微型管道机器人具有惯性小、谐振频率高、响应时间短、集约高技术成果和附加值高等特点,在核工业、航空航天和军事各方面应用前景广阔。实践证明提高微型机器人的可靠性与实用性,必须采用无缆驱动方式,因此无缆微型磁控微型机器人将首先应用于体内介入治疗等医学工程领域。 超磁致伸缩材料具有磁致伸缩系数大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出力大等优点,在精密位置控制、主动振动控制、超精密加工及微机器人方面具有良好的应用前景。 本文提出了一种以管道外磁场驱动来控制微型管道机器人行走的方法,原理是通过管外时变振荡磁场转换成机器人弹性腿的振动机械能实现机器人的行走,由于采用无电缆驱动,提高了机器人的可靠性和行走速度。 在研究超磁致伸缩材料性能的基础上,提出采用电流负反馈电路使磁振荡的时间常数减小,以增加对高频信号的快速响应,减小失真,进而产生较大的位移输出。 文中介绍了机器人系统组成及工作原理,对外磁场能量的磁机转换过程进行了研究,建立了磁机控制模型和机器人动态行走模型,用simulink进行了系统仿真与参数优化,表明阻尼与涡流系数对系统影响较大。 然后基于弹性腿的动摩擦特性和超磁致伸缩合金的驱动特性,建立了微型管道机器人双向控制模型。正向行走是利用超磁致伸缩合金的倍频现象,反向行走是通过施加直流偏置驱动磁场,改变弹性腿与管壁的倾斜方向,然后通过管外叠加时变振动磁场,基于超磁致伸缩的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人弹性腿的振动机械能,从而实现了双向行走。 最后对微型机器人在医疗领域的应用进行了探索性研究,提出了基于变频调速的圆环永磁体旋转磁场系统,根据磁荷积分原理建立了旋转驱动微机器人的数学模型。 通过实验对系统进行了分析,与仿真进行了比较,实验表明机器人系统切实可行,实现了微机器人的场外无缆驱动控制。