專利名稱：磁控微型游動機器人的雙諧振頻率驅動方法
技術領域：
本發明屬于自動化工程技術領域，涉及一種通過外磁場驅動控制微型機器人在充滿液體的封閉管道內實現雙向仿生游動的基本方法。
背景技術：
磁控無纜驅動微機器人更接近于自然狀態，在人體內作業時具有可靠性高、安全等特點。以人體柔彈性組織內的體液為媒介，它可到達體內的深處部位。因此游動微型機器人為體內介入治療提供了一種重要的作業形式，在醫學工程領域具有廣闊的應用前景。
醫療微型機器人的作業環境是體內的腸道、泌尿系統、血管等，其環境特點是周圍由柔彈性組織封閉、內部充有體液的狹小空間。為了不對柔彈性軟組織造成創傷，要求微機器人以無電纜驅動方式，通過游動可靠的進入和退出體內深處，并采用簡單、易于微型化的結構，以實現體內在線醫療作業。
目前研制的游動微型機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發了基于仿生學原理的游動微型機器人；日本的郭樹祥采用離子聚合體薄膜為驅動器開發了另一種游動微型機器人，上述微型機器人由于拖帶電纜，因此存在響應慢、效率低，在人體內驅動存在漏電安全等問題，尤其是不能實現醫學上所需要的體內進入與退出的雙向游動。
事實證明采用磁場控制的無纜驅動方式是提高微型機器人實用性和可靠性的關鍵，因此磁控微型機器人迅速成為國際上的研究熱點，日本的郭樹祥又采用釤鈷磁鐵為驅動器，以銅鉑為尾鰭，開發了管道內游動微型機器人；中國科學院智能機械研究所的梅濤采用鐵磁橡膠[4]為驅動器開發了一種游動微型機器人，通過外磁場實現了微型機器人的控制，解決了無電纜驅動問題，但依然未從根本上解決雙向游動這一難題，上述兩種機器人在驅動器高階諧振頻率驅動時，機器人可以實現慢速度的反向游動，存在機器人控制困難，耗能大等缺點。
綜上所述，目前以超磁致伸縮薄膜為驅動器，采用雙諧振頻率驅動方法在管內充滿液體的環境下，以磁場驅動實現微型游動機器人雙向控制的研究還未見報道。

發明內容
本發明的目的是給出一種管內液體介質環境下，微型機器人的雙諧振頻率驅動方法，提供基于上述理論的設計方法與技術方案，從而實現封閉管道內微型機器人的雙向在線游動，提高機器人的可靠性和實用性。
本發明的技術方案是以磁致伸縮薄膜為驅動器，模仿魚的尾鰭實現仿生游動的微型機器人。磁致伸縮薄膜是以十到幾十微米級的聚酰亞氨或銅鉑為基片，通過物理磁控濺射法形成微米級的磁致伸縮薄膜，本發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Tb0.28Dy0.72Fe1.93；在基片的另一面濺射上負磁致伸縮材料薄膜，其成分為SmFe1.95，正磁致伸縮材料在磁場的作用下伸長；負磁致伸縮材料在磁場的作用下縮短，施加激勵磁場，驅動器將向薄膜的一側產生彎曲。
本發明也可以采用單面薄膜，但其彎曲變形小于雙面薄膜。作業原理是以磁致伸縮薄膜驅動器為魚鰭模仿魚尾部的擺動，通過改變振蕩磁場的驅動頻率，媒介于磁致伸縮薄膜的磁機耦合作用，將振蕩磁場能轉換成驅動器的振動機械能，振動的磁致伸縮薄膜再與液體耦合，便產生了機器人的推力，實現了微型機器人的游動。由于該磁致伸縮薄膜結構簡單、厚度薄，使機器人能夠達到毫米級尺寸，可望應用于人體循環系統如血管內。
依據磁致伸縮薄膜在液體內的諧振模態與推力的關系特性，提出游動機器人的雙諧振頻率驅動方法。磁致伸縮薄膜在液體內的振動特性主要由前三階諧振模態組成，薄膜與液體耦合推力的大小和方向與各階諧振模態的形狀有關如一階諧振頻率驅動時，平均推力不大，機器人向前游動速度較慢；以二階諧振頻率驅動時，平均推力最大，向前游動速度最快；以三階諧振頻率驅動時，平均推力為負推力，機器人反向游動，但速度不大。三階諧振頻率很大，此時磁場會產生嚴重的畸變和嚴重的衰減，因此反向驅動控制效果不理想。
由于二階諧振頻率具有頻率不高，推力大的優點，因此可利用二階諧振頻率實現機器人的雙向游動。方法是在機器人的頭部和尾部各安裝一個二階諧振頻率不同的薄膜驅動器，以兩個諧振頻率之間的頻率驅動就可以實現機器人速度的雙向連續驅動控制。
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度上的質量；lm為磁致伸縮薄膜的長度。
機器人薄膜驅動器安裝結構分為三種第一種結構方案是前、后端磁致伸縮薄膜驅動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。機器人結構如附圖2所示，圖中1前端驅動器；2機器人本體；3后端驅動器。
第二種結構方案是前、后端磁致伸縮薄膜驅動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。機器人結構如附圖3所示，圖中1前端驅動器；2機器人本體；3后端驅動器。
以上兩種結構是采用兩種不同的技術方案來調整前、后端驅動器的二階諧振頻率，前后端都采用單磁致伸縮薄膜尾鰭，但都能實現微型機器人的雙向游動控制。
第三種結構方案是在前兩種方案的基礎上，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、后端都采用兩個磁致伸縮薄膜驅動器與機器人軸心線對稱，并與中心線形成0到45度的夾角。
機器人結構如附圖4所示，圖中1前端驅動器；2機器人本體；3后端驅動器。
本發明的效果和益處是1.通過管道外部交變磁場的驅動頻率改變可以實現微型機器人在封閉管道內的雙向游動控制，無電纜驅動方式提高了機器人的可靠性和實用性。
2.能通過管道外部的交變磁場實現微型機器人游動速度的連續調整和機器人的定位控制，以兩個二階諧振頻率之間的頻率驅動可以實現機器人速度的雙向連續驅動控制，機器人姿態穩定。
3.在很小的低頻率范圍內驅動，可以實現機器人正反方向速度大范圍的連續調整，調整效率高。
4.驅動頻率低，驅動磁場不產生畸變和衰減現象，節省能源。
5.由于磁致伸縮薄膜厚度薄，機器人結構簡單、緊湊，使機器人尺寸可望達到毫米級。本發明原理可用于設計和優化雙向仿生游動微型機器人的微小結構，提高機器人的驅動效率。
6.驅動磁場采用赫姆霍茲雙線圈結構，結構優化表明兩個線圈間的磁場比較均勻，有利于機器人的驅動控制效果，此外還有易于觀察機器人的運動情況，便于檢測機器人的實驗參數。


附圖1是本發明的雙諧振頻率驅動結構示意圖。
圖1中a赫姆霍茲雙線圈；b雙向游動微型機器人；c充滿液體的封閉管道。
圖1中的赫姆霍茲雙線圈a的驅動控制器的功放采用深度電流負反饋放大電路，以提高驅動電流的快速響應，消除電感對交流驅動電流的阻礙作用，使驅動線圈中的電流響應得到大幅度的提高。用正弦波驅動赫姆霍茲雙線圈a。圖1中的充滿液體的封閉管道c，采用有機玻璃，便于觀察和檢測機器人的游動。
附圖2是一種雙諧振頻率驅動微型機器人模型的結構示意圖。
圖2中1前端驅動器；2機器人本體；3后端驅動器。
圖2中的前端驅動器1和后端驅動器2均采用磁致伸縮雙面薄膜，前、后端驅動器為不同種基片。
附圖3第二種雙諧振頻率驅動微型機器人模型的結構示意圖。
圖3中1前端驅動器；2機器人本體；3后端驅動器。
圖3中的前端驅動器1和后端驅動器2均采用磁致伸縮雙面薄膜，但前、后端驅動器為同一種基片。
附圖4是第三種雙諧振頻率驅動微型機器人模型的結構示意圖。
圖4中1前端驅動器；2機器人本體；3后端驅動器。
第三種結構方案中，前端驅動器1和后端驅動器3的磁致伸縮薄膜基片材料可以相同，也可以不同，其選取與設計方法與前兩種方案相同，機器人本體2的前端驅動器1和后端驅動器3分別為兩個，并與機器人中心線對稱安裝，四個驅動器與機器人中心線的夾角相同，夾角范圍在0到45度之間。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。
上述實施例方案一的結構示意圖2中，首先要完成前端驅動器1和后端驅動器3的結構設計，前后驅動器為不同種基片，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磁致伸縮材料薄膜的厚度上進行調整，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系，前端驅動器1的二階諧振頻率的范圍是10到30赫茲，后端驅動器3的二階諧振頻率的范圍是50到70赫茲，前、后端驅動器二階諧振頻率之差為40赫茲，完成二種薄膜的加工。
然后將前端驅動器1和后端驅動器3在機器人中心線上相對本體對稱布置，兩個驅動器基片上的正負磁致伸縮材料薄膜應具有在中心線的同一側，以便抵消側向推力使機器人處于側向平衡狀態。
驅動可以通過波形發生器發生正弦波，通過功放模塊去驅動附圖1中的赫姆霍茲雙線圈a，功放采用深度電流負反饋放大電路。
在前端驅動器1和后端驅動器3的二個二階諧振頻率之間調整驅動磁場的驅動頻率便實現了機器人的雙向游動。
上述實施例方案二的結構示意圖3中，除驅動器設計具體實施的方案不同外，其它實施方案步驟與實施例方案一完全相同。下面僅說明附圖3中前端驅動器1和后端驅動器3的具體實施方式
。
前、后驅動器為相同種材料和厚度的基片，在基片上濺射的正負磁致伸縮材料薄膜的厚度相同，通過調整二種基片的外形尺寸，來實現二階諧振頻率的調整，在保證前、后端薄膜外形面積相等的情況下，使后端長度大的薄膜之二階諧振頻率與前端長度小的薄膜之二階諧振頻率滿足以下關系，后端驅動器3的二階諧振頻率的范圍是10至30赫茲，前端驅動器1的二階諧振頻率的范圍是50至70赫茲，后、前端驅動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為推力大小與薄膜尾鰭的面積有關，以保證機器人前、后游動速度大小相等，實現驅動的對稱性。
上述實施例方案三的結構示意圖4中，驅動器設計具體實施的方案與前兩例完全相同，不同之處是前端驅動器1和后端驅動器3可以分別為兩個，前端兩個驅動器1與后端兩個驅動器3分別對稱安裝于機器人本體2中心線的兩側，前端兩個驅動器1與后端兩個驅動器3與中心線形成同一夾角，夾角范圍為0至45度之間。
機器人本體(2)采用與液體密度相同的材料，將機器人置于附圖1的充滿液體的封閉管道c中，赫姆霍茲雙線圈a以前端驅動器1的二階諧振頻率驅動，實現機器人向后游動；以后端驅動器3的二階諧振頻率驅動，實現機器人向前游動；以兩個二階諧振頻率之間的頻率驅動能實現前、后游動速度的連續調整，從而實現機器人在充滿液體的封閉管道c內的定位。
權利要求
1.磁控微型游動機器人的雙諧振頻率驅動方法，其特征在于a)雙諧振頻率驅動模型的前端驅動器(1)和后端驅動器(3)是二階諧振頻率不同的磁致伸縮薄膜驅動器，分別對稱安裝在機器人本體(2)的前、后端，并與機器人中心線重合，前端驅動器(1)的二階諧振頻率的范圍是10至30赫茲，后端驅動器(3)的二階諧振頻率的范圍是50至70赫茲，前端驅動器(1)和后端驅動器(3)的二階諧振頻率之差為40赫茲；b)驅動磁場采用赫姆霍茲雙線圈結構(a)，充滿液體的封閉管道(c)采用有機玻璃管；c)前端驅動器(1)和后端驅動器(3)可以分別為兩個，前端兩個驅動器(1)與后端兩個驅動器(3)分別對稱安裝于機器人本體(2)中心線的兩側，前端兩個驅動器(1)與后端兩個驅動器(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
本發明屬于自動化工程技術領域，涉及一種通過磁場驅動控制微型機器人在封閉管道內實現雙向游動的基本方法。技術特征是以磁致伸縮雙面薄膜為驅動器，模仿魚的尾鰭實現仿生游動。根據振動薄膜與液體耦合的推力特性和薄膜各階諧振頻率的關系特性，提出了一種機器人頭、尾部具有不同二階諧振頻率驅動器薄膜的雙向驅動模型，通過赫姆霍茲雙線圈產生驅動磁場，在前后薄膜驅動器的二個諧振頻率之間驅動，來實現機器人游動速度的連續調整和定位控制。本發明的效果和益處是結構簡單，易于微型化，可靠性和實用性好，便于觀察，驅動頻率范圍小，雙向調整速度范圍大，通過磁控方式實現封閉管道內微型機器人的雙向游動。
文檔編號H02N2/00GK1604451SQ20041008274
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月3日 優先權日2004年11月3日
發明者張永順, 戴桓震, 賈振元, 郭東明 申請人:大連理工大學