王蒙利[1]2004年在《鞭毛电机的运行机理和特性研究》文中认为分子电机是一种特殊的蛋白质大分子,广泛存在于肌肉纤维和细胞组织中。生命体内的一切活动,从肌肉收缩、细胞内部的运输、遗传物质的复制,一直到细胞的分裂等等,都是源于具有分子功能的分子电机。鞭毛电机(BacterialFlagellar Motor,简称BFM)是生物界中最早发现的分子旋转电机。由于其体积大,易人工操作,因而可作为研究分子旋转电机的理想模型,得到了较为充分的研究。人们提出了各种各样的模型来解释其力矩产生过程,对认识细胞运动机制及生物能量转化机制有重要的意义。首先,本文论述了鞭毛电机的结构组成和各部分的功能,阐述了其转速测量、生物能学以及旋转动力学。简单的介绍了Na+驱动的鞭毛电机并对目前鞭毛电机的研究进展作了分析和展望。其次,本文基于超声波电机模型研究了鞭毛电机的运行机理。详细分析了鞭毛电机的力矩产生机制,即H+的跨膜运动带动定子在超声波频域内的振动,通过定子和转子之间的摩擦作用和弹性形变产生转矩,将振动能转化为机械能。利用工程振动学,对鞭毛电机定子的振动特性作了详细的分析,计算出离子通道的振动频率,并对振子的振动方程作了解析。通过对宏观的超声波电机的研究,仿真得出了鞭毛电机转速-转矩关系曲线,并基于仿真结果利用旋转动力学对输入功率、输出功率进行计算,得出了机械效率,结果表明鞭毛电机是一种效率较高的微电机。最后,本文还基于定子-转子之间的静电作用模型,利用电磁场和细胞运动学的知识研究了鞭毛电机的方向转换机制,并详细分析了鞭毛电机的力矩产生机理,得出了鞭毛电机的转速-转矩关系的数学模型,并对其进行仿真得到了机械特性曲线,仿真结果与目前实验测得的数据相吻合。
夏长亮, 王蒙利, 史婷娜[2]2005年在《基于超声波电机模型的鞭毛电机运行机理与特性研究》文中研究说明鞭毛电机(BFM)是微观世界里的一种分子旋转电机,其利用 H+的电化学势能转化为机械能推动转子旋转。由于鞭毛电机体积大、易操作,因而可作为研究分子旋转电机的理想模型,对认识生物能量转化及细胞运动机制有重要的意义。该文介绍了鞭毛电机的结构组成,阐述了其运行机理。基于超声波电机的模型,详细分析了力矩产生机制,即 H+的跨膜运动带动定子在超声波频域内的振动,通过定子和转子之间的摩擦作用和弹性形变产生转矩,将振动能转化为机械能。利用工程振动学,对鞭毛电机定子的振动特性作了分析,计算出离子通道的振动频率,并对振子的振动方程作了解析。通过对宏观的超声波电机的研究,得出了鞭毛电机的转速-转矩关系的数学模型,并对其进行仿真得到了机械特性曲线,仿真结果与目前实验测得的数据相吻合。并基于仿真结果,利用旋转动力学,对输入功率、输出功率进行计算,得出了机械效率,结果表明鞭毛电机是一种效率较高的微电机。
王鹏[3]2013年在《仿生游动介入机器人设计与控制》文中进行了进一步梳理寻求有效的方法弥补传统介入诊疗系统的缺陷是新型介入系统研究的一个热点。本文通过研究鞭毛微生物的驱动机理，提出一种用于介入诊疗的新型仿生游动机器人，这对于减少传统消化道内镜及心导管与管腔硬接触给病人带来的痛苦，弥补胶囊内窥镜被动运动的不足，以及拓宽微创外科手术技术的应用范围，具有重要的现实意义。本文在观察鞭毛微生物运动特点、分析其内在驱动机理的基础上，找到仿生的突破口，开创性地设计了叁推进器推进的仿生游动机器人。运用理论研究、视频分析、仿真和实验等多种方法相结合，旨在设计一种结构简单、便于微型化的游动机器人，以期望将其用于介入诊疗中，弥补目前微创手术的不足。论文首先比较了目前在鞭毛驱动研究中应用最为广泛的两种理论，即抗力理论和细长体理论。比较结果表明：抗力理论计算简单，而细长体理论具有更好的普适性。之后建立了鞭毛柔性尾模型，模型的流固耦合分析结果表明：对于本文设计的推进器，可将其视为刚性体进行分析研究。通过观察单鞭毛尾细菌的转向特性，发现了转向时螺旋尾的弯折现象，并建立了相应的鞭毛尾动力学模型，通过分析获得了能使菌体具有最佳转弯性能下的最优弯折点以及最优弯折角度，最后通过数值仿真发现这一结论在宏观环境下同样适用。在仿生学的基础上，对游动机器人进行结构设计和控制系统搭建，并考虑到液体运行环境的特殊性，对机器人密封等细节进行了设计，确保机器人在液体中的运行安全。引入陀螺仪对机器人的运行姿态进行监测，实现了全闭环控制。求出了机身阻力以及推进器的推进力等，将其代入建立的运动学和动力学模型中，仿真发现机器人具有良好的运动学性能。制作机器人原理样机，在搭建的实验平台上进行实验研究，验证了本文提出的叁推进器驱动方法是切实可行的。
李雅娟[4]2013年在《螺旋推进仿生游动机器人的研究》文中研究表明介入血管机器人的研制能有效弥补传统的血管介入设备自动化程度低，术者和患者暴露在辐射下时间长等缺陷，成为了学界又一个研究热点。本文在对国内外介入血管机器人研究动态现状进行充分分析的基础上，注意到微观生物界细菌的游动机理——鞭毛螺旋推进在低雷诺数，微观液体环境下具有高效和高适应的卓越性能，基于对鞭毛菌的模仿，提出了一种由新型刚性螺旋尾推进的游动机器人，进而对其运动机理进行理论分析，制作机器人实验样机。本文提出的仿生游动机器人设置有四根螺旋尾，分别布局在机器人机身两端，该设计可以使机器人得到前进，后退，转向等多个自由度。基于对机器人水下密封性以及运动时流体阻力的综合考虑，对机器人总体结构进行了设计，建立了机器人的叁维模型。采用了ANSYS有限元分析软件对机器人关键零件进行静力学分析。通过理论建模分析，对螺旋尾结构、机器人机身外形以及两螺旋尾之间间距进行优化，以获得良好的运动性能。机器人在血管中的运动为叁维空间运动，为了避免传统欧拉角建模带来的数学奇异点问题，本文基于四元数理论建立机器人的运动学模型。基于牛顿-欧拉方程建立了的机器人动力学模型。采用四阶龙格——库塔数值积分方法对机器人数学模型进行了数值仿真分析。之后，在RecurDyn软件环境下构建机器人虚拟样机系统，分析了机器人完成预定轨迹所需要的力与力矩，并在此基础上构建了机器人的控制规律。以此为依据，建立RecurDyn与Matlab/Simulink联合的交互式机械控制仿真系统，通过仿真分析机器人的运动性能。最后，加工了机器人外壳以及设计了基于两片ATmega8单片机的主从式硬件控制电路，完成了机器人原理样机制作。为了测试螺旋尾推进力与影响推进力大小因素的关系，设计了正交试验，并将试验结果与理论计算相比较，有较好的吻合性。利用制作完成的机器人样机，在模拟血液的油液环境中进行了整机运行实验，验证了机器人样机的运动性能。
刘耀东[5]2010年在《一种新型仿生游动机器人研究》文中研究说明游动微型机器人由于非接触、无摩擦,能源利用率高的优点,已经成为国内外介入机器人研究的热门课题之一。注意到,鞭毛菌在运动过程中会呈现螺旋状,运动的改变依赖于螺旋的变化。本文基于鞭毛菌运动机理,设计出一种新型游动微型机器人。该机器人以四根刚性螺旋为推进器,在运动过程中,调整螺旋的旋向与电机的转向组合,来实现轴向力和周向力的控制与协同,最终实现机器人的前进、后退和转向。论文首先对鞭毛菌的仿生游动机理进行了分析,在此基础上,设计了流线型机器人外形,提出游动微机器人的推进设计方案,对机器人在流体中的静态平衡及密封等问题进行了综合考虑。建立了机器人的推进力和在流体中受到的阻力分析模型,并进行了理论分析。为了实现机器人的运动控制,设计了机器人嵌入式控制系统和上位机监控系统。嵌入式控制系统以数字比例-积分-微分控制器为基础对电机转速进行控制,嵌入式控制系统和上位机监控系统通过无线通信技术实现数据传输。最后,对机器人在游动过程受到的阻力和机器人产生的推进力进行实验研究。构建了模拟动脉环境实验台,对机器人在流场中的动力学性能及工作效率进行了实验研究,结果表明,机器人驱动方法切实可行。
朱倩芸[6]2015年在《仿鞭毛菌游动的微型机器人运动特性研究》文中研究指明微型游动机器人的结构尺寸微小、器件精密,能够进入到人类和宏观机器人所不及的狭窄空间进行微细操作,应用前景十分广阔。自然界中微生物在低雷诺数液体环境下的运动为微型游动机器人的研发注入了灵感,对鞭毛菌等单细胞生物的运动形式及机理的研究与仿生设计成为热点。本文以仿鞭毛菌游动的微型机器人为研究对象,运用理论分析、数值仿真以及实验测量等研究手段对其仿生机理及运动特性进行了研究。本文首先对螺旋推进式机器人的仿生原理——鞭毛游动机理的理论基础进行了分析,比较了叁种应用最为广泛的鞭毛推进理论,即细长体理论、抗力理论以及边界元理论。比较结果表明:边界元理论适用范围最广,精度最高;细长体理论适用于细长型鞭毛推进计算,计算精度较高;抗力理论计算最为简单,适用于精度要求不高的场合。针对鞭毛游动的近壁效应,建立了鞭毛菌的近壁运动动力学模型,通过与实验数据进行对比分析,验证了该模型的有效性。在此基础上,对螺旋尾的几何和运动学参数与近壁运动速度之间的关系进行了探讨,为仿生游动机器人的运动控制提供了参考依据。其后,基于计算流体力学,利用CFD分析软件Fluent对课题组研制的仿鞭毛菌游动的微型机器人的运动特性进行了仿真研究,分析了螺旋尾结构参数、液体环境参数以及螺旋尾转速对机器人直行速度的影响。最后,搭建了基于视觉的游动机器人实验测量系统,并建立了基于运动图像序列的机器人运动学参数测量方法。利用实验平台和测量方法,分别对螺旋尾结构参数、液体环境参数以及螺旋尾运动学参数对机器人直行速度的影响进行了实验研究。实验数据显示,上述参数与机器人直行速度之间的关系和仿真结果吻合良好。
冯希光[7]2018年在《仿鞭毛菌游动机器人设计与仿真探究》文中认为本文针对鞭毛菌游动的运动特性,设计了螺旋推进的小型仿生机器人,并进行了建模与分析。针对机器人机身结构,设计了机器人的外形,改变了机身形状,缩减了纵向尺寸的同时,能够在横向布置使机器人转向的机构,确定了机器人的总长和总体布局,选择了机器人的机身材料,对壳体进行了模态分析和外形减重优化,并对转向机构进行了静力学分析。该机器人结构具有更少的驱动器和控制器,大大缩小了机器人的尺寸,且使用柔性联轴器提高了机器人的运动灵活性。本文采用了仿真优化的方法,对游动机器人驱动系统的尺寸参数进行了优化,采用抗力理论对机器人鞭毛尾驱动系统进行参数建模,并应用有限元法和遗传算法对螺旋驱动系统参数进行优化,探究了驱动尺寸参数中的螺距和螺旋半径对机器人运动性能的影响。利用虚拟样机技术分析了机器人的运动学特性,模拟机器人运行的真实环境,获得了机器人的质心位置曲线、运动轨迹、驱动力曲线等结果,为物理样机的制造提供了依据。进行了机器人的样机制作与运行实验,用增量制造3D打印的方式制作了机器人机身壳体,探究了电压和驱动尺寸参数对机器人运动效率的影响,并利用正交实验比较了对螺旋尾推进力造成影响的总长、螺旋半径、转速等因素,同时验证了机器人样机在液体中所能完成的动作。
崔俊文[8]2007年在《鞭毛细菌游动机理及其模型研究》文中研究指明自然界生物运动形式千姿百态,单细胞微生物鞭毛细菌是最简单生命体,其在低雷诺数环境下特有游动形式及机理研究是极富有挑战的课题。鞭毛细菌的研究属于纳米机器人范畴,是当前机器人领域中一个重要前沿分支。仿生鞭毛细菌游动机器人的研究和开发不但将在微创手术、高精确度目标药物投放、纳米传感器等微型操作中有广阔的应用前景,而且在高粘度环境下的探险、求援等宏观操作方面有所应用。关于鞭毛细菌,论文主要在以下几个方面进行了研究:1.鞭毛细菌结构及其游动机理介绍细菌鞭毛的叁个组成部分:鞭毛马达,鞭毛钩,鞭毛丝;分析鞭毛与流体相互作用而产生的鞭毛丝成束前行和解束翻转交替作用的游动方式、以及鞭毛细菌在近壁运动时的墙效应游动机理;探讨细菌鞭毛的几何形态与运动方式的关系。2.细菌鞭毛绑定成束机理仿真研究以多节弹簧叁菱柱构造左旋螺旋的鞭毛模型;在斯托克斯流理论基础上,引入截止函数消除斯托克子和旋转子奇点效应,将对鞭毛作用的流场力和力矩分别转化为正则斯托克斯子和正则旋转子,对鞭毛的运动进行仿真研究;根据仿真结果探讨鞭毛驱动力拒、鞭毛丝刚度、正则系数等参数与运动之间的关系。构建了用于分析鞭毛之间的流场相互作用对成束影响的叁鞭毛模型。仿真研究为宏观模型的建立提供了结构参数选取的依据。3.鞭毛细菌的宏观仿真机器人模型根据流体力学中的力学相似性理论,确定了反映鞭毛运动特性主要影响参数(包括流体粘性力,鞭毛丝刚度等),并根据影响参数确立了宏微模型间的相似基准数:雷诺数(Re)和粘弹比(M)。根据这两各基
郑文鹏, 张洲[9]2008年在《新型微电机的发展及应用》文中认为近年来随着微电子、精密机械加工及新材料、新生物等高新技术的发展,以及人们对微电机要求的不断提高,出现了很多新型微电机,这些电机和传统电机相比,工作原理和工作方式都有较大不同,它们已经在各个领域的不同场合得到了广泛的应用,并且展现出优于传统电机的性能特点。具代表性的有超声波电机、形状记忆合金电机、磁致伸缩材料电机、静电电机、分子电机、磁流体电机、光热电机等。
周勇[10]2010年在《介入诊疗微机器人研究》文中指出“胶囊内镜”全称为“智能胶囊消化道内镜系统”,又称“医用无线内镜”。智能胶囊借助着消化道的蠕动而在消化道内运动并拍摄图像,并传输至体外的图像记录仪和影像工作站,让医生可以了解受检者的整个消化道情况,从而对其病情做出诊断。然而现在商用的胶囊内镜系统基本上都不具备驱动机构,只能随消化道蠕动做被动运行,观察过程不受控制,无法对病变等特定位置进行细致的检测,因此,本文在查阅了大量文献的基础上,研究了国内外的胶囊内镜的控制方法,设计了一种新型的内窥镜机器人驱动机构,对该机构在肠道内的运动作了详细的分析,并做出了实物模型进行实验验证。全文的内容安排如下:第一章是绪论,介绍了胶囊内镜的研究背景和内镜胶囊的概念,对胶囊内镜的自主运动的国内外研究现状作了介绍和分析,并归纳了胶囊内镜现今存在的一些问题。第二章对胶囊内镜在肠道内运动时的受力模型作了研究,利用薄膜理论建立了数学模型,并用软件ANSYS仿真胶囊内镜在肠道运动的状况。第叁章设计了一种新型的内窥镜机器人机构,介绍了该机构在肠道内的运行原理,根据运动原理设计出了具体结构方案,并设计了关键的零部件。第四章对设计采用的材料形状记忆合金的特性做了分析,采用Brinson本构方程来描述形状记忆合金材料的相变机制,并用MATLAB软件来分析形状记忆合金的相变中材料、力学性能。第五章设计出了胶囊内镜的驱动控制系统以及试验所需的电路模块。第六章为试验方案和试验结果,主要进行了叁个试验:形状记忆合金温度试验,测出在环境温度下,加热电流与加热形状记忆合金到一定温度的时间的关系;形状记忆合金力学试验,验证形状记忆合金的材料性能;然后验证了内镜机器人模型在塑料管道里的运行情况。第七章对本文的主要工作进行了总结,指出本文有待改进的部分,并对胶囊内镜的发展做了展望。
参考文献：
[1]. 鞭毛电机的运行机理和特性研究[D]. 王蒙利. 天津大学. 2004
[2]. 基于超声波电机模型的鞭毛电机运行机理与特性研究[J]. 夏长亮, 王蒙利, 史婷娜. 中国电机工程学报. 2005
[3]. 仿生游动介入机器人设计与控制[D]. 王鹏. 南京航空航天大学. 2013
[4]. 螺旋推进仿生游动机器人的研究[D]. 李雅娟. 南京航空航天大学. 2013
[5]. 一种新型仿生游动机器人研究[D]. 刘耀东. 南京航空航天大学. 2010
[6]. 仿鞭毛菌游动的微型机器人运动特性研究[D]. 朱倩芸. 南京航空航天大学. 2015
[7]. 仿鞭毛菌游动机器人设计与仿真探究[D]. 冯希光. 北方工业大学. 2018
[8]. 鞭毛细菌游动机理及其模型研究[D]. 崔俊文. 上海交通大学. 2007
[9]. 新型微电机的发展及应用[C]. 郑文鹏, 张洲. 第十叁届中国小电机技术研讨会论文集. 2008
[10]. 介入诊疗微机器人研究[D]. 周勇. 浙江大学. 2010
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