CN112454324B - 微型机器人的群体控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种微型机器人的群体控制方法，由光源1、可调谐滤光器2、微型机器人3和控制器4组成，其中微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。本发明可用于微型机器人集群的控制和驱动，可广泛用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种微型机器人的群体控制方法，本发明可用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。属于机器人技术领域。
(二)背景技术
随着科技的发展，机器人越来越多地出现在了我们的视野中，它们协助或替代人类工作在各个领域，给人类的生产和生活活动带来了极大的便利。近几十年来微机电系统的发展和进步，微型机器人应时而生，微型机器人的诞生为工业、医疗和生物等领域注入了新的成分。微型机器人凭借其结构尺寸微小、器件精密，能够进入到人类和宏观机器人所不能到达的狭窄空间进行高精度的定位和操作，因此应用前景十分广阔。目前，国内外研究人员已经在该领域取得了不少成果，各种类型和用途的微型机器人被发明出来，例如：面向石油化工、发电设备中细小管道的探伤和维护的微型管道机器人、进入人体进行医疗检测和微创手术的微型医用机器人。但机器人的微型化限制了机器人个体智能的提高，因此，通过多个机器人之间相互合作的集群智能来弥补个体智能不足的研究途径具有突出的优势。
目前对于微型机器人围绕着更小尺寸更低的成本的方向发展，其中基于集成电路技术生产制造的微型机器人，通过集成电路技术将微型机器人所需的微传感器、微驱动器和微结构集成一起，可以实现单个硅晶片上制造出几十万个乃至几百万个相同结构微型机器人，微型机器人的尺寸可以做的及其小巧且成本及其低廉。文献“Miskin,M.Z.,Cortese,A.J.,Dorsey,K.et al.Electronically integrated,mass-manufactured,microscopicrobots.Nature 584,557–561(2020)”报道了一种微型机器人构型使得他们在4英寸晶圆上制造了一百万个相同结构微型机器人，微型机器人由照射到其表面的激光进行控制和驱动。他们将非常细的激光束照射到微型机器人几十微米的硅光伏电池上，同时激光束需要交替的照射到在不同的硅光伏电池使得微型机器人移动。并且随着微型机器人的移动，激光束也需要根据微型机器人的移动进行相应的调整，可以看出通过激光进行点对点照射的方式操纵该微型机器人的过程是十分困难的。更重要的是该方法不适用于对于微型机器人集群的控制，只能非常有限的对单个微型机器人进行驱动和控制，限制了微型机器人集群智能的提升。
为了解决该问题，本发明公开了一种微型机器人的群控方法，可用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。该系统通过控制可调谐滤波器的输出带通波段来对光源输出的光进行调制，将用于控制微型机器人移动方向控制的信息加载到光信号中，经过调制的光信号照射到微型机器人集群的上方。微型机器人上集成的光电池将接受到的光能转换为用于移动的机械能，光电探测模块将接收到的光信号解调得到移动方向的信息。系统只要通过控制器控制可调谐滤波器的输出带通波段便可以轻易的控制单个或多个微型机器人的移动。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种微型机器人的群体控制方法，可以用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。
一种微型机器人的群体控制方法，由光源1、可调谐滤光器2、微型机器人3和控制器4组成，其中微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。
本发明是这样实现的：所述系统中光源1输出可见光至可调谐滤波器2，控制器4通过控制可调谐滤波器2输出的带通中心波长的移动和波段宽度的调节来对光源1输出的光进行调制，经过调制后的光照射到微型机器人3的表面对其进行控制和驱动。微型机器人3中的硅光电池31为其行走机构33的运作提供能量，光电探测模块32由带通滤光片321和光电探测器322构成，光电探测模块32可以接受特定波段的光信号解调得到移动方向信息。整个系统通过控制器4控制可调谐滤波器2输出带通波段的范围来对单个或集群的微型机器人3进行移动方向的控制。
所述系统中光源1可以是宽光谱的发光二极管(LED)、卤钨灯、氙灯、高压汞灯和高压钠灯等的任意一种。光源1的波长覆盖在400nm～800nm的可见光范围内，光源1一方面为微型机器人3提供用于移动的能量，另一方面经过调制作为控制微型机器人3移动方向信号。
所述系统中可调谐滤波器2的功能为能够在400nm～800nm可见光范围内带通中心波长可调，且波段宽度可调，最小调谐宽度为0.1nm，最大调谐宽度为100nm。
所述系统中微型机器人3基于集成电路工艺制作而成，其主要由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34构成。硅光电池31将照射到微型机器人3表面的光能转化为电能，为微型机器人3的运行提供能量。行走机构33是将硅光电池31产生的电能转换为微型机器人3用于移动的机械能，其可以是基于电致形变材料制作而成。微型机器人封装34起承载作用，微型机器人3的硅光电池31、光电探测模块32和行走机构33集成在微型机器人封装34上，整个微型机器人3的尺寸控制在微米到毫米级。微型机器人3集成了4个光电探测模块32用于接收移动方向的控制信号，每个光电探测模块32由带通滤光片321和光电探测器322构成，光电探测器322可以是光电二极管和雪崩光电二极管的任意一种。光电探测器322放置在带通滤光片321下方，通过选用特定带通波长的带通滤光片321，使得光电探测模块32针对特定波长范围的光响应。微型机器人3中设置4个不同带通波长(波长依次增加100nm)，用于四个移动方向的控制，分别是前、后、左和右方向；微型机器人3集群中第一个微型机器人3的带通波长设置为400.1nm、500.1nm、600.1nm和700.1nm；第二个微型机器人3的带通波长在前者的基础上依次增加0.1nm设置为400.2nm、500.2nm、600.2nm和700.2nm；第三个微型机器人3的带通波长则设置为400.3nm、500.3nm、600.3nm和700.3nm的光探测模块32，……，直到第一千个微型机器人3设置为500nm、600nm、700nm和800nm。
所述系统中控制器4控制可调谐滤波器2的输出带通波段范围，光源1输出的光经过可调谐滤波器2转换为调制光信号，微型机器人3集群接收到调制光信号并响应相应移动方向的控制。控制器4控制可调谐滤波器2的输出带通波段宽度可以实现对不同数量微型机器人3集群的实时控制，当控制器4控制可调谐滤波器2的输出带通波段调窄为400.1nm(或者500.1nm、600.1nm和700.1nm中的任意一个波段)时，可以控制单个微型机器人3的移动方向；当控制器4控制可调谐滤波器2的输出带通波段调宽为400.1nm～405nm(或者500.1nm～505nm、600.1nm～605nm和700.1nm～705nm中的任意一个波段)时，可以同时控制50个微型机器人3的移动方向；控制器4可控制微型机器人3的数量由可调谐滤波器2的输出波段宽度决定，可控制微型机器人3数量最多为1000个。
(四)附图说明
图1是微型机器人群体控制方法的示意图。它由光源1、可调谐滤光器2、微型机器人3和控制器4组成，其中微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。
图2是微型机器人群体控制方法的实施例示意图。它由光源1、可调谐滤光器2、微型机器人3和控制器4组成，其中微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。
图3是实施例中微型机器人3方向控制示意图，方向351为微型机器人3位于所在平面向前的移动方向，方向352为微型机器人3位于其所在平面向后移动的方向，方向353为微型机器人3位于所在平面向左的移动方向，方向354为微型机器人3位于所在平面向右的移动方向。
图4是实施例中控制器控制可调谐滤波器输出带通波段范围的示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了微型机器人的群体控制方法的实施例，选用光谱范围为400nm～800nm的LED作为光源1，光源1发出的光输入到可调谐滤波器2中。可调谐滤波器的输出带通波段的中心波长可以在400nm～800nm的范围内移动，同时波段宽度可以进行调节，最窄为0.1nm，最宽为100nm。控制器4连接可调谐滤波器4并对其输出的带通波段范围进行控制，具体的控制方法如图4所示。波段A的范围为400nm～500nm，波段B的范围为500nm～600nm，波段C的范围为600nm～700nm，波段D的范围为700nm～800nm。这四种波段分别对应图3中微型机器人的四个移动方向，具体为波段A对应方向351(微型机器人3位于所在平面向前的移动方向)，波段B对应方向352(微型机器人3位于其所在平面向后移动的方向)，波段C对应方向353(微型机器人3位于所在平面向左的移动方向)，波段D对应方向354(微型机器人3位于所在平面向右的移动方向)。
微型机器人3表面的硅光电池31将接受到的光转换为运行所需的电能，四个行走机构33将电能转换为机械能使得微型机器人3按照被控制的方向移动。对于微型机器人3移动方向的控制，四个光电探测器模块32完成该任务，光电探测模块32由带通滤光器321和光电探测器322组成，这样光电探测器模块32只针对特定波长的光响应。微型机器人3中设置4个不同带通波长，用于四个移动方向的控制，分别是前、后、左和右方向；微型机器人3集群中第一个微型机器人3的带通波长设置为400.1nm、500.1nm、600.1nm和700.1nm；第二个微型机器人3的带通波长在前者的基础上依次增加0.1nm设置为400.2nm、500.2nm、600.2nm和700.2nm；第三个微型机器人3的带通波长则设置为400.3nm、500.3nm、600.3nm和700.3nm的光探测模块32，……，直到第一千个微型机器人3设置为500nm、600nm、700nm和800nm。
当控制器4控制可调谐滤波器2的输出带通波段调窄时，例如输出带通波段为400.2nm时，带通波长为400.2nm的微型机器人3响应该光信号进行向前移动。当控制器4控制可调谐滤波器2的输出波段调宽，例如输出带通波段为500.1nm～502nm时，带通波长为500.1nm、带通波长为500.2nm，……，带通波长为502nm的二十个微型机器人3响应光信号一起进行向后移动。这样只需要控制器4控制可调谐滤波器2的输出带通波段的中心波长的移动和波段宽度的调节便可以对单个或者多个微型机器人3进行实时的移动方向的控制。
Claims (3)
1.一种微型机器人的群体控制方法，由光源(1)、可调谐滤波器(2)、微型机器人(3)和控制器(4)组成，其中微型机器人(3)由硅光电池(31)、光电探测模块(32)、行走机构(33)和微型机器人封装(34)组成；系统中光源(1)输出可见光至可调谐滤波器(2)，控制器(4)通过控制可调谐滤波器(2)输出的带通中心波长的移动和波段宽度的调节来对光源(1)输出的光进行调制，经过调制后的光照射到微型机器人(3)的表面对其进行控制和驱动；微型机器人(3)中的硅光电池(31)为其行走机构(33)的运作提供能量，光电探测模块(32)由带通滤光片(321)和光电探测器(322)构成，光电探测模块(32)能够接受特定波段的光信号解调得到移动方向信息；整个系统通过控制器(4)控制可调谐滤波器(2)输出带通波段的范围来对单个或集群的微型机器人(3)进行移动方向的控制；微型机器人(3)基于集成电路工艺制作而成，其主要由硅光电池(31)、光电探测模块(32)、行走机构(33)和微型机器人封装(34)构成；硅光电池(31)将照射到微型机器人(3)表面的光能转化为电能，为微型机器人(3)的运行提供能量；行走机构(33)是将硅光电池(31)产生的电能转换为微型机器人(3)用于移动的机械能，是基于电致形变材料制作而成；微型机器人封装(34)起承载作用，微型机器人(3)的硅光电池(31)、光电探测模块(32)和行走机构(33)集成在微型机器人封装(34)上，整个微型机器人(3)的尺寸控制在微米到毫米级；微型机器人(3)集成了4个光电探测模块(32)用于接收移动方向的控制信号，每个光电探测模块(32)由带通滤光片(321)和光电探测器(322)构成，光电探测器(322)是光电二极管和雪崩光电二极管的任意一种；光电探测器(322)放置在带通滤光片(321)下方，通过选用特定带通波长的带通滤光片(321)，使得光电探测模块(32)针对特定波长范围的光响应；微型机器人(3)中设置4个不同带通波长，用于四个移动方向的控制，分别是前、后、左和右方向；微型机器人(3)集群中第一个微型机器人(3)的带通波长设置为400.1nm、500.1nm、600.1nm和700.1nm；第二个微型机器人(3)的带通波长在前者的基础上依次增加0.1nm设置为400.2nm、500.2nm、600.2nm和700.2nm；第三个微型机器人(3)的带通波长则设置为400.3nm、500.3nm、600.3nm和700.3nm，……，直到第一千个微型机器人(3)设置为500nm、600nm、700nm和800nm；控制器(4)控制可调谐滤波器(2)的输出带通波段范围，光源(1)输出的光经过可调谐滤波器(2)转换为调制光信号，微型机器人(3)集群接收到调制光信号并响应相应移动方向的控制；控制器(4)控制可调谐滤波器(2)的输出带通波段宽度能够实现对不同数量微型机器人(3)集群的实时控制，当控制器(4)控制可调谐滤波器(2)的输出带通波段调窄为400.1nm时，能够控制单个微型机器人(3)的移动方向；当控制器(4)控制可调谐滤波器(2)的输出带通波段调宽为400.1nm～405nm时，能够同时控制50个微型机器人(3)的移动方向；控制器(4)可控制微型机器人(3)的数量由可调谐滤波器(2)的输出波段宽度决定，可控制微型机器人(3)数量为1000个。
2.根据权利要求1所述的一种微型机器人的群体控制方法，其特征是：光源(1)是宽光谱的发光二极管(LED)、卤钨灯、氙灯、高压汞灯和高压钠灯的任意一种；光源(1)的波长覆盖在400nm～800nm的可见光范围内，光源(1)一方面为微型机器人(3)提供用于移动的能量，另一方面经过调制作为控制微型机器人(3)移动方向信号。
3.根据权利要求1所述的一种微型机器人的群体控制方法，其特征是：可调谐滤波器(2)的功能为能够在400nm～800nm可见光范围内带通中心波长可调，且波段宽度可调，最小调谐宽度为0.1nm，最大调谐宽度为100nm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20210309 Assignee: Guilin Donghe Information Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980044662 Denomination of invention: Group Control Method for Micro Robots Granted publication date: 20220325 License type: Common License Record date: 20231031 |
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