微机器人在生物学、医学、微装配、微纳制造等领域有着极广阔的应用前景,国内外科学家都在积极展开一系列微机器人无缆操作的研究,许多科学家都将目光瞄向磁控微机器人驱动的研究,通过控制外加磁场来控制磁性材料制作而成微机器人运动。目前的研究成果来看,已有的电磁驱动系统和微机器人驱动方法在固、液实验环境中显示了良好的可行性,但离实际应用还有差距。电磁驱动系统正从一维二维驱动研究向三维电磁驱动发展,电磁驱动系统不仅需要提供足够强度的磁场,也要求微机器人有效的驱动空间更大,在同一个电磁驱动系统下,微机器人从单一磁驱动方式转向可以兼容多种磁驱动方式,微机器人可以进行更多自由度位姿的驱动都是目前研究的热点。为了实现微机器人多自由度主动驱动,并兼容多种磁驱动方式,同时拥有相对较大运动空间,本课题设计可以兼容多种磁驱动方式的三维电磁驱动系统,并提出基于三维可变磁场磁驱动微机器人5个自由度驱动控制方法。所提出的三维电磁驱动系统由六对固定的线圈组成,包含三对正交的赫姆霍兹线圈和三对正交的麦克斯韦线圈。亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场和麦克斯韦线圈产生的均匀梯度磁场。利用多物理场COMSOL有限元仿真软件对驱动线圈进行电磁场分析并进行相关数学模型的验证,完成三维电磁驱动线圈实物的设计与制作。所设计的三轴正交赫姆霍兹和麦克斯韦组合线圈,通过独立控制每个线圈中的电流,电磁驱动系统在三维空间中产生可控均匀梯度磁场、旋转磁场和震荡磁场等不同特性的磁场,利用不同特性的磁场可以实现微机器人的多种驱动方式。本文建立了微机器人3D运动的动力学模型,提出一种微机器人磁驱动重力补偿算法,建立了微机器人所受磁场力、磁力矩和输入各个线圈电流映射关系。通过独立控制输入各个线圈电流,控制三维可变磁场,微机器人受到磁力和磁力矩主动力,并克服重力和液体阻力,在三维工作空间中实现稳定的运动。通过微机器人在2D和3D液体环境中无缆磁驱动实验验证了三维电磁驱动系统的性能和控制方法。