点阵式电磁平台驱动微球的运动控制开题报告

 2023-10-18 09:00:40

1. 研究目的与意义

注射到血管中的亲水和可降解微型机器人具有许多潜在的临床应用。一个重要的应用是通过装载抗癌药物的微型机器人在复杂的血管网络中进行靶向递送。目前，这些微型机器人因为被动分布和选择性结合工作，导致药物的有效浓度较低。通过适时的外力将这些载药微型机器人从注射部位转移到目标部位点可显著促进药物的有效释放并减少药物对其他健康组织的危害。通过从生物环境或外部能量场获取动力来推进微型机器人已经进行了大量研究。考虑到体内环境中的血管是一个复杂的网络，将微型机器人高效准确地导航到目标部位是这一有前途的技术成功应用的关键挑战。

血管内微型机器人导航的非线性动力学建模和控制研究是一个具有挑战性的课题。在许多研究提出的控制系统中，都需要用到血流速度的信息。事实上，血管导航是一个复杂的时变运动过程。干扰不仅包括建模误差，还包括各种环境噪声，其中血流速度的变化是最大的内部干扰之一。血流速度分布难以测量，尤其是在分叉处。不同形状分叉的血流速度估计需要大量的在线计算。此外，执行器饱和问题会导致系统性能的不稳定和退化。

因此，设计出一个不需要考虑血液流速的导航控制系统具有很大的应用价值，本课题依托点阵式电磁电路，磁球，和视觉相机。设计出一个能够控制点阵线圈通电从而使磁球沿着规划好的路径并且以合适的速度运动到指定点位的控制系统。并且将该控制系统进行优化，使得在运动控制中，系统能够不受外部干扰影响（对应于血管机器人即不受血液流速影响）。与其他系统不同的是，该系统采用交错点阵式电磁电路形成分布，密度均匀的磁场，有利于控制。且由于是电路板的形式，电阵线圈高低一致，这不仅能够让磁场更加均匀，而且能降低由于结构产生的干扰影响。

2. 研究内容和预期目标

一、主要研究内容：

a) 正确调研文献

b) 制定控制方案，完成控制系统设计

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3. 研究的方法与步骤

研究步骤：

参阅相关系统的资料,检索文献与论文,开展系统原理调研初步拟定设计方案
完成整体系统的方案设计、机械结构设计、自动控制系统设计
实物测试
提交系统设计图纸、电路设计方案、分析数据等材料
完成说明书编写

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4. 参考文献

1. Hu, W., Lum, G. Z., Mastrangeli, M. amp; Sitti, M. Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion. Nature 554, 81–85 (2018).
2. Li, T. et al. Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer. Nano Lett. 17, 5092–5098 (2017).
3. Hu, N. et al. Magnetically Actuated Rolling of Star-Shaped Hydrogel Microswimmer. Macromolecular Chemistry and Physics 219, 1700540 (2018).
4. De Canio, G., Lauga, E. amp; Goldstein, R. E. Spontaneous oscillations of elastic filaments induced by molecular motors. Journal of The Royal Society Interface 14, 20170491 (2017).
5. Zhang, Z., Long, F. amp; Menq, C.-H. Three-dimensional visual servo control of a magnetically propelled microscopic bead. IEEE Transactions on Robotics 29, 373–382 (2013).
6. Xu, T., Hwang, G., Andreff, N. amp; Rgnier, S. Planar path following of 3-D steering scaled-up helical microswimmers. IEEE Transactions on Robotics 31, 117–127 (2015).
7. Wang, X. et al. A Three-Dimensional Magnetic Tweezer System for Intraembryonic Navigation and Measurement. IEEE Transactions on Robotics 34, 240–247 (2018).
8. Pawashe, C., Floyd, S., Diller, E. amp; Sitti, M. Two-dimensional autonomous microparticle manipulation strategies for magnetic microrobots in fluidic environments. IEEE Transactions on Robotics 28, 467–477 (2012).
9. Fan, X. et al. Automated Noncontact Micromanipulation Using Magnetic Swimming Microrobots. IEEE Transactions on Nanotechnology PP, 1–1 (2018).
10. Rahmer, J., Wirtz, D., Bontus, C., Borgert, J. amp; Gleich, B. Interactive Magnetic Catheter Steering With 3-D Real-Time Feedback Using Multi-Color Magnetic Particle Imaging. IEEE Transactions on Medical Imaging 36, 1449–1456 (2017).
11. Go, G. et al. Electromagnetic Navigation System Using Simple Coil Structure (4 Coils) for 3-D Locomotive Microrobot. IEEE Transactions on Magnetics 51, 1–7 (2015).
12. Lenaghan, S. C. et al. Grand Challenges in Bioengineered Nanorobotics for Cancer Therapy. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 60, 667–673 (2013).
13. Arcese, L., Fruchard, M. amp; Ferreira, A. Endovascular magnetically guided robots: navigation modeling and optimization. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 59, 977–987 (2012).

5. 计划与进度安排

（1）2024-1-15～2024-3-05 调研文献资料，进行文献综述，撰写开题报告，翻译英文文献；
（2）2024-3-06～2024-3-31 查阅相关资料，深入了解系统组成，开展系统初步的机械结构设计、控制方案研究；
（3）2024-4-01～2024-4-30 优化设计方案，开展关键部件参数选型计算和自动控制系统设计工作，完善相关辅助系统的设计；
（4）2024-5-01～2024-5-20 撰写设计说明书，20日上交毕业设计论文初稿。

（5）2024-5-21～2024-5-31 修改和完善毕业设计论文，整理所有毕业设计文档资料，上交全部资料的纸质打印稿和电子稿。

（6）2024-6-01～2024-6-10 毕业设计答辩准备，参加毕业设计答辩。

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