（机械电子工程专业论文）管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究.pdf

一一 篁塑重塑堂型堡垫垫墨奎丝壅垡茎查塑堑窒 摘要 微型机器人由于具有惯性小，谐振频率高，响应时间短等特点，使其在生 物医学、航空航天、军事等方面显示出广阔的应用前景。微型机器人要完成检 测、维修作业，必须要形成高度自治的控制系统，其自身定位能力是关键。由 于管内无缆微型泳动机器入本身的特点，其位置和速度的非接触式在线定位检 测一直是个难题。因此本文提出了一种基于超声波原理的非接触式管内无缆微 型泳动机器人的在线定位检测的新方法。 本文首先对管内微型机器人作了介绍，分析了管内无缆微型泳动机器人研 究现状、主要研究内容及相关技术。接着对各种机器入测距方法和传感器进行 了比较分析，对超声定位原理、机器人结构设计、超声回波信号衰减补偿、超 声波定位算法等管内无缆微型泳动机器人定位中的理论阊鼹进行了深入研究。 简述了超声波定位系统的整体设计和特点，对本课题的研究价值和难点作了分 析。重点介绍了管内无缆微型泳动机器人在线定位系统的研制，在研究中主要 解决了以下问题：( 1 ) 为避免模拟、数字信号之间的干扰以及发射电路的影响， 将定位系统电源分离，使模拟、数字信号分离开来。同时设计了超声波接收、 发射切换电路，使发射和接收电路完全隔离。( 2 ) 为使信号到达数据采集电 路后稳定可靠，设计了自动增益控制电路，该电路在f p g & 中实现，自动完成 自动增益控制功能，不需占用c p u 的控制端口和处理时间。( 3 ) 为减少无效信 号对系统资源的消耗，我们设计了有效数据判断模块，根据起声回波波形开始 和终止数据采集。( 4 ) 使用f p g a 设计了数据采集电路，降低了成本，提高了 可靠性，系统具有升级容易、开发周期短等优点。另外还采用了两块双口r a m 缓存结构，节省了c p u 处理时间与其他资源，c p u 采用基于a r m 内核的l p c 2 1 0 6 。 ( 5 ) 本文使用种结合渡越法和相位测量法各自优点的超声波测量方法，实 现了2 13 6 n s 的时间分辨误差，在水中定位方法本身引起的误差只有o 3 1 7 m m 。 实验测量结果表明，经过调试和改进后的定位系统工作稳定可靠，测量误 差不超过0 3 9 4 m m 。通过对测量误差的分析以及对测量精度的计算，说明本方 案切实可行。 关键词：管内无缆微型泳动机器人；a r m ；超声波定位；可编程逻辑器件；高 速数据采集 一一墅重堡塑型鲨垫垫壁垄垡塞垡垫查塑里窒 a b s tr a c t n o wm i c r or o b o t sh a v es h o w n b r o a dp r o s p e c to f a p p l i c a t i o ni nb i o m e d i c i n e ， a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s ，m i l i t a r ya f f a i r s ，a s t h e y h a v el o wi n e r t i a h i g h r e s o n a n c e ，s h o r tr e s p o n s et i m e ，t oa c c o m p l i s hd e t e c t i o na n dm a i n t a i n i n g ，m i c r o r o b o tm u s th a v ei t so w nc l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e m ，t h ea b i l i t yo fl o c a t i o ni s c r i t i c a l b e c a u s eo fm i c r or o b o t s o w nc h a r a c t e r i s t i c s ，o nl i n en o n c o n t a c tl o c a t i o n t ow i r e l e s s i n p i p em i c r os w i m m i n gr o b o tr e m a i n sa nu n s o l v e dp r o b l e m i nt h i s p a p e r ，an e wl o c a t i n gm e t h o df o ri n p i p em i c r os w i m m i n gr o b o ti sd e v e l o p e d f i r s t l y ，t h ei n - p i p em i c r or o b o t sa r ei n t r o d u c e d 、t h er e s e a r c hs i t u a t i o na n d m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g ya r e a n a l y z e d s e c o n d l y s o m e r o b o tl o c a t i o n t e c h n o l o g ya n ds e n s o r sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，s o m et h e o r y p r o b l e m sa r er e s e a r c h e dd e e p l y ，s u c ha su l t r a s o n i cl o c a t i o np r i n c i p l e ，s t r u c t u r e d e s i g n o fm i c r o r o b o t ，t h ea t t e n u a t i o nc o m p e n s a t i o no fr e t u r n e du l t r a s o n i c ， l o c a t i o n a l g o r i t h m o f u l t r a s o n i c t h i r d l y , t h e w h o l es t r u c t u r e d e s i g n a n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h eu l t r a s o n i cl o c a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h er e s e a r c hv a l u e a n dd i f f i c u l t i e sa r ee x p l a i n e d f i n a l l y t h ed e v e l o p m e n to ft h el o c a t i o ns y s t e mo f t h ei n p i p ew i r e l e s sm i c r os w i m m i n gr o b o t sa r ed i s c u s s e d t h em a i nd i f f i c u r i e s a r ed e a l ta sf o l l o w s ：( 1 ) i no r d e rt od e c r e a s et h ei n f l u e n c ef r o mp o w e ra n dd r i v e r c i r c u i t ，t h ee l e c t r i c a ls o u r c eo ft h ed i g i t a lc i r c u i ta n da n a l o gc i r c u i ta r ei s o l a t e d ， a n dt h ed r i v e ra n dr e c e i v e rc i r c u i t sw e r ei s o l a t e dt o o f 2 1i no r d e rt ok e e pt h e s t a b i l i t yo ft h eu l t r a s o n i cs i g n a l ，w eh a v ed e s i g n e da u t o m a t i cg a i nc o m p e n s a t i o n s y s t e m i ti sr e a l i z e di nf p g a a n dd o n tu s et h ep o r t sa n d p r o c e s st i m eo fc p u ( 3 1 t od e c r e a s et h ew a s t eo fs y s t e mr e s o u r c ei nu s e l e s ss i g n a l ，w eh a v e d e s i g n e d a v a i l a b l ed a t ae s t i m a t i o nm o d u l e ，i td e t e r m i n e st os t a r to re n dac o l l e c t i o nb yt h e s h a p eo fr e t u r n e du l t r a s o n i c f 4 ) w eu s ef p g a t od e s i g nd a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t s ， s ot h ec o s t sa r er e d u c e d ，r e l i a b i l i t yi si m p r o v e da n dt h es y s t e mi se a s yt ou p g r a d e d a n dd e v e l o p e d t na d d i t i o n 。c a c h eu s i n gd o u b l ed u a lp o r t sr a mi su s e dt os a v e p r o c e s st i m ea n do t h e rr e s o u r c eo fc p u w eu s el p c 2 1 0 6c o r e db ya r m a sc p u r 5 、an e wl o c a t i o na l g o r i t h mc o m b i n i n gt h et i m eo ff l i g h tm e t h o da n dp h a s e d e t e c t i o nm e t h o di su s e di nt h i sp a p e rt od i s c r i m i n a t e2 1 3 6 n st i m e - i n t e r v a l s t h e e r r o rc o n t r i b u t e db yl o c a t i o na l g o r i t h mi s0 31 7 m mi nw a t e r a f t e rd e b u g g i n ga n di m p r o v i n g ，t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dm e a s u r i n g s h o wt h a tt h es y s t e mw o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y ，t h es y s t e mc a na c h i e v eal o c a t i o n p r e c i s i o no f0 3 9 4 r a mi nw a t e r t h ee r r o ra n a l y s i sa n dp r e c i s i o nc a l c u l a t i o ns h o w t h a tt h j sm e t h o di sf e a s i b l e k e y w o r d ：i n - p i p em i c r os w i m m i n gr o b o t ；a r m ；u l t r a s o n i cl o c a t i o n ；f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ；h i g hs p e e d d a t ac o l l e c t i o n i f 管内无缆微型泳动机嚣入在线定位技术的研究 1 绪论 1 1 引言 机器人技术属于自动化领域的高技术范畴之一，开发机器人的主要目的之一就是要 代替人在危险的或人们无法到达的环境下工作。现代机器人技术的一个来源是遥控“主 从”型机械手，它是第二次世界大战期间为了对付放射性材料而发展起来的。为此，4 0 年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家实验室开始研究遥控式机械手，用于搬运反射性材料。 该系统属于“主从”型，可以准确模仿操作员手和臂的动作。主机械手由使用者进行引 导作相应的连续动作，而从机械手尽可能准确的模仿作主机械手的动作。1 9 4 8 年诞生了 第一台这样的“主从”操作系统，它标志着现代工业机器人的研究已经开始。 进入5 0 年代，随着电子计算机的迅速发展，使得机器入的发展步伐加快，也使人 们研究能自主、重复操作的机器人成为可能。随后，美国的u n i m a t i o n 公司于i 9 6 2 年制 造了实用的机器人，并取名为u n i m a t e 。紧接着欧洲的第一台程序控制号操作工业机 器人于1 9 6 3 年由瑞典的一家公司推出，这标志着机器入在工业生产中应用的时代已经到 来“2 1 。八十年代中期，技术革命的第三次浪潮席卷着整个世界。当时，一方面，全球 范围内的工业机器人总数，正以每年3 0 以上的速度增长，推动着汽车工业高速发展， 并使之迅速成为全球规模的庞大产业。另一方面，在智能机器人的研究与开发方面，美 国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 以军用为目标，提出了自主地面车辆( a l v ) 计划，发 展无人驾驶车辆。欧洲尤里卡计划提出了自主机器人计划。日本通产省组织几十家大企 业、研究所和高等院校实施了所谓的极限环境下作业的机器人计划，开发在核辐射、水 下和灾害环境中工作的机器人。 管内无缆微型泳动机器人属微型机电系统m e m s 研究领域。m e m s 是英文m i c r o e l e c t r oi v i e c h a n i c a s y s t e m s 的缩写，即微电予机械系统。微电子机械系统技术是建立在 微米纳米技术( m i c r o n a n ot e c h n o l o g y ) 基础上的2 1 世纪前沿技术，是指对微米纳米材 料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它集微型机械与电子电路控制为一体的 微型机电一体化系统，可解决微小领域( 毫米量级) 中收集处理信息、决策、行动及周 围环境控制等复杂技术问题。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指 令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微 加工技术f 包括硅体微加工、硅表面微加工、l i g a 和晶片键合等技术) 相结合的制造工艺， 制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微细加 工技术和微型机械电子产品的出现为微机器人的产生奠定了基础，各种微机器人的研究 成果不断涌现，它已成为举世瞩目的重大科技发展方向”1 。 微机器人不可简单理解为普通机器人的微小化。微机器人学是一个多学科交叉的前 沿学科，它以机械电子技术为基础，还涉及到化学、计算机科学、材料科学、生物科学、 通信和自动控制等许多领域h 1 。目前国际上对微机器人还没有统一的定义，日本的“微 型机器人发展调查委员会”认为微机器人是“在机构的全部或其一部分中包括的小型运 动机构在集成度和密集度方面均比过去高得多的机器。微型机器人由于具有惯性小，谐 振频率高，响应时间短，集约高技术成果，附加值高等特点，使其在生物医学、航空航 天、军事等各方面显示出广阔的应用前景1 ，其中最有可能首先应用的是医疗领域，并 一一 篁塑垂塑垡型鲨垫垫壁垄垡塞竺垫查竺堡壅 迅速成为国际上的研究热点。预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百 微米甚至更小( 纳米级) 的医疗机器人，可让它们直接进入人体器官，进行各种疾病的 诊断和治疗，而不伤害人的健康哺，。 目前医学上广泛使用的各类内窥镜、内送药装置等医疗仪器，进入人体内腔是靠柔 性管引导从外部直接插入。这种驱动方式有两大缺点：是人体内腔狭窄曲折，柔性管 长距离插入有困难，有些死角位置很难达到；二是在插入过程中，柔性管和内腔壁之间 直接接触摩擦，给内腔有机组织带来损伤，引起人体的严重不适和痛苦。因此，研制 与开发能进入人体内腔的医用微型机器人是当前国际上的一个研究热点 1 。目前国内外 正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术、体内药物直接投放微形医疗 机器人。由于机器人在手术的准确性，可靠性和精确性方面大大超过外科医生，一旦研 制成功，将会开创临床医学领域的新天地。 1 2 液体微管道机器人研究现状 进入20 世纪9 0 年代以来，由于具有一般功能的传统制造工业机器人的应用趋向 饱和而机器人向非制造业扩展则成为一个重要方向。开发适应于非结构环境下工作的 机器人将是机器人发展的一个长远方向。这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、 医疗护理、服务、农林、煤气、供水、下水道工程、建筑物维护、家庭自动化、办公自 动化和灾害救护等哺j 。水下机器人可分为两大类：一类是有缆水下机器人；另一类是无 缆水下机器人【l3 1 。近10 年来微细加工技术和m e m s 技术( 微电子机械系统) 的迅速发 展，使得水下机器人的研究小型化、微型化成为可能。这为机器人进入医疗领域奠定 了基础。 面向管道检测的微机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走或游动，携有一 种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一 系列管道作业的机电仪一体化系统，管道微机器人的应用范围有医疗、生物工程、细小 工业管道的检测和维修等，由于受作业空间的限制，微机器人很难采用常规的驱动方式 和驱动机构，必须研究出新颖的驱动方式和相应的驱动器。人体内血液通过血管可以到 达人体内部的任何地方。现在世界上已研制出直径为2 m m 的微型内视镜，通过血管进 行体内的一些局部治疗。但是这种微型内视镜在血管中的运动是靠人手在体外施加推力 来进行的，人体内腔狭窄曲折，柔性管长距离插入有困难，有些死角位置很难达到。另 外在插入过程中，柔性管和内腔壁之间直接接触摩擦，给内腔有机组织带来损伤，引起 人体的严重不适和痛苦。因此，研制与开发能进入人体内腔的医用微型机器人是当前国 际上的一个研究热点。 日本、美国、英国、德国、法国等许多发达国家在液体微管道机器人技术方面做了 大量研究工作。日本在面向管道检测的微机器人方面的研究最为活跃和富有代表性，日 本通产省的“微机械技术”十年计划的三大应用目标中就有两大目标与管道有关，即制 造出能进入工业管道检修的微型机械和能进入人体进行诊断和实行手术的微型机器人， 这使得日本管道微机器人技术处于世界领先水平。 液体微管道机器人按其能源供给方式可分为两类：一类为有缆驱动微机器人；另一 类为无缆驱动微机器人。有缆驱动的微机器人大多是直接利用电能：而无缆驱动的微机 器人则一般是与某种介质间接利用电能或其他形式的能源进行驱动。下面对这两种形式 管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究 的管内无缆微型泳动机器人进行介绍。 1 2 1 管内有缆微型泳动机器人 液体中微机器人大多与仿生学结合，在微机构设计上模仿鱼类、昆虫等生物，同时 驱动器多选择功能材料，如压电陶瓷、高分子材料、p a m p s 凝胶、p a n i a u p i 双聚合 物等。这些设计都取得了较满意的实验结果。 压电陶瓷致动器( p z t ) 具有响应快，位移与电压成正比，重量轻，体积小，能量 转换效率高等优点，己被广泛应用于各种精密机械和机电一体化设备中。日本f u k u d a 等人利用压电体( p z t ) 为致动器研制了一种双鳍鱼型微机器人【8 】o 如图1 1 a 所示，它的 长度是5 0 m m ，整个身体是放大机构，p z t 位移量被放大3 2 6 倍，其推动力来自共振效 应，放大p z t 位移量通过双鳍使该微机器人在水中产生泳动。 随后f u k u d a 等人在双鳍鱼型微机器入的基础上，又进一步研制出了2 自由度的微机 器人 9 1 。如图1 1 b 所示，它的长度是3 2 m m ，宽度是1 9 m m ，放大机构类似于双鳍鱼型 微机器人。p z t 位移量理论放大比率为2 5 0 倍，实验结果只有理论计算的6 3 5 。该机 器人具有两条腿，并且每条腿上带有双鳍，双鳍之间有一定的角度。在一定的频率下， 每条腿能产生前后的运动。当驱动频率高时，微机器人向前运动；当驱动频率低时，向 后运动。因此与双鳍鱼型微机器人相比，它提高了在水中的泳动性能。 图1 1 af u k u d a 等人研制的机器人 f i g 1 一1 a r o b o t d e v e l o p e db yf u k u d a 图1 - 1 b 可水中转向的机器人 f i g 。i - i a b r o b o t c a nv e e r i n w a t e r 图1 2 所示为国内广东工业大学钟映毒等人研究出的一种三自由度的液体中泳动微 机器人 1 0 1 2 o 该机器人以压电元件为驱动器，利用柔性铰链和差式杠杆放大原理设计其 图1 2 广东工业大学研制的机器人 f i g 1 - 2r o b o td e v e l o p e db yg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f i n d u s t r y 主体机构，输出放大倍数为1 6 0 0 左右。放大机构将压电元件的微位移放大输出到类似于 鱼类尾鳍的摆翼上，二侧摆翼同时工作时可以实现在平面内的任意直线运动：当一侧摆 翼动作减小时可以实现转弯。当驱动频率等于主体机构的固有频率时，即工作在谐振状 态时，孩微机器人可实现三自由度的泳动。改变电压频率可控制微机器人的泳动速度。 管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究 日本的g u o 等人还应用i c p f ( i o n i cc o n d u c t i n gp o l y m e rf i l m ) 高分子驱动器制作了一 种水中泳动微机器人( 图l 一3 a ) 。该机器人形似小船，长4 0i t l l t i ，宽1 0 m m ，厚2 r u m ， 其机构设计模仿鱼的泳动原理，具有一对驱动尾翼，如图1 3 a 所示。具有两个自由度， 可实现向前、左转和右转运动。由脉冲电压驱动产生尾翼的推进力。通过改变脉冲电压 的频率( o 1 5 h z ) 可控制水中游泳速度，速度最高为5 3 5 m m s 。 在两自由度泳动微机器人的基础上，g u o 等人开发了三自由度的泳动微机器人( 图 1 3 七) 。该机器人模仿鱼鳔原理，在主体上加了一个i c p f 高分子浮力调节器。由于i c p f 在低频时可将其周围的水分子极化，产生气泡，从而改变微机嚣人的体积。因此调节驱 动频率和驱动电压的幅值，可调节微机器人在水中的浮力，可实现微机器人的上下运动。 与两自由度水下机器人比较，该机器人提高了在水中的泳动性能。 ( b ) t o l n ls t f n d q n a c 蛳a t o f知糊i d ；岬蚶( d l 图1 3 ai c p f 高分子驱动器微机器人 f i g 1 3 ar o b o tw i t hi c p fm a c r o m o l e e u l ed r i v e r m 图1 - 3 b 具有三自由度的泳动微机器人 f i g 1 - 3 br o b o tw i t ht h r e ed e g r e eo f f r e e d o m 另外，日本研究者应用p a m p s 凝胶、p a n i a u p i 双聚合物等材料作驱动器，研制了 一些水中微机器人原型【1 5 】，但这些研究成果远未达到实际应用阶段。 根据以上文献可以看出，液体中有缆驱动的微机器人虽然还没有达到实用的程度， 但都经过了实验测试，性能均能满足设计要求，设计构思新颖，p z t 驱动的微机器人存 在结构复杂，响应慢，效率低，驱动电压过高，易漏电等问题，其他两种机器人也存在 易出现漏电的问题。所以拖带电缆驱动方式已成为微机器人实际应用的严重障碍，必须 加以改进。 1 2 2 管内无缆微型泳动机器人 液体中无缆驱动的微机器人即运动时不需要拖带电缆的微机器人，这种机器人更符 合鱼在水中自由游动的情景，且易于微型化，能适应空间狭小的作业环境，也是未来管 内无缆微型泳动机器人发展的一仑方向。从有关文献来看，无缆供能的方法有两种：一 种是机器人自带电源( 如电池) ；一种是外磁场驱动。 浙江大学周银生等人研制出了种体内电池驱动医用微型机器人口1 ”。它的驱动机 构的外径为1 0 m m ，总长度为7 0 m m 。该机器人由一个带右螺旋槽的圆柱形微电机，一 个带左螺旋槽的圆柱体和一个柔性联轴器构成。当正向接通微电机电源时，带左螺旋槽 的圆柱体顺时针转动，带右螺旋槽的微电机外壳逆时针转动，但两者产生的轴向摩擦牵 引力方向相同，从而能带动微型机器人前进；当反向接通微电机电源时，则使微型机器 人后退。由于人体内腔中存在粘液，此种粘液可看作为润滑剂，因此，当驱动机构旋转 时，由于动压效应作用，微型机器人周围会自动形成一层动压润滑粘液膜，使微型机器 4 一一 篁塑重堕塑型鲨垫垫墨垄垡塞堕垫查堕堡茎 人处于悬浮状态，从而可减轻或消除微型机器人在体内运动时给患者带来的不适与痛苦。 实验结果表明，这种机构的机器人能以较快速度在肠道内悬浮运行，但由于所用材料比 重过大，该机器人在垂直状态下难以行走。 美国m o j a r r a d 等人应用m m m c ( i o n - e x c h a n g em e m b r a n em e t a lc o m p o s i t e s ) 高分 子驱动器研制了一种新型的仿生鱼形微机器人 1 “。该微机器人由船体、控制电路和鱼尾 鳍形i m m e c 薄膜构成。电压驱动条状薄膜摆动实现微机器人的推进。实验结果显示， 该机器人的速度与薄膜摆动的频率与幅值成正比。电池供电的微机器人往往受电池体积 和重量的限制，微型化比较困难。 利用外部磁场供能是比较新颖的种微机器人供能方式。目前，已经研制出了几种 外磁场驱动的微小机器人。结构设计与鱼类的泳动理论相结合，且一般选择磁性材料作 驱动器。这类微机器人对液体微管道环境有更强的适应性，在工业和医疗领域中有广泛 的应用前景。 日本九州工业大学h o n d a 等人研制了两种外磁场驱动的泳动微机器人：一种为管内 鳍形泳动微机器人 i 6 1 ；另种为螺旋形泳动微机器人【1 7 1 。图1 4 a 为鳍形泳动微机器人， 它由n d f e b 磁柱体和粘在磁柱上的聚酰亚胺薄膜构成。当外加激励磁场( 磁场方向沿管 轴方向) 时，小磁柱在磁场力作用下转动，改变激励磁场的方向，小磁柱就会在垂矗磁 场方向上下摆动，且带动弹性薄板振动，从而使得微机器人沿着轴向方向泳动。该机器 人可以在内径为t o m m 的管内移动，当薄板长为2 0 m m ，宽为6 m m ，激励磁场励磁频率为 6 5 h z 时，可获得约7 0 c m s 的速度。 嚣能臀勰，。嗍= 絮耄客。 图1 4a 外磁场推进鳍形微机器人 图l - 4 b 外磁场推进螺旋形微机器人 f i g 1 4 af i n l i k em i c r or o b o tw i t ho u t f i g 1 - 4 bs c r e w ym i c r or o b o tp u s h e db y e x t e r i o rm a g n e t i cf i e l d e x t e r i o rm a g n e t i cf i e l d 图1 - - 4 b 为螺旋形泳动微机器人。该机构由螺旋型导线和贴附与其上小磁铁组成。 小磁铁的尺寸为l m m l m m l m m 。通过旌加外部双向磁场( 磁场方向为垂直运动方向) ， 使小磁铁在磁转矩的作用下产生旋转。该泳动机构在沿螺旋线的传播波形的推进下产生 泳动。其泳动速度随外部激励频率增加而线性增加，并且增加的速率取决于螺旋线的形 状。通过实验验证，推进机构的泳动速率与u g h th i l l 的理论相一致。这两个微机器人结 构设计简单，致动器输出驱动力大，但只有一个自由度，且不能实现双向行走。 日本千叶大学h i d e os a o t o m e 等人开发了一种平行磁场方向液体中泳动微执行器 f 图1 5 ) 。它由两个小磁块( 材料为n d f e b ，尺寸是0 7 r a m o 7 m m 2 r a m ) 和连接两 小磁块的一幅鱼鳍( 长2 0 r a m ) 构成。两小磁块极陛相对放置，两个鳍用橡胶膜连接， 小磁块可在鳝上滑动。它的运动机理如图1 - - 5 b 所示，当外部没有磁场时，微执行器是 直的；当外加直流磁场时，小磁块在磁转矩的作用下发生偏转，沿鳍滑动；当在矗流磁 场基础上加一个交流磁场时，小磁块就会保持弯曲伸展运动，从而平行于磁场方向运动。 该执行器的最大速度为3 7 m m s 。此微机器人的结构设计比较新颖，可双向行走；但在垂 直方向上小机器人的运动不能控制。 图1 5 an d f e b 材料泳动微执行器 f i g 1 - 5 as w i m m i n gm i c r oa c t u a t o ro f n d - f e bm a t e r i a l 图i 一5 b 微执行嚣的运动机理 f i g 1 5 b m o v i n g m e c h a n i c s mo f m i c r o a c t u a t o r g u o 等人制作的一个鳍形管内微小机器入1 卿( 图l - - 6 ) 。该微机器人的结构类似于 h o n d a 等人研制的鳍形泳动微机器人，不同的是用苯乙烯材料将n d f c b 小磁柱包裹构成 主体，且微机器人的主体做成球形。n d f e b 小磁柱的尺寸是中1 2 m m x 4 m m ，鳍形薄膜平 板的厚度为1 0 0 h m 。当薄板长为1 5 m m ，宽为l o m m 时，该微机器入可获得4 2 m m s 的速 度。该微机器人的特点是具有柔韧性，良好的响应性能，但只能向一个方向运动。 图1 6 鳍形管内微小机器人 f i g ，1 6 f i n l i k em i c r or o b o ti n - p i p e 日本t o h o k u 大学s e n d o h 等人研制了基于旋转磁场驱动的微机器人1 2 0 2 5 。这种微机构由 永久磁铁、圆柱状主体和螺旋锥状头部构成，如图l 一7 a 所示。它可在液体和凝胶体里 泳动。当在垂直主体的轴线方向上施加一旋转磁场时。小磁铁受磁转矩的作用与外磁场 同步旋转，螺旋锥状结构产生推力使该机器人在轴线方向上泳动。实验表明，对结构尺 寸相同的微机器人，外磁场的磁场强度越大，微机器人的速度最大值就越大，称速度最 大值对应的频率为截止频率，而在截止频率以下，微机器人的速度与外磁场的激励频率 成正比。在周一磁场强度条件下，结构尺寸不同的微机器人具有不同的截止频率，进而 具有不同的响应频率段，所以在同一磁场下，调节激励频率可实现多个微机器人的个体 控制。 6 一笪塑重塾壁型鲨垫垫塑垒垄垡壅垡堇查塑翌塞 图1 - - 7 a 外旋转磁场驱动的微小机器人 f i g 1 - 7am i c r or o b o td r i v e db ye x t e r i o r m a g n e t i cf i e d 图1 - - 7 b 携带加热线圈的微机器人 f i g 1 - 7 bm i c r or o b o tw i t hh e a t i n gl o o p 这种微机器人在医疗领域有一定的应用前景。图1 7 b 所示为携带加热线圈的微杌器人， 它可以在人体内的血管或支气管内行走到达人体内的癌细胞、瘤等病变处进行局部加热， 杀死病菌。 中国科学院智能机械研究所梅涛等人应用新型智能材料一铁磁橡胶研制出了无缆驱 动和控制的泳动微小机器入瞄l ( 图l 一8 ) 。该机器入主体为一可以漂浮在水面的船形塑 性管，主体两侧安装两个f m p 鳍，并与主体有一定的角度。它的整体尺寸为 2 0 r a m 1 4 r a m 5 r n m 。藏加外部磁场时f m p 在磁转矩的作用下产生弯曲，外部磁场消失 时，f m p 回到初始位置。反复施加磁场，f m p 产生振动，使小机器人在平行磁场方向 上泳动。通过改变磁场强度和频率可对速度进行调节。该机器人可双向行走，正恕最大 速度可达4 0 4 5 m r n s ，由于结构限制，其反向最大速度只有9 n l m f s 。此外，这个微机器 人不能实现转弯运动。 r 篇i 血gw 蛔由啦 口_ 口酬f i e l d 图1 - - 8 铁磁橡胶致动器微机器人 f i g 1 - 8 m i c r or o b o t w i t h f e r r o m a g n e t i cr o b b e rd r i v e r 1 ，2 3 液体微管道机器人研究现状分析 以上机器人均经过试验测试，性能能满足设计要求，设计构思新颖。均为液体泳动微 机器入在设计、制作方面作了有益的探索，对工业、医疗等颁域中微型机器人发展均具 有不可估量的推动作用。上述机器人各有优缺点，他们的共同特点是是设计结构简单， 均克服了一般管道机器入运动对与环境发生直接接触、产生摩擦的缺点，更适合水下机 器人的工作环境。按照材料来分类，以压电p z t 驱动的微机器人的缺陷是存在拖带电 管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究 缆、低响应、泄漏电流等问题：而以i e m m c 、i c p f 、p a m p s 及铁磁橡胶等材料微驱动 器的机器人的共同特点则是以磁场能为能量，属无缆非接触式驱动，不同于前述微型机 器入的电缆供电方式。在满足无缆化的要求之后，还要求液体泳动微机器入具有可以转 向或是可以双向行走的功能。如日本的f u k u d a 和中国的梅涛等人均对他们研制的机 器人样机进行了进步的研究，使其更接近大自然鱼类真正无拘无束的泳动方式特点。 但目前体内游动微机器人的无缆控制方法以及双向行走控制方法在国内外虽然已经开始 研究，但均不够完善，上述无缆驱动和多自由度控制两个问题能否取得理论上的突破已 成为体内游动微型机器人实用化的关键，因此有较大的研究价值。 1 3 管内无缆微型泳动机器人主要研究内容 目前管内无缆微型泳动机器入主要研究内容主要集中在对运动机理、驱动器、机构 组成、外界通信与定位问题以及管内无缆微型泳动机器人的动力学方程及其控制等问题 上： 1 ) 泳动微机器人的运动机理的研究：液体中运动装置可采用螺旋浆和泳动等方式，但 传统螺旋浆推进器有雒源效率低，结构尺寸和重量太，对环境扰动大，嗓音大，可 靠性差，起动、加速性能差以及运动灵活性能差等缺点e 1 6 。而利用智能性材料构成 的仿鱼类微型泳动推进装置，不仅具有鱼类运动高效率、无噪音等优点，并且还使 其小型化、微型化成为可能。仿鱼型机器人已成为液体泳动微机器人的发展趋势。 因此，如何结合现代仿生学的泳动理论，研究泳动微机器人运动机理成为一个重点。 2 ) 对泳动微机器人的机构组成的研究：对泳动微机器人的机构组成的研究工作主要集 中于如何使泳动微机器人在一定的运动机理的约束下，获得最优的运动性能，同时 还要求易于控制，易于小型化，因此需要进一步深入研究微机构理论，且与仿生泳 动理论楣结合，在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化， 以实现泳动微机器人结构最优设计。 3 ) 对泳动微机器人的驱动器的研究：从已经研究出的液体泳动微机器人来看，机器人 的性能与其所采用的驱动装置的材料关系密切。因此对液体泳动微机器入的驱动器 的研究主要集中在对驱动器采用的材料的动、静态性能的研究上。主要研究该材料 的谐振频率与驱动器结构的关系，以建立起频率一振动关系式，为以后建立起完整 的控制模型打下理论基础。 4 1 泳动微机器人的与外界通信与定位问题的研究：微机器人在水下检测、维修作业时， 需要与外界进行联系，将传感器采集到数据及有关水下环境的信息传递给控制器， 并接受操作人员的命令，同时信息的反馈也是实现闭环控制的关键。这种信息的传 递采用电缆则面临着微机器人水下受到限制等诸多问题；若考虑采用无线通讯方式， 则存在控制复杂以及微机器人结构设计难度加大等问题。因此，如何实现高效、准 确的通讯是微机器人正常工作的必要条件e 2 7 5 ) 对泳动微机器人的动力学方程及其控制问题的研究：泳动微机器人研究的最终目标 是作为移动载体进行一定的作业。因此研究泳动微机器人的动力学方程和其控制问 题具有十分重要的意义。物体进入微观范畴，表面力与体积力相比成为起主导作用 的力故随着尺寸的缩小，静电力与重力相比较是主导作用力( 机械的微小型化的 尺寸效应) ；同时，与重力相比摩擦力的影响比普通机械为大 2 8 o 因此，综合考 管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究 虑微机器人的材料、结构、形状进行研究，制作一些不同材料、不同结构、不同形 状的微机器人，进行实验、测试。最后，进行分析综合、修改并确认微流体力学中 的一些主要规律及一些因素，建立液体中微机器人的动力学方程，优化结构设计， 解决其控制问题。 1 4 本文的研究内容 本论文的主要内容包括： 1 ) 对目前各种常用的机器入定位方法和传感器进行比较分析，确定适合管内无 缆微型泳动机器入的定位方法和传感器。 2 ) 对管肉：无缆微型泳动机器人定位的一些关键理论问题进行了研究，这些关键 问题包括：超声定位原理、微管道机器人结构设计改进、超声回波信号衰减 补偿、高精度超声波定位算法等。 3 ) 介绍了管内无缆微型泳动机器人在线定位系统的设计思想和特点，描述了硬 件系统的功能划分以及实现，同时对本课题的研究价值和难点作了分析。 4 )详细介绍了管内无缆微型泳动机器人在线定位系统的硬件设计，主要包括换 能器发射驱动电路、智能化的信号采集电路、自动增益控制电路、超声波的 渡越时间计算电路、系统发射与接收切换电路、f p g a 数字电路、l p c 2 1 0 6 微控制器电路等，在硬件设计中主要解决了5 个问题，即驱动电路设计、高 速数据采集及传输控制、智能化的数据采集控制设计、信号检测方法和电路 的设计、自动增益控制电路设计。 9 一一 篁堕至些壁型垫垫墼壁垄垡塞垡垫查塑堕壅 2 管内无缆微型泳动机器人定位理论研究 管内无缆微型泳动机器人要完成检测、维修作业，必须要形成高度自治的控制系统。 在管内无缆微型泳动机器人控制系统的开发中，其自身定位及环境的识剐能力是关键。 由于管内无缆微型泳动机器人具有本身体积微小、易上下浮动、电磁场驱动等特点，造 成其定位相当困难，目前管内无缆微型泳动机器人速度及位移的识别多为借助于管外激 光干涉仪器和管外跟随装置间接实现，还远远没有实现速度及位置的自主识别，因此本 文提出了一种基于超声波定位原理的非接触式管内无缆微型泳动机器人在线定位的新方 法。 2 1 机器人常用定位方法 要实现机器人的闭环控制，必须要有定位技术来获得机器人的位置信惠。通常定位 技术有两种：无源定位技术和有源定位技术 3 0 3 0 2 1 1 无源定位技术 经典的距离测量使用无源定位技术，我们称之为被动方法，常见的有立方体视觉和 结构光方法。 1 )立体视觉定位：从仿生学的角度来看，基于双目原理的视觉系统最接近于生物体的 视觉系统，但由于受到算法的限制，定位进度与成像速度还不能满主机器人的需要。 2 ) 结构光定位：结构光定位的原理与光学定位的原理类似，使用单一光源或平面逐点 测量从而获得物体的完整三维描述。这种方法比较精确，但由于速度过慢无法应用于实 时任务。 在实际应用中，特别是在机器人领域中，无源定位方法大都无法同时满足实时性和 精确性。而有源定位技术由于具有以下的优点在实对机器人领域获得大量的应用： 1 ) 主动传感器由于不存在复杂的图像匹配技术，因而定位速度快，实时性好。 2 1 主动传感器不易受到外部条件，如天气情况，光照条件及阴影等外界条件的影响。 3 )主动传感器工作不仅使用自然光照，它自身也可以对被测物体产生光照。 4 1 由于多数传感器系统中，有源光的发送与其接收器同轴，从而从本质上解决了结构 光和立体视觉难于解决的“消失片段( m i s s s i n gp i c e c e s ) ”问题 3 1 3 。 2 1 2 有源定位技术 在有源定位技术中，常用的主动传感器有超声波、微波、红外线、激光四种。 1 ) 超声波传感器( u l t r a s o n i cs e n s o r ) ：超声波一般是指频率高于20k h z 的声波，具 有波长短，绕射小，能定向传播等优点。它具有纵波、横波和表面波三种波形。其 中纵波可在气体、液体和固体中传播，横波可在固体中传播，表面波则只可在固体 表面传播。超声波在遇到杂质或传播介质分界面处会产生明显的反射，这种发射不 是严格定义的，具有散射性。超声波目前已经得到了广泛的应用，如超声清洗、超 声焊接、超声探伤、超声诊断和超深定位等口2 。3 3 o 超声波传感器具有造价低廉、速 度快、距离分辨率高等特点。 2 ) 红外线传感器( i n f r a r e ds e n s o r ) ：红外线也是一种人眼看不到的光线，波长范匿l 大致 1 0 管内无缆微型泳动机器人在线定位技术的研究 在0 7