專(zhuān)利名稱(chēng)：磁控微型游動(dòng)機(jī)器人的雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)化工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過(guò)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控制微型機(jī)器人在充滿液體的封閉管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向仿生游動(dòng)的基本方法。
背景技術(shù)：
磁控?zé)o纜驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人更接近于自然狀態(tài)，在人體內(nèi)作業(yè)時(shí)具有可靠性高、安全等特點(diǎn)。以人體柔彈性組織內(nèi)的體液為媒介，它可到達(dá)體內(nèi)的深處部位。因此游動(dòng)微型機(jī)器人為體內(nèi)介入治療提供了一種重要的作業(yè)形式，在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
醫(yī)療微型機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境是體內(nèi)的腸道、泌尿系統(tǒng)、血管等，其環(huán)境特點(diǎn)是周?chē)扇釓椥越M織封閉、內(nèi)部充有體液的狹小空間。為了不對(duì)柔彈性軟組織造成創(chuàng)傷，要求微機(jī)器人以無(wú)電纜驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)游動(dòng)可靠的進(jìn)入和退出體內(nèi)深處，并采用簡(jiǎn)單、易于微型化的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)在線醫(yī)療作業(yè)。
目前研制的游動(dòng)微型機(jī)器人主要有以下幾種，如日本的福田敏男教授采用壓電材料開(kāi)發(fā)了基于仿生學(xué)原理的游動(dòng)微型機(jī)器人；日本的郭樹(shù)祥采用離子聚合體薄膜為驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)了另一種游動(dòng)微型機(jī)器人，上述微型機(jī)器人由于拖帶電纜，因此存在響應(yīng)慢、效率低，在人體內(nèi)驅(qū)動(dòng)存在漏電安全等問(wèn)題，尤其是不能實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)上所需要的體內(nèi)進(jìn)入與退出的雙向游動(dòng)。
事實(shí)證明采用磁場(chǎng)控制的無(wú)纜驅(qū)動(dòng)方式是提高微型機(jī)器人實(shí)用性和可靠性的關(guān)鍵，因此磁控微型機(jī)器人迅速成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，日本的郭樹(shù)祥又采用釤鈷磁鐵為驅(qū)動(dòng)器，以銅鉑為尾鰭，開(kāi)發(fā)了管道內(nèi)游動(dòng)微型機(jī)器人；中國(guó)科學(xué)院智能機(jī)械研究所的梅濤采用鐵磁橡膠[4]為驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)了一種游動(dòng)微型機(jī)器人，通過(guò)外磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)器人的控制，解決了無(wú)電纜驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，但依然未從根本上解決雙向游動(dòng)這一難題，上述兩種機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)器高階諧振頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)慢速度的反向游動(dòng)，存在機(jī)器人控制困難，耗能大等缺點(diǎn)。
綜上所述，目前以超磁致伸縮薄膜為驅(qū)動(dòng)器，采用雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)方法在管內(nèi)充滿液體的環(huán)境下，以磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微型游動(dòng)機(jī)器人雙向控制的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出一種管內(nèi)液體介質(zhì)環(huán)境下，微型機(jī)器人的雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)方法，提供基于上述理論的設(shè)計(jì)方法與技術(shù)方案，從而實(shí)現(xiàn)封閉管道內(nèi)微型機(jī)器人的雙向在線游動(dòng)，提高機(jī)器人的可靠性和實(shí)用性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是以磁致伸縮薄膜為驅(qū)動(dòng)器，模仿魚(yú)的尾鰭實(shí)現(xiàn)仿生游動(dòng)的微型機(jī)器人。磁致伸縮薄膜是以十到幾十微米級(jí)的聚酰亞氨或銅鉑為基片，通過(guò)物理磁控濺射法形成微米級(jí)的磁致伸縮薄膜，本發(fā)明采用磁致伸縮雙面薄膜，即在基片的一面濺射上正磁致伸縮材料薄膜，其成分為T(mén)b0.28Dy0.72Fe1.93；在基片的另一面濺射上負(fù)磁致伸縮材料薄膜，其成分為SmFe1.95，正磁致伸縮材料在磁場(chǎng)的作用下伸長(zhǎng)；負(fù)磁致伸縮材料在磁場(chǎng)的作用下縮短，施加激勵(lì)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)器將向薄膜的一側(cè)產(chǎn)生彎曲。
本發(fā)明也可以采用單面薄膜，但其彎曲變形小于雙面薄膜。作業(yè)原理是以磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器為魚(yú)鰭模仿魚(yú)尾部的擺動(dòng)，通過(guò)改變振蕩磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)頻率，媒介于磁致伸縮薄膜的磁機(jī)耦合作用，將振蕩磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器的振動(dòng)機(jī)械能，振動(dòng)的磁致伸縮薄膜再與液體耦合，便產(chǎn)生了機(jī)器人的推力，實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)器人的游動(dòng)。由于該磁致伸縮薄膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、厚度薄，使機(jī)器人能夠達(dá)到毫米級(jí)尺寸，可望應(yīng)用于人體循環(huán)系統(tǒng)如血管內(nèi)。
依據(jù)磁致伸縮薄膜在液體內(nèi)的諧振模態(tài)與推力的關(guān)系特性，提出游動(dòng)機(jī)器人的雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)方法。磁致伸縮薄膜在液體內(nèi)的振動(dòng)特性主要由前三階諧振模態(tài)組成，薄膜與液體耦合推力的大小和方向與各階諧振模態(tài)的形狀有關(guān)如一階諧振頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，平均推力不大，機(jī)器人向前游動(dòng)速度較慢；以二階諧振頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，平均推力最大，向前游動(dòng)速度最快；以三階諧振頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)，平均推力為負(fù)推力，機(jī)器人反向游動(dòng)，但速度不大。三階諧振頻率很大，此時(shí)磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變和嚴(yán)重的衰減，因此反向驅(qū)動(dòng)控制效果不理想。
由于二階諧振頻率具有頻率不高，推力大的優(yōu)點(diǎn)，因此可利用二階諧振頻率實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的雙向游動(dòng)。方法是在機(jī)器人的頭部和尾部各安裝一個(gè)二階諧振頻率不同的薄膜驅(qū)動(dòng)器，以兩個(gè)諧振頻率之間的頻率驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度的雙向連續(xù)驅(qū)動(dòng)控制。
磁致伸縮薄膜的二階固有角頻率，可以借助于下式求出，p2=β22*EI/m,]]>β2＝1.5π/lm。其中，EI為磁致伸縮薄膜的剛度；m為磁致伸縮薄膜單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量；lm為磁致伸縮薄膜的長(zhǎng)度。
機(jī)器人薄膜驅(qū)動(dòng)器安裝結(jié)構(gòu)分為三種第一種結(jié)構(gòu)方案是前、后端磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器采用不同種材料的基片，如前端磁致伸縮薄膜基片材料可以是聚酰亞氨；后端磁致伸縮薄膜基片材料可以是銅鉑。機(jī)器人結(jié)構(gòu)如附圖2所示，圖中1前端驅(qū)動(dòng)器；2機(jī)器人本體；3后端驅(qū)動(dòng)器。
第二種結(jié)構(gòu)方案是前、后端磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器采用同種材料的基片，如前端、后端磁致伸縮薄膜基片材料可以為聚酰亞氨或是銅鉑。機(jī)器人結(jié)構(gòu)如附圖3所示，圖中1前端驅(qū)動(dòng)器；2機(jī)器人本體；3后端驅(qū)動(dòng)器。
以上兩種結(jié)構(gòu)是采用兩種不同的技術(shù)方案來(lái)調(diào)整前、后端驅(qū)動(dòng)器的二階諧振頻率，前后端都采用單磁致伸縮薄膜尾鰭，但都能實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的雙向游動(dòng)控制。
第三種結(jié)構(gòu)方案是在前兩種方案的基礎(chǔ)上，即前端、后端磁致伸縮薄膜基片材料可以相同，也可以不同，但前、后端都采用兩個(gè)磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人軸心線對(duì)稱(chēng)，并與中心線形成0到45度的夾角。
機(jī)器人結(jié)構(gòu)如附圖4所示，圖中1前端驅(qū)動(dòng)器；2機(jī)器人本體；3后端驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的效果和益處是1.通過(guò)管道外部交變磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)頻率改變可以實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人在封閉管道內(nèi)的雙向游動(dòng)控制，無(wú)電纜驅(qū)動(dòng)方式提高了機(jī)器人的可靠性和實(shí)用性。
2.能通過(guò)管道外部的交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人游動(dòng)速度的連續(xù)調(diào)整和機(jī)器人的定位控制，以兩個(gè)二階諧振頻率之間的頻率驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度的雙向連續(xù)驅(qū)動(dòng)控制，機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定。
3.在很小的低頻率范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人正反方向速度大范圍的連續(xù)調(diào)整，調(diào)整效率高。
4.驅(qū)動(dòng)頻率低，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)不產(chǎn)生畸變和衰減現(xiàn)象，節(jié)省能源。
5.由于磁致伸縮薄膜厚度薄，機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，使機(jī)器人尺寸可望達(dá)到毫米級(jí)。本發(fā)明原理可用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化雙向仿生游動(dòng)微型機(jī)器人的微小結(jié)構(gòu)，提高機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)效率。
6.驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)采用赫姆霍茲雙線圈結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化表明兩個(gè)線圈間的磁場(chǎng)比較均勻，有利于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制效果，此外還有易于觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，便于檢測(cè)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。


附圖1是本發(fā)明的雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中a赫姆霍茲雙線圈；b雙向游動(dòng)微型機(jī)器人；c充滿液體的封閉管道。
圖1中的赫姆霍茲雙線圈a的驅(qū)動(dòng)控制器的功放采用深度電流負(fù)反饋放大電路，以提高驅(qū)動(dòng)電流的快速響應(yīng)，消除電感對(duì)交流驅(qū)動(dòng)電流的阻礙作用，使驅(qū)動(dòng)線圈中的電流響應(yīng)得到大幅度的提高。用正弦波驅(qū)動(dòng)赫姆霍茲雙線圈a。圖1中的充滿液體的封閉管道c，采用有機(jī)玻璃，便于觀察和檢測(cè)機(jī)器人的游動(dòng)。
附圖2是一種雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中1前端驅(qū)動(dòng)器；2機(jī)器人本體；3后端驅(qū)動(dòng)器。
圖2中的前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器2均采用磁致伸縮雙面薄膜，前、后端驅(qū)動(dòng)器為不同種基片。
附圖3第二種雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中1前端驅(qū)動(dòng)器；2機(jī)器人本體；3后端驅(qū)動(dòng)器。
圖3中的前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器2均采用磁致伸縮雙面薄膜，但前、后端驅(qū)動(dòng)器為同一種基片。
附圖4是第三種雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4中1前端驅(qū)動(dòng)器；2機(jī)器人本體；3后端驅(qū)動(dòng)器。
第三種結(jié)構(gòu)方案中，前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3的磁致伸縮薄膜基片材料可以相同，也可以不同，其選取與設(shè)計(jì)方法與前兩種方案相同，機(jī)器人本體2的前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3分別為兩個(gè)，并與機(jī)器人中心線對(duì)稱(chēng)安裝，四個(gè)驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人中心線的夾角相同，夾角范圍在0到45度之間。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
上述實(shí)施例方案一的結(jié)構(gòu)示意圖2中，首先要完成前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前后驅(qū)動(dòng)器為不同種基片，選取二種的基片外形尺寸一樣，在二種基片厚度和在基片上濺射的正負(fù)磁致伸縮材料薄膜的厚度上進(jìn)行調(diào)整，使基片彈性模量小的薄膜之二階諧振頻率是基片彈性模量大的薄膜之二階諧振頻率滿足以下關(guān)系，前端驅(qū)動(dòng)器1的二階諧振頻率的范圍是10到30赫茲，后端驅(qū)動(dòng)器3的二階諧振頻率的范圍是50到70赫茲，前、后端驅(qū)動(dòng)器二階諧振頻率之差為40赫茲，完成二種薄膜的加工。
然后將前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3在機(jī)器人中心線上相對(duì)本體對(duì)稱(chēng)布置，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器基片上的正負(fù)磁致伸縮材料薄膜應(yīng)具有在中心線的同一側(cè)，以便抵消側(cè)向推力使機(jī)器人處于側(cè)向平衡狀態(tài)。
驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)波形發(fā)生器發(fā)生正弦波，通過(guò)功放模塊去驅(qū)動(dòng)附圖1中的赫姆霍茲雙線圈a，功放采用深度電流負(fù)反饋放大電路。
在前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3的二個(gè)二階諧振頻率之間調(diào)整驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)頻率便實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的雙向游動(dòng)。
上述實(shí)施例方案二的結(jié)構(gòu)示意圖3中，除驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)具體實(shí)施的方案不同外，其它實(shí)施方案步驟與實(shí)施例方案一完全相同。下面僅說(shuō)明附圖3中前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3的具體實(shí)施方式
。
前、后驅(qū)動(dòng)器為相同種材料和厚度的基片，在基片上濺射的正負(fù)磁致伸縮材料薄膜的厚度相同，通過(guò)調(diào)整二種基片的外形尺寸，來(lái)實(shí)現(xiàn)二階諧振頻率的調(diào)整，在保證前、后端薄膜外形面積相等的情況下，使后端長(zhǎng)度大的薄膜之二階諧振頻率與前端長(zhǎng)度小的薄膜之二階諧振頻率滿足以下關(guān)系，后端驅(qū)動(dòng)器3的二階諧振頻率的范圍是10至30赫茲，前端驅(qū)動(dòng)器1的二階諧振頻率的范圍是50至70赫茲，后、前端驅(qū)動(dòng)器二階諧振頻率之差為40赫茲。
保證薄膜外形面積相等是因?yàn)橥屏Υ笮∨c薄膜尾鰭的面積有關(guān)，以保證機(jī)器人前、后游動(dòng)速度大小相等，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性。
上述實(shí)施例方案三的結(jié)構(gòu)示意圖4中，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)具體實(shí)施的方案與前兩例完全相同，不同之處是前端驅(qū)動(dòng)器1和后端驅(qū)動(dòng)器3可以分別為兩個(gè)，前端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器1與后端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器3分別對(duì)稱(chēng)安裝于機(jī)器人本體2中心線的兩側(cè)，前端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器1與后端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器3與中心線形成同一夾角，夾角范圍為0至45度之間。
機(jī)器人本體(2)采用與液體密度相同的材料，將機(jī)器人置于附圖1的充滿液體的封閉管道c中，赫姆霍茲雙線圈a以前端驅(qū)動(dòng)器1的二階諧振頻率驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向后游動(dòng)；以后端驅(qū)動(dòng)器3的二階諧振頻率驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前游動(dòng)；以兩個(gè)二階諧振頻率之間的頻率驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)前、后游動(dòng)速度的連續(xù)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在充滿液體的封閉管道c內(nèi)的定位。
權(quán)利要求
1.磁控微型游動(dòng)機(jī)器人的雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于a)雙諧振頻率驅(qū)動(dòng)模型的前端驅(qū)動(dòng)器(1)和后端驅(qū)動(dòng)器(3)是二階諧振頻率不同的磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)器，分別對(duì)稱(chēng)安裝在機(jī)器人本體(2)的前、后端，并與機(jī)器人中心線重合，前端驅(qū)動(dòng)器(1)的二階諧振頻率的范圍是10至30赫茲，后端驅(qū)動(dòng)器(3)的二階諧振頻率的范圍是50至70赫茲，前端驅(qū)動(dòng)器(1)和后端驅(qū)動(dòng)器(3)的二階諧振頻率之差為40赫茲；b)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)采用赫姆霍茲雙線圈結(jié)構(gòu)(a)，充滿液體的封閉管道(c)采用有機(jī)玻璃管；c)前端驅(qū)動(dòng)器(1)和后端驅(qū)動(dòng)器(3)可以分別為兩個(gè)，前端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(1)與后端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(3)分別對(duì)稱(chēng)安裝于機(jī)器人本體(2)中心線的兩側(cè)，前端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(1)與后端兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(3)與軸心線形成同一夾角，夾角θ范圍為0至45度。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動(dòng)化工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過(guò)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控制微型機(jī)器人在封閉管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向游動(dòng)的基本方法。技術(shù)特征是以磁致伸縮雙面薄膜為驅(qū)動(dòng)器，模仿魚(yú)的尾鰭實(shí)現(xiàn)仿生游動(dòng)。根據(jù)振動(dòng)薄膜與液體耦合的推力特性和薄膜各階諧振頻率的關(guān)系特性，提出了一種機(jī)器人頭、尾部具有不同二階諧振頻率驅(qū)動(dòng)器薄膜的雙向驅(qū)動(dòng)模型，通過(guò)赫姆霍茲雙線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，在前后薄膜驅(qū)動(dòng)器的二個(gè)諧振頻率之間驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人游動(dòng)速度的連續(xù)調(diào)整和定位控制。本發(fā)明的效果和益處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化，可靠性和實(shí)用性好，便于觀察，驅(qū)動(dòng)頻率范圍小，雙向調(diào)整速度范圍大，通過(guò)磁控方式實(shí)現(xiàn)封閉管道內(nèi)微型機(jī)器人的雙向游動(dòng)。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1604451SQ20041008274
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月3日
發(fā)明者張永順, 戴桓震, 賈振元, 郭東明 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)