基于Helmholtz线圈与旋转台组合的电磁驱动平台设计开题报告

 2023-10-18 09:04:50

1. 研究目的与意义

微型机器人系统具有在许多不同的领域实现应用的潜力,包括医学、检测和组装等。磁场驱动具有生物安全性好、无缆驱动、定位精度高等特点,是操控微机器人在复杂组织环境下实现精准细胞递送的首选。但是,磁场具有空间衰减快、非线性强等特点,其空间分布特性与其模型参数密切相关,如何构建可满足微机器人在组织环境中实现精准运动控制的驱动磁场分布并建立其精确空间分布模型,建立微机器人所受电磁力的数理模型,揭示微机器人磁控驱动的机理,进而设计鲁棒的可抗干扰的控制器,使得磁控微机器人“驱的动、控的准”,是磁驱系统的关键一环。

可以借助电磁驱动平台来实现对微型机器人的控制。电磁驱动平台是一种广泛应用于机器人技术、测量和控制系统等领域的平台。其主要作用是通过电磁力驱动平台运动,实现精确控制和定位。该平台通常由Helmholtz线圈和旋转台这两个主要组成部分组成。其中,Helmholtz线圈作为磁场发生装置,通常情况下,磁场发生装置可以采用永磁体或者通电线圈。而这相比较,永磁体虽然成本较低,但其产生的磁场不均匀,而且无法准确的控制其产生的磁感应强度的大小,因而不能满足需求;通电线圈主要分为Helmholtz线圈和通电螺线管,后者产生的磁场在径向方向不均匀,而Helmholtz线圈可以产生较大范围且可控的磁场,满足工艺所需,所以选择Helmholtz线圈作为磁场的发生装置,其在控制平台位置和运动方向方面有重要的作用;而旋转台的主要作用是提供平台运动的控制与定向。

该电磁驱动平台的设计旨在提高机器人技术的测量和控制系统精度和效率,同时减少人工操作和外界干扰的影响。它具有很高的精度和可靠性,并且可以广泛应用于各种不同的环境和场景中,例如,用于实验室的物理、化学、生物等领域的研究。

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2. 研究内容和预期目标

一、 主要研究内容:

1). 系统设计、建模及制造;

2). 控制电路设计和实现;

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3. 研究的方法与步骤

研究方法及步骤:

1). 参阅相关系统的资料,检索文献与论文,拟确定总体设计方案;

2). 完成整体系统的方案设计,开展系统原理调研、机械结构设计、自动控制系统设计等任务,提交系统设计图纸、电路设计方案、分析数据等材料;

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4. 参考文献

[1]. Donald, B. R., Levey, C.G., Paprotny, I. amp; Rus, D. Planning and control for microassembly ofstructures composed of stress-engineered MEMS microrobots. The InternationalJournal of Robotics Research 32, 218–246 (2013).

[2]. Barbot, A., Decanini, D. amp; Hwang,G. The Rotation of Microrobot Simplifies 3D Control Inside Microchannels.Scientific Reports 8, 438 (2018).

[3]. Yan, X. et al. Multifunctional biohybrid magnetite microrobots forimaging-guided therapy. Science Robotics 2, eaaq1155 (2017).

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5. 计划与进度安排

1). 2024.01.15-2024.03.05 调研文献资料,进行文献综述,撰写开题报告,翻译英文文献;

2). 2024.03.06-2024.03.31 查阅相关资料,深入了解系统组成,开展系统初步的机械结构设计、控制方案研究;

3). 2024.04.01-2024.04.30 优化设计方案,开展关键部件参数选型计算和自动控制系统设计工作,完善相关辅助系统的设计;

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