纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术实施例公开了一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统。其中，方法包括首先根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程，然后基于纳米机器人执行当前作业的起点位置、初始速度及目标终点位置和运动学特征方程，调整纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，进而控制纳米机器人在执行当前作业过程中的运动状态，从而实现使纳米机器人从初始位置运动至目标终点位置。本申请提供的技术方案实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定时间内精确到达指定位置，保证了纳米机器人的工作效率，提高了作业过程中的安全性。提高了作业过程中的安全性。提高了作业过程中的安全性。

【技术实现步骤摘要】
纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统


[0001]本专利技术实施例涉及微型机器人
，特别是涉及一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统。

技术介绍

[0002]纳米机器人为机器人工程学的一种新兴科技，纳米机器人的研制属于分子纳米技术(Molecular nanotechnology，MNT)的范畴，纳米机器人为可在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的功能分子器件。
[0003]由于纳米机器人的诸多优势，其广泛应用在生物医疗领域。举例来说，可编程控制的纳米机器人可以在纳米尺度上获取生命特征相关信息，通过对纳米机器人精确地协调控制来代替人工完成相应的工作，在纳米级的空间中实现对生物大分子的操作，从而可解决当今医学上的诸多难题。如何控制纳米机器人进行稳定、精确的运动，以此保障医疗过程中绝对的安全性，提高纳米机器人的工作效率，是纳米机器人应用在医疗
中的关键。
[0004]目前，国内外对于纳米机器人的运动研究方法越来越成熟，在流体管道的运动控制领域取得了很大的进展，例如，加拿大蒙特利尔理工大学的一项研究可实现在计算机的控制下成功引导微型装置在血管中以10cm/s的速度运动。纳米机器人的运动研究主要集中在流体管道与物质表面两个方面，更多的研究是从粒子的形状大小上来获取相应的参数，通过粒子的运动方式和黏附效果来分析粒子的运动特征。
[0005]在医疗医学应用中，纳米机器人从生物体的一点运动至指定位置，有多种运动路径，由于它尺寸微小，自身无法携带传感器，因此在运动过程中避开障碍、选择合适的路径成为纳米机器人工作运动时面临的难题。目前新兴的磁性靶向载体是在外部设置一个恒定磁场，使得在流体管道中运动的磁性粒子在指定的地方聚集，在工作过程中，即纳米机器人要在液态复杂的内环境下执行各种指令以完成各种相应作业的过程中，由于粒子在指定部位的释放速度受液体摩尔浓度、液体pH值以及环境温度等因素的影响，在实际应用中的效果并不好。
[0006]因此，如何在特定环境下实现对纳米机器人精确稳定运动，使其在指定的时间内到达指定的位置，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术实施例的目的是提供一种纳米机器人运动状态的控制方法、装置及系统，实现了纳米机器人在特定环境下的准确、稳定的运动，使其在指定的时间内可精确到达指定的位置。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供以下技术方案：
[0009]本专利技术实施例一方面提供了一种纳米机器人运动状态的控制方法，包括：
[0010]获取纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息包括初始速
度和初始位置；
[0011]根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使所述纳米机器人从所述初始位置运动至所述目标终点位置；
[0012]其中，所述运动学特征方程的构建过程包括：
[0013]根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程。
[0014]可选的，所述根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程包括：
[0015]根据下述公式计算所述纳米机器人在液体管道空间中的任意一点处的磁场力，并根据电磁方程求解磁场模型：
[0016][0017][0018][0019]根据下述公式计算所述纳米机器人的初始运动速度v
p
、受力加速后的运行速度v
相对
：
[0020][0021]根据所述纳米机器人受到的磁场力、粘滞阻力和纳维-斯托克斯方程计算得到所述纳米机器人在液体管道空间的三维坐标系中的X轴、Y轴、Z轴上的加速度为：
[0022][0023]式中，所述纳维-斯托克斯方程为所述粘滞阻力F1＝6πηrv
相对
，F
m
为所述纳米机器人的受到的磁场力，F
mx
为所述纳米机器人在X轴的磁场力，F
my
为所述纳米机器人在Y轴的磁场力，F
mz
为所述纳米机器人在Z轴的磁场力，V
p
为所述纳米机器人的体积，μ0为介质磁导率，γ
m
为磁介质磁化率，H
x
、H
y
、H
z
为X、Y、Z三轴方向上的磁场强度，m为所述纳米机器人的质量，η为所述液体管道中液体的粘性系数，r为所述纳米机器人
的半径，u为所述纳米机器人的当前速度，u
x
为所述纳米机器人在X轴的当前速度，u
y
为所述纳米机器人在Y轴的当前速度，u
z
为所述纳米机器人在Z轴的当前速度，t为时间，F为所述纳米机器人的受到的合力，ρ为流体密度，p为流体各向同性压力，μ为动力粘性系数。
[0024]可选的，所述调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小为：
[0025]基于磁场定向矢量技术对所述纳米机器人的外部磁场的方向和大小进行调控，并实时检测所述外部磁场的磁场力和方向的变化。
[0026]可选的，所述纳米机器人在t时刻的速度大小表示为：
[0027][0028]速度方向矢量表示为
[0029]其中，所述纳米机器人t0时刻在所述液体管道的空间位置表示为B＝B(a，b，c，t)，t时刻在所述液体管道的空间位置表示为：
[0030]x＝x(a，b，c，t)；
[0031]y＝y(a，b，c，t)；
[0032]z＝z(a，b，c，t)。
[0033]可选的，所述根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小包括：
[0034]所述纳米机器人在t时刻的运动状态信息计算过程包括：
[0035]根据所述纳米机器人在t1时刻、t2时刻的空间位置及t1时刻的加速度，计算所述纳米机器人在t时刻的当前空间位置，其中，t1＝t-Δt、t2＝t-2Δt，Δt为时间步长；
[0036]根据所述当前空间位置计算所述纳米机器人在t时刻的当前加速度、t1时刻的速度，以实现所述纳米机器人的运动状态的控制。
[0037]可选的，所述纳米机器人的初始速度值为0。
[0038]本专利技术实施例另一方面提供了一种纳米机器人运动状态的控制装置，包括：
[0039]运动学特征方程构建模块，用于根据纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程；
[0040]信息获取模块，用于获取所述纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，包括：获取纳米机器人的运动起点信息和目标终点位置，所述运动起点信息包括初始速度和初始位置；根据所述运动起点信息、所述目标终点位置和预先构建的运动学特征方程，调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小，以使所述纳米机器人从所述初始位置运动至所述目标终点位置；其中，所述运动学特征方程的构建过程包括：根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程。2.根据权利要求1所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述根据所述纳米机器人的外部磁场力和所处液态环境建立的磁场方程和流体场方程，计算得到所述纳米机器人在磁流复合场的运动学特征方程包括：根据下述公式计算所述纳米机器人在液体管道空间中的任意一点处的磁场力，并根据电磁方程求解磁场模型：电磁方程求解磁场模型：电磁方程求解磁场模型：根据下述公式计算所述纳米机器人的初始运动速度v
p
、受力加速后的运行速度v
相对
：根据所述纳米机器人受到的磁场力、粘滞阻力和纳维-斯托克斯方程计算得到所述纳米机器人在液体管道空间的三维坐标系中的X轴、Y轴、Z轴上的加速度为：式中，所述纳维-斯托克斯方程为所述粘滞阻力F1＝6πηrv
相对
，F
m
为所述纳米机器人的受到的磁场力，F
mx
为所述纳米机器人在X轴的磁场力，F
my
为所述纳米机器人在Y轴的磁场力，F
mz
为所述纳米机器人在Z轴的磁场力，V
p
为所述纳米机器人
的体积，μ0为介质磁导率，γ
m
为磁介质磁化率，H
x
、H
y
、H
z
为X、Y、Z三轴方向上的磁场强度，m为所述纳米机器人的质量，η为所述液体管道中液体的粘性系数，r为所述纳米机器人的半径，u为所述纳米机器人的当前速度，u
x
为所述纳米机器人在X轴的当前速度，u
y
为所述纳米机器人在Y轴的当前速度，u
z
为所述纳米机器人在Z轴的当前速度，t为时间，F为所述纳米机器人的受到的合力，ρ为流体密度，p为流体各向同性压力，μ为动力粘性系数。3.根据权利要求2所述的纳米机器人运动状态的控制方法，其特征在于，所述调整所述纳米机器人的外部磁场的磁场方向和大小为：基于磁场定向矢量技术对所述纳米机器人的外部磁场的方向和大小进行调控，并实时检测所述外部磁场的磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙若为，孙一绮，
申请(专利权)人：湖南早晨纳米机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：