磁性微机器人新型阵列线圈驱动建模和控制策略研究.pdf

摘要

摘要

微机器人体积小且不受约束的特性，使得其十分适合工作在相对封闭的狭窄空间，

近年来在生物学，医学等领域表现出巨大的应用潜力，如血管疏通，靶向给药，胃肠道

检测等，因此得到研究者的广泛关注。而磁场作为微机器人最具有前景的驱动方式之一，

具有穿透力强、可远程驱动、无损于驱动活体生物材料等特点，成为研究热点。经过数

十年的发展，从构建磁驱动系统到微机器人精准控制再到设计功能化微机器人，磁场驱

动式微机器人的研究取得了丰硕的成果。相比于单个微机器人，微机器人编队互相协作，

不但能够完成复杂任务，还能提高任务吞吐量。同时，机器人的微型化限制了个体智能

的发展，通过多个微机器人之间相互合作的集群智能可以弥补个体智能的不足。然而，

由于微机器人群体从外部磁场接收相同的控制输入，多个微机器人的独立控制充满着挑

战。此外，由于微机器人之间磁相互作用，如何实现物理约束条件下的微机器人群体协

同控制亦亟待解决。本课题从阵列线圈磁驱动系统设计出发，围绕微机器人群体独立控

制和微机器人群体协同控制开展深入研究。

首先，针对现有电磁线圈系统产生全局磁场，难以实现多个磁性微机器人独立控制

的问题，设计了一种阵列线圈局部磁场生成系统。综合考虑微线圈层数、匝数、载流能

力和制作工艺，优化微线圈结构。对微机器人进行材料选择和结构设计，建立动力学模

型。采用有限元法搭建三维仿真模型，单个微线圈以及组合微线圈仿真结果验证了所设

计局部磁场生成系统的有效性。

其次，为了实现微机器人高精度跟踪定位，提出了一种基于核相关滤波kernel

correlationfiltering（KCF）和图像轮廓检测融合的多目标跟踪算法，跟踪精度达到1个

像素。此外，设计阵列线圈驱动电路，搭建磁性微机器人独立驱动闭环控制系统实验平

台，基于视觉反馈，采用点到点的离散控制策略，开展单个微机器人、多个微机器人独

立控制路径跟踪实验。结果表明，所建立系统具有精准且灵活的驱动性能。

再次，考虑到微观尺度下微机器人编队协同控制要求，添加物理约束，建立多微机

器人系统模型。结合基于冲突搜索的多智能体路径规划算法，为每个微机器人规划出一

条满足距离约束的无碰撞路径。对单个微机器人和多个微机器人进行路径规划仿真，验

证所提方法的可行性。

最后，搭建12×12扩展阵列实验平台，进行微机器人协同控制的若干实验。包括

单个微机器人执行时序任务实验、多个微机器人执行时序任务实验、模拟微型物流运输

实验、微流体运输以及微装配实验，验证本文搭建的磁性微机器人群体协同控制系统的

综合能力。实验结果表明，该系统能够实现多个磁性微机器人独立和协同控制，在微型

物流、微装配方面具有很大的应用潜力。

关键词：磁性微机器人；磁场生成系统；多目标跟踪定位；微机器人协同控制

Abstract

Abstract

Thesmallsizeandunconstrainedcharacteristicsofmicrorobotmakeitverysuitablefor

workinginrelativelyclosedandnarrowspace.Inrecentyears,ithasshowngreatapplication

potentialinbiology,medicineandotherfields,suchasbloodvesseldredging,targeteddrug

delivery,gastrointestinaldetection,etc.,soithasreceivedextensiveattentionfromresearchers.

Asoneofthemostpromisingdrivingmethodsformicrorobot,magneticfieldhasbecomea

researchhotspotbecauseofitsstrongpenetration,remotedrivin