【摘 要】
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随着机器人领域对柔性抓取精准度需求的不断增长,再加上最近两年突发的新冠疫情,使得远程控制柔性机器人产业得到了迅速发展。目前,这一产业已经成为该领域的一个研究难点与热点,而且远程致动控制方式也非常多样化。其中,磁性致动的致动效率高,且磁性材料的生物相容性好,便于获取且医疗使用也相对安全,使其成为了这一领域的带领者。同时采用具备响应特性和多重性能的磁性水凝胶作为柔性机器人的基体材料。因此本文提出以磁性
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随着机器人领域对柔性抓取精准度需求的不断增长,再加上最近两年突发的新冠疫情,使得远程控制柔性机器人产业得到了迅速发展。目前,这一产业已经成为该领域的一个研究难点与热点,而且远程致动控制方式也非常多样化。其中,磁性致动的致动效率高,且磁性材料的生物相容性好,便于获取且医疗使用也相对安全,使其成为了这一领域的带领者。同时采用具备响应特性和多重性能的磁性水凝胶作为柔性机器人的基体材料。因此本文提出以磁性水凝胶为研究对象,并针对远程控制磁性水凝胶这一难点与热点,利用振荡磁场产生驱动力对磁性水凝胶的电磁致动特性开展了相关研究。首先,从微生物在自然界中的运动特征抽象出磁性水凝胶的运动理论模型,并给出了在低雷诺数条件下磁性水凝胶的基本运动机制。基于这一理论,研究了在低雷诺数环境下,非往复运动对磁性水凝胶微段有效移动的重要意义。其次,采用Maxwell有限元软件,对带有铁心螺线管的二维磁场进行了仿真分析。同时分析了电流、螺线管形状分布、铁心相对磁导率、铁心外径以及铁心圆角等因素对磁场分布的影响。在此基础上设计了亥姆霍兹线圈,并对圆形和方形线圈轴线上的磁场均匀度进行分析,最终选用了方形线圈搭建产生致动力的振荡磁场。最后,采用冻融法制备磁性水凝胶,并通过实验分析其磁学表征。实验表明在静磁场的控制下,磁性水凝胶可以很好地模拟手指的弯曲运动以及实现抓取的动作。通过对实验数据分析得到Fe3O4浓度和磁场强度与偏转角度的关系,以及Fe3O4浓度与磁场阈值的关系。分析柔性鞭毛微机器人振荡的动力学模型,论证其振荡特性,以此运用到在黏性介质中通过振荡磁场驱动的磁性水凝胶上,进而分析了振荡频率对材料致动特性的影响。
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