随着微机器人在生物医学领域的应用潜力逐渐被开发出来,例如药物输送、靶向治疗、微创手术等,微机器人的无线驱动方法也越来越吸引学者们的关注。此外,电磁场驱动对生物体无害,能够穿透深层组织,并且通过改变输入电流可以生成实时受控的动态磁场,因此可控磁场驱动已被广泛运用于磁性微机器人的驱动控制当中。迄今为止,现有的可控磁驱动系统可以主要分类为（1）基于永磁体的磁驱动系统,（2）基于电磁线圈产生的梯度磁场磁驱动系统,（3）基于亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场磁驱动系统,（4）基于电磁线圈产生的旋转磁场磁驱动系统。为了能够成功应用于生物医学领域,响应快、精度高、转向灵敏的磁驱动系统必不可少。目前磁场发生装置结构复杂,微机器人响应速度慢,对机器人位置控制不精确,尤其对于微机器人转向的控制需要进行复杂的电流计算。针对上述问题,对电磁线圈驱动系统作出改进,提高磁驱动系统的性能,具有重要的研究意义和价值。本文创新性提出了使用单对亥姆霍兹和麦克斯线圈以及旋转台实现微机器人二维驱动的磁场控制平台;基于所构建的磁控平台,进行了一系列基于位置信息反馈自动控制实验,验证了所设计磁驱动系统的有效性,并开展了应用于靶向给药等实验研究。所提出的新型磁控平台解决了以往磁场装置对微机器人转向控制不精确和转向响应速度慢的问题,也对现有磁控系统装置的功能改进,并有望将其应用到更复杂的生物医学领域实验中。本论文对以下几个主要方面进行了深入研究:磁驱动基本原理和三维电磁场的数学建模。首先介绍磁现象本质和磁驱动基本原理,研究了微机器人在磁场环境下所受到的磁扭矩和磁力的机理,以实现微机器人精确可控和灵活转向为目标,分别对理想亥姆霍兹线圈,理想麦克斯韦线圈以及其组合线圈模型产生的磁场进行数学建模计算。根据建模计算的结果,分析了理想亥姆霍兹线圈产生均匀磁场、理想麦克斯韦线圈产生梯度磁场的特性,提出采用单对亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的组合以及旋转平台在操作空间范围内产生混合旋转可控电磁场的设计思路。混合可控电磁场驱动系统的设计和实验平台的搭建。首先根据现有磁场平台的参数,以驱动微机器人所需的磁场大小和实际的操控空间范围为参考,根据三维线圈磁场数学模型,计算出磁场驱动所需的线圈匝数,半径以及铜丝直径,然后以三维线圈结构的设计准则,设计出实际的三维电磁线圈模型。利用仿真软件COMSOL多物理场,对三维电磁线圈所产生的磁场进行有限元仿真分析,根据仿真的结果,分析了亥姆霍兹线圈和麦克斯韦产生的磁场特性,并验证了三维线圈电磁场的数学模型。根据亥姆霍兹和麦克斯韦线圈在空间内产生磁场的分布和范围以及对组合线圈的混合磁场的旋转特性分析,优化线圈尺寸结构参数,设计出采用旋转平台与三维线圈的组合产生旋转可控电磁场的磁驱动系统,最后根据设计的磁驱动系统搭建磁控微机器人的实验操作平台。磁控微机器人的设计与制备。研究了磁控微机器人的制造工艺,探索出利用复合模具的制造方法来批量制造微机器人。为了验证所设计的混合可控电磁场驱动系统的性能,设计了具有对称结构的微机器人:方形,三角形,球形,有利于在磁驱动的过程中微机器人的稳定性和便于动力学建模。根据自然界微生物的启发,设计了基于永磁体嵌入弹性体方式的仿生游泳机器人。进一步地,面向靶向给药和癌症治疗的生物医学领域研究,设计了载药运输机器人,用于在模拟血管环境内靶向给药。微机器人的设计与制作为接下来针对微机器人进行大量的实验奠定了基础。微机器人的磁驱动控制实验。首先对微机器人建立动力学模型,重点分析了微机器人在液体环境下运动过程中的主要受力情况,包括磁力,阻力,重力和浮力。设计了基于位置信息反馈闭环控制算法,通过所提出的微机器人自动控制策略,微机器人可以沿着期望的路径自动运动,包括三角形,矩形和其他复杂的字母型路径,实验验证了所设计的磁驱动系统的性能以及所提出的控制算法的适用性。基于所设计的磁驱动系统的特性和优势,开展了包括微机器人仿生游泳实验、微机器人载药运输实验和模拟靶向给药实验在内的一系列应用于生物医学领域的实验。所设计的磁驱动系统是对现有磁控系统装置的功能改进和完善,并有望将其应用到更复杂的生物医学领域中,微机器人磁驱动控制实验为医疗成像、癌症治疗、靶向给药等医学临床应用的研究提供新的研究方法和思路。