ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МИНИАТЮРНЫХ РОБОТАХ

Очевидно, что движение микросистем, в том числе микророботов, определяется прежде всего их механической структурой и характеристиками среды. В качестве объектов исследования выберем достаточно распространенные механические системы, а именно: многозвенные микросистемы, представляющие собой управляемые гибкие стержни, соединенные шарнирами со встроенными в них микродвигателями, и прежде всего рассмотрим некоторую их упрощенную модель - двухзвенный робот с упругими связями. Ранее была выявлена характерная особенность движения подобного типа роботов, состоящая в необходимости учета последствий или запаздывающих эффектов в динамике исследуемой модели, что привело к целесообразности описания движения двухзвенного робота системой уравнений с запаздывающим аргументом. Затрудняющим исследование динамики двухзвенного робота фактором является то, что движение системы происходит в среде с неизученными или неизвестными заранее свойствами, точное знание которых на этапе проектирования микросистем затруднено.

В связи с этим необходимо более детальное изучение среды, в которой происходит движение, и введение в синтезируемый закон управления движением робота принципов адаптации или нечеткой логики.

Синтезируемые законы управления движением миниатюрных роботов на основе теории адаптации могут быть распространены и на другие миниатюрные механические системы, функционирующие в условиях неопределенного воздействия окружающей среды.

Что касается технического применения миниатюрных роботов, то здесь необходимы исследования динамических процессов, возникающих при их движении внутри труб малого диаметра. Движение таких роботов, как правило, осуществляется их собственными механизмами.

При применении микророботов для медицинской диагностики необходимость использования собственных движителей робота отпадает, поскольку используется энергия, например, перистальтического сокращения желудочно-кишечного тракта, в результате чего происходит проталкивание микроробота по ЖКТ, или энергии потока крови внутри кровеносных сосудов, что приводит к общему, вместе с кровью, движению миниробота.

Как первый аспект, технический, так и второй аспект, медицинский, применения микророботов характеризуется тем, что для построения законов управления такими микророботами необходимо учитывать, что их движение происходит в средах с заранее неопределенными параметрами и при наличии существенных эффектов запаздывания.

Отражением этого в математических моделях движения микророботов будет тот факт, что уравнения, а это, как правило, дифференциальные уравнения или системы дифференциальных уравнений, будут содержать в своих коэффициентах заранее неопределенные добавки, связанные с неопределенностью среды, а сами уравнения будут уравнениями с запаздывающим аргументом, что связано с теми или иными инерциальными эффектами. Эти два обстоятельства являются, конечно, осложняющими при построении математических моделей движения микророботов. Однако отсутствие собственных движителей медицинских микророботов несколько упрощает, относительно технических микророботов, исследование и разработку таких систем. Для рассмотрения вводятся упрощенные схемы микросистем, для которых исследуются проблемы динамики. Исходя из перечисленных выше практических задач применения микро- и минироботов рассматриваются такие аспекты динамики, как анализ сил, действующих на микроробот через микроопору или микрозахват, движение моделей микророботов в жидкой среде и приближенная математическая модель движения микроробота-капсулы под действием перистальтики желудочно-кишечного тракта.

Выбранные для исследования динамики принципиальные схемы микросистем - мини- и микророботов на рисунке содержат два или большее число звеньев, которые соединены между собой шарнирами или механическими системами с вмонтированными приводными двигателями в узлах-шарнирах,

либо приводящихся в движение за счет колебаний или сокращений упругих стенок оболочек, либо перемещающихся в результате подачи давления сжатого воздуха.

Движение двухзвенного микроробота по жесткой поверхности рисунок "а" осуществляется за счет поочередного освобождения стоп и вращения микродвигателей в шарнирах. В другой модификации рисунок "б" движение осуществляется за счет подачи сжатого воздуха в сильфон первого из закрепленных с помощью схватов звеньев и последующего движения второго звена за счет пружины. В других случаях движение осуществляется за счет последовательных сжатий и расслаблений стенок эластичной оболочки рисунок "в", как это происходит при движении автономной микрокапсулы внутри ЖКТ относительно продольных и круговых гладкомышечных волокон. Движение микроробота внутри трубы с жесткими стенками рисунок "г" осуществляется за счет генерации колебаний в конечных звеньях, выполненных из пьезоэлектрических пластин, соприкасающихся со стенками.