在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法，旨在分叉流道中协同驱动两个磁性微型机器人，同时从分叉点出发，协同前进，在终点处汇合，并能满足同时汇合的需求，属于医疗机器人领域。本发明专利技术方法属于基于局部环境异构的协同控制方法，无需研究设计出具有不同磁场

【技术实现步骤摘要】
在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法


[0001]本公开涉及医疗机器人，尤其涉及一种在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法。

技术介绍

[0002]不受束缚的、能够独立运动的小尺度(微米到毫米)磁性微型机器人在许多方面具有潜在的应用价值，其中，磁控磁性微型机器人在生物医学领域有着广泛的应用，磁场不仅对人体无害，而且可以更加灵活地控制磁性微型机器人，使其在人体内腔完成更多的医学任务，如靶向送药、栓塞治疗等，可以缩短患者的恢复期，减少并发症、感染风险和术后疼痛，从而提高治疗质量。
[0003]相比于单个磁性微型机器人，多个磁性微型机器人并行执行任务可以增加靶向送药的有效载荷能力，提高任务的执行效率。比如在血管中，包裹药物的磁性微型机器人在磁场的驱动下可以穿越毛细血管到达病灶位置、携带溶栓物质的磁性微型机器人可以穿梭于血管之中清除血栓，而血管是一种多分叉的环境，如果可以驱动多个磁性微型机器人协同前进，那么就可以避免多次重复性操作，从而提高执行效率。然而，对于由磁场驱动的磁性微型机器人，由于接收到的磁驱动信号是全局相同的，所以在工作空间中实现多个磁性微型机器人的协同驱动仍然是一个挑战。
[0004]迄今为止，国内对于磁性微型机器人的研究大多集中在单个磁性微型机器人的控制上，很少有对多个磁性微型机器人控制方法的研究，几乎没有相关的中文专利。而国外已经报道的多磁性微型机器人协同驱动策略可以分为四大类：首先是基于磁性微型机器人本体设计的异构方法，比如文献1(E.Diller，S.Floyd，C.Pawashe，and M.Sitti，
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Control of Multiple Heterogeneous Magnetic Microrobots in Two Dimensions on Nonspecialized Surfaces，
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IEEE Transactions on Robotics，vol.28，no.1，pp.172
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182，2012.)中提出的耦合方式下多个磁性微型机器人协同驱动方法，通过利用不同几何结构的磁性微型机器人对磁场频率的速度响应不同，设计出速度响应相差较大的磁性微型机器人，通过频率交变的磁场以协同驱动其沿不同的路径行走；其次是基于局部磁场的异构方法，文献2(A.Denasi and S.Misra，
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Independent and Leader
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Follower Control for Two Magnetic Micro
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Agents，
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IEEE Robotics and Automation Letters，vol.3，no.1，pp.218
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225，2018.)中提出利用电磁线圈系统产生的可编程非均匀分布的磁场梯度，并通过提出的leader
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follower控制器，实现了多个相同磁性粒子的协调运动控制；然后是基于局部环境的异构方法，文献3(S.Shahrokhi，J.Shi，B.Isichei，and A.T.Becker，
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Exploiting Nonslip Wall Contacts to Position Two Particles Using the Same Control Input，
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IEEE Transactions on Robotics，vol.35，no.3，pp.577
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588，2019.)中提出了一种在全局磁场下借防滑壁面的摩擦力来协同驱动两个磁性微型机器人，摩擦力可以选择性地锁定住其中一个机器人，单独驱动另一个机器人，通过所提出的路径规划算法，可以驱动从不同起点出发的磁性微型机器人到达不同的目标位置；最后是基于机器人间的
磁相互作用方法，文献4(L.F.Mellal，David；Belharet，Karim；Ferreira，Antoine
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Optimal Control of Multiple Magnetic Microbeads Navigating in Microfluidic Channels.，
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presented at the IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA)，2016.)中采用磁场梯度控制和振动运动相结合的方法，控制2个磁性粒子间的相互作用力，从而实现2个磁性粒子相对位置的控制，在保持相对距离不变的情况下协同前进。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术的目的在于提出一种协同控制方法，该方法旨在分叉流道中协同驱动两个磁性微型机器人，同时从分叉点出发，协同前进，最后能在终点处汇合。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。
[0007]第一方面，本专利技术提出一种在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法，所述方法控制两个磁性微型机器人同时从二分叉流道的分叉点出发，通过在全局磁场下，调控两个磁性微型机器人在水平方向上的运动速度，进而调控两个磁性微型机器人在水平方向上的距离差到设定阈值范围内，实现两个磁性微型机器人在分叉终点处汇合；所述水平方向为分叉点指向分叉终点的方向。
[0008]上述技术方案提出的是一种基于局部环境异构的协同驱动方法，可以使用相同的磁性微型机器人，使用全局磁场，因此制备简单，不需要复杂的磁场设备，能够应用于血管这种特殊的环境。上述方案能够实现两个磁性微型机器人在终点处同时汇合。
[0009]作为上述技术方案的改进，在不改变磁场大小的情况下，调整磁场方向与水平方向的夹角θ
a
，能够调控磁性微型机器人在水平方向上的运动速度。
[0010]作为上述技术方案的改进，在不改变磁场大小的情况下，调整磁场方向与水平方向的夹角θ
a
，使磁性微型机器人与流道壁面存在夹角β时，磁性微型机器人增加摩擦力f
o
和支撑力N
o
，磁性微型机器人的速度v与夹角之间存在如下关系：
[0011][0012]其中，δ是磁性微型机器人受到摩擦力f
o
而产生的与流道壁面的材料特性相关的常量。
[0013]作为上述技术方案的改进，在不改变磁场大小的情况下，调整磁场方向与水平方向的夹角θ
a
的调控策略为：
[0014]当两个磁性微型机器人在分叉流道中前进的运动状态平行时，θ
a
＝0；
[0015]当两个磁性微型机器人在分叉流道中前进的运动状态为分散或聚合时，θ1和θ2分别为两个磁性微型机器人在当前流道中速度取最大和取零时磁场方向与水平方向的夹角，k为磁场方向与水平方向的调控系数。
[0016]作为上述技术方案的改进，根据两个机器人的水平距离差Δx，计算误差e＝Δx...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法，其特征在于：所述方法控制两个磁性微型机器人同时从二分叉流道的分叉点出发，通过在全局磁场下，调控两个磁性微型机器人在水平方向上的运动速度，进而调控两个磁性微型机器人在水平方向上的距离差到设定阈值范围内，实现两个磁性微型机器人在分叉终点处汇合；所述水平方向为分叉点指向分叉终点的方向。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在不改变磁场大小的情况下，调整磁场方向与水平方向的夹角θ
a
，能够调控磁性微型机器人在水平方向上的运动速度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在不改变磁场大小的情况下，调整磁场方向与水平方向的夹角θ
a
，使磁性微型机器人与流道壁面存在夹角β时，磁性微型机器人增加摩擦力f
o
和支撑力N
o
，磁性微型机器人的速度v与夹角之间存在如下关系：其中，δ是磁性微型机器人受到摩擦力f
o
而产生的与流道壁面的材料特性相关的常量。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在不改变磁场大小的情况下，调整磁场方向与水平方向的夹角θ
a
的调控策略为：当两个磁性微型机器人在分叉流道中前进的运动状态平行时，θ
a
＝0；当两个磁性微型机器人在分叉流道中前进的运动状态为分散或聚合时，θ1和θ2分别为两个磁性微型机器人在当前流道中速度取最大和取零时磁场方向与水平方向的夹角，k为磁场方向与水平方向的调控系数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据两个机器人的水平距离差Δx，计算误差e＝Δx
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f(Δx)，进而确定磁场方向与水平方向的调控系数k：e1为第一误差设定值，e2为第二误差设定值，f(Δx)是一个与设定阈值范围[
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λ，λ]有关的变量：λ为设定值。6.一种在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制装置，其特征在于，所述装置包括磁性微型机器人、视觉测量模块、驱动装置、速度控制器、环境识别器、反馈控制器模块；其中：驱动装置，根据当前磁场方向与水平方向的夹角θ
a
，施加全局磁场驱动磁性微型机器人R1、R2从同时从二分叉流道的分叉点出发，进而...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天添，徐艳花，黄晨阳，吴新宇，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：