توصيفگر ها :
ربات مغناطيسي كپسولي¬شكل , كپسول آندوسكوپي , بستر ويسكوالاستيك , مولد ميدان مغناطيسي چرخان , پيچه هلمهولتز , نيرو و گشتاور پسا
چكيده فارسي :
در سال¬هاي اخير مطالعه و تحقيق بر روي ربات¬هاي مغناطيسي كوچك در ابعادي حدود چند سانتي¬متر، به دليل نياز بشر به اين نوع از ربات¬ها در مصارف مختلف افزايش يافته است. يكي از كاربردهاي اين نوع ربات¬ها در زمينه¬هاي پزشكي مي¬باشد. درون بدن انسان، به دليل محدوديت در فضاي قابل دسترس و همچنين كاهش راه¬كارهاي تهاجمي مانند اعمال جراحي مختلف، آندوسكوپي دستي و غيره، از ربات¬هاي كپسولي¬شكل استفاده مي¬شود. سازوكار¬ حركتي هر ربات ارتباط مستقيمي با محيط فعاليت آن ربات دارد؛ به همين دليل طراحي و تحليل سازوكار حركتي مي¬تواند تاثير به سزايي در عملكرد ربات مدنظر داشته باشد.در همين راستا، هدف از انجام اين پژوهش ساخت و تحليل تئوري-تجربي ديناميك حركت ربات مغناطيسي كپسولي¬شكل و همچنين كنترل مدار باز حركت آن بر روي بستر ويسكوالاستيك درون محفظه¬اي مملو از آب است. ربات مغناطيسي مدنظر مي¬تواند با استفاده از گشتاور پيشران مغناطيسي ايجادشده توسط مولد ميدان مغناطيسي چرخان، داخل محيطي مملو از آب و بر روي بستر ويسكوالاستيك حركت كند. مولد ميدان مغناطيسي چرخان به صورت¬ پيچه¬هاي هلمهولتز عمود بر هم در سه راستا طراحي شده است تا بتواند گشتاور مغناطيسي ثابتي را در فضاي كاري ايجاد كند.گشتاور و نيروي مقاوم از سوي سيال ابتدا با در نظر گرفتن حجم معادل ربات مغناطيسي و استفاده از روابط تحليلي به دست آمد؛ سپس با استفاده از روش¬هاي عددي و با در نظر گرفتن هندسه¬ي واقعي، سرعت و مرزهاي واقعي ربات مغناطيسي نيز محاسبه گرديد و با روش حجم معادل مقايسه شد. رابطه¬ي گشتاور مقاوم وارد از سوي بستر ويسكوالاستيك با سرعت غلتش ربات مغناطيسي، ابتدا با در نظر گرفتن تئوري كلوين براي بستر ويسكوالاستيك به دست آمد؛ سپس با استفاده از روش عددي ميزان فرورفتگي داخل بستر و همچنين گشتاور مقاوم ويسكوالاستيك وارد شده به ريزربات برآورد گرديد.در نهايت نيروها و گشتاورهاي شبيه¬سازي شده، داخل روابط حاكم بر حركت ربات مغناطيسي جايگذاري شد و حركت ربات مغناطيسي به صورت عددي شبيه¬سازي گرديد. نتايج به دست آمده از شبيه¬سازي، چگونگي ارتباط بين مشخصه¬هاي سينماتيكي و ديناميكي ربات مغناطيسي را با دامنه و بسامد جريان ورودي به پيچه¬هاي مغناطيسي نشان مي¬دهد. در انتهاي اين نوشتار، با توصيف نحوه¬ي طراحي و آماده¬سازي تجهيزات آزمايشگاهي مورد نياز جهت ارزيابي تجربي، آزمون¬هاي تجربي مدنظر انجام پذيرفت و نتايج آن با نتايج حاصل از شبيه¬سازي مقايسه گرديد.
چكيده انگليسي :
Abstract
In recent years, the study and research on small magnetic robots, typically a few centimeters in size, have gained momentum due to the increasing demand for such robots in various applications. One of the primary uses of these robots is in the medical field. Inside the human body, due to limited accessible space and the desire to minimize invasive procedures such as surgeries, manual endoscopy, and others, capsule-shaped robots are employed. The movement mechanism of each robot is directly related to its operational environment; thus, the design and analysis of the movement mechanism can significantly impact the robot's performance. In this context, the aim of this research is to develop and analyze the theoretical and experimental dynamics of a capsule-shaped magnetic robot's movement and to control its open-loop motion on a viscoelastic substrate within a water-filled chamber. The magnetic robot in question can move inside a water-filled environment and on a viscoelastic substrate using the propulsive magnetic torque generated by a rotating magnetic field generator. The rotating magnetic field generator is designed as Helmholtz coils oriented perpendicularly along three axes to create a constant magnetic torque within the workspace. The resistant torque and force exerted by the fluid were initially obtained by considering the equivalent volume of the magnetic robot and employing analytical relationships. Subsequently, numerical methods were used to account for the robot's actual geometry, speed, and boundaries, and these results were compared with those derived from the equivalent volume method. The relationship between the resistant torque exerted by the viscoelastic substrate and the rolling speed of the magnetic robot was first derived based on Kelvin's theory for viscoelastic substrates. Then, using numerical methods, the amount of indentation into the substrate and the viscoelastic resistant torque acting on the micro-robot were estimated. Finally, the simulated forces and torques were incorporated into the governing equations of the magnetic robot's motion, and its movement was numerically simulated. The simulation results demonstrated the relationship between the kinematic and dynamic characteristics of the magnetic robot and the amplitude and frequency of the input current to the magnetic coils. At the end of this study, after describing the design and preparation of the required laboratory equipment for experimental evaluation, the planned experimental tests were conducted, and their results were compared with the simulation outcomes.