微型机器人具有体积小、响应快、能耗低等特点,应用领域广泛。其中,外磁场驱动的微型管内游动机器人实现了对微机器人的无缆驱动,在医疗领域有着广阔的应用前景,具有微创伤、无痛苦、治疗费用低等特点。 本文提出了一种靠径向磁化的圆筒形钕铁硼(NdFeB)永磁体作外驱动器,由变频调速的电机带动其旋转产生外旋转磁场,驱动表面具有螺旋结构,体内嵌有与外驱动器同磁极结构的钕铁硼永磁体内驱动器的胶囊式微型机器人游动的无缆驱动方法。 本文在阐述了微机器人的驱动原理和游动机理的基础上,首先建立了外磁场作用在微机器人上的磁驱动力矩与轴向磁拉力的数学模型,以此为基础对外磁场的驱动特性进行了仿真计算和研究分析,并对内、外驱动器的磁极数进行了优化设计。 然后,本文建立了微机器人在粘性液体中游动的轴向推进力、液体阻力矩和游动速度的数学模型,并建立了MATLAB环境下的微机器人游动的动态仿真模型。在此基础上,对微机器人的稳态游动特性和瞬态游动特性进行了仿真计算和研究分析,并对微机器人的螺旋升角进行了优化设计。 最后,本文对微机器人的驱动和游动特性进行了实验研究。结果表明,钕铁硼永磁体外驱动器产生的外旋转磁场能够对微机器人产生较大的磁驱动力矩,并驱动微机器人以较大的游动速度在充满粘性液体的管内双向游动,且可以通过改变驱动频率方便地对游动速度进行大范围的调节。实验结果与理论计算结果吻合得很好,本文提出的驱动方法切实可行,为微机器人应用于医疗领域奠定了基础。