景的，在这些十分重要的应用场合，机器人工作的可 靠性和安全性是最重要的，一旦出现故障，可能导致严重的事故。 ( 4 ) 结构设计问题 在常规的世界中对物体运动起作用的许多主要因素，在微型机器人的领 域中不见得起主要因素。在“微”的条件下，管道微型机器人的机械结构受到 运动机理的约束。此外，设计时须考虑尺寸效应，采取优化参数以及变量， 进一步深入研究微机构理论。而且选材上要考虑磁场的磁性。 ( 5 ) 管内条件效应 管道内条件的限制，如管内介质、表面条件、尤其是管道形状等对微型 管道机器人的研究提出了挑战。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 1 5 本文研究内容 本课题研究的主要内容是研究一种靠外磁场驱动的表面不带螺纹的胶囊 型的微型管道机器人。基于机器人本体采用表面不带螺纹的胶囊形状，设计 了一种能够对其进行有效驱动和控制的组合线圈驱动器。基于磁场矢量叠加 原理，本文采用亥姆霍兹线圈与螺线管线圈组合形成的组合线圈对其加载电 流，产生锥型旋转磁场对机器人本体进行驱动，实现了机器人的无缆驱动。 并对机器人本体和驱动器的设计方法等进行了分析、实验。具体研究内容如 下： ( 1 ) 微型机器人本体分析与设计：机器人本体采用胶囊形状，表面不带 螺纹，机器人两端嵌有钕铁硼。 ( 2 ) 微型机器人无缆驱动原理：利用轴线相互垂直的两轴亥姆霍兹线圈 通电产生的旋转磁场与螺线管线圈通电产生的恒定磁场叠加产生锥形旋转磁 场驱动表面不带螺纹的胶囊型机器人。磁场的移动靠两台直流电机控制载有 组合驱动线圈的小车实现，通过对小车移动方向的控制实现机器人的双向行 走。 ( 3 ) 驱动线圈的分析与设计：对线圈的磁场强度计算公式进行了推导， 并对线圈的均匀度、功率损耗等进行了分析，依据分析与实际需要对组合线 圈结构、匝数等进行了设计，应用大型有限元分析软件a n s y s 的电磁场仿 真功能对所设计的线圈电磁场进行了仿真，验证线圈设计的正确性。最后设 计出组合驱动线圈实物。 ( 4 ) 胶囊型微型管道机器人控制系统设计。 ( 5 ) 搭建微型机器人的实验环境，对微型机器人的各项性能进行实验测 试与分析。 ( 6 ) 全文工作总结。 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章微型管道机器人本体设计及运动机理分析 本文主要设计一种靠外部移动的旋转磁场驱动的微型管道机器入，本章 主要对微型机器人的本体设计及运动机理进行分析。下面对机器人本体的结 构设计、驱动原理、运动方式等作详细介绍。 2 1 微型管道机器人本体设计 2 1 1 磁性材料介绍 可用于制造磁功能器件的强磁件材料称为磁性材料。它包括硬成材料、 软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、 磁致冷材料以及磁蓄冷材料等。它们统称为磁功能材料。其中用量最大和用 途最广的是硬磁材料和软磁材料。硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材 料的各向异性场( h a ) 高、矫顽力( h c ) 高、磁滞回线面积大，磁化到技术饱 和需要的磁化场大。现代硬磁材料的矫顽力一般均大于4 0 0 0 k a m ，而软磁 材料的矫顽力一般小于8 0 a m ，最低可达0 0 8 m a m 左右。由于软磁材料的 矫顽力低，技术磁化到饱和并去掉外磁场后，它很容易退磁失去磁性，而硬 磁材料由于矫顽力高，经技术磁化到饱和并去掉外磁场后，它仍能长期保持 很强的磁性，因此硬磁材料又称永磁材料或恒磁材料。 现代工业与科学技术广泛应用的永磁材料有铸造永磁材料、铁氧体永磁 材料、稀土永磁材料和其他永磁材料等四大类p 2 1 。其种类如图2 1 所示，在 空隙产生相同磁场磁通时，需要钕铁硼( n d f e b ) 磁体的体积最小。n d - f e b 系永磁体是一种能量密度很高的贮能器。n d f e b 永磁材料是促进当代技术 与社会进步的重要的物质基础之一，为新型产业的出现提供了物质保证。 1 7 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 图2 1 产生相同磁场( 磁通) 的不同磁体的体积比较 1 - c 钢；2 一w 钢；3 c o 钢；4 - a i n i c o ；5 - t i c o n a l l i ；6 - t i c o n a l g ； 7 一t i c o n a l g g ；8 - t i c o n a l ；9 一n d f e - b 永磁材料放在外磁场中磁化时，外磁场对永磁体做的功，称为磁化功。 对于闭路永磁体来说，磁化功以磁能积的形式贮存于永磁材料内部。对于开 路永磁体来说，磁化功一部分贮存于永磁材料内部，另一部分以磁场的形式 贮存于两磁极附近的空间。永磁体在气隙中贮存的磁场能与永磁体的磁能积 成正比。永磁体是一个贮能器。利用永磁体磁极的相互作用和气隙的磁场可 以制作多种永磁器件。永磁功能器件具有节能、高效率、与系统兼容、便于 操作与可靠性高的优点。 永磁材料性能的好坏，最全面的判据是各种外界条件( 温度、时间、辐射、 振动等) 下的退磁曲线的形状，为了简便起见，采用以下几个参量来标志性能 的好坏p ： ( 1 ) 矫顽力( h c ) ，指退磁曲线上b = 0 处的磁场( 磁感矫顽力) 。矫顽力 大的材料抗干扰能力强。 ( 2 ) 剩磁( b r ，指退磁曲线上h = 0 处磁感应强度，其值越大，性能越 好。 ( 3 ) 最大磁能积( b h ) m a x ，指退磁曲线上b 与h 乘积最大的一点。 在满足同样要求的情况下( 磁场的数值和空间的范围) ，磁能积大的材料，用 料最少，因此磁能积越大越好，尤其在微型系统中的应用p 4 1 ，机构的体积大 小很大程度地影响其性能。 ( 4 ) 稳定性，温度系数与不可逆损失。一般情况下，这些性能与材料的 品种，具体形状以及加热冷却的范围有关，通常进行人工老化来使其性能保 1 8 d 9o 尽 o 7 巴6 0 5曰 r u 3 n u 2 r u l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 持稳定，减少其损失。 永磁材料的主要技术性能指标就是剩磁b r 、矫顽力h c 、磁能积( b h ) 和 稳定性。永磁材料研究者和生产者的主要任务是最大限度地挖掘材料的潜力， 提高永磁材料的b ，、h c 、( b h ) 及稳定性。 1 9 8 3 年，日本助友金属公司首次发明了钕铁硼永磁体，由于它具有高的 剩磁，高的矫顽力以及高的磁能积，且具有良好的动态回复特性，因而在世 界范围内迅速