CN114932543A

CN114932543A - 机器人及其系统、机器人的制备方法及其运动控制方式

Info

Publication number: CN114932543A
Application number: CN202210303603.3A
Authority: CN
Inventors: 徐天添; 赖证宇; 黄晨阳; 苏梦; 吴新宇
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2042-03-24
Also published as: CN114932543B

Abstract

本申请涉及一种机器人、机器人系统、机器人的制备方法及机器人的运动控制方式。所述机器人的制备方法包括：将薄膜材料和磁性颗粒混合制成基膜；将所述基膜按照预设形状切割形成半成品；将所述半成品置于预设磁场中磁化，形成机器人。所述机器人的运动控制方式包括：搭建三维亥姆霍兹线圈形成工作空间，通电后在所述工作空间中得到操控磁场；所述操控磁场令机器人发生响应，得到响应的信息；所述响应的信息被相机捕捉，传输给计算机；所述计算机显示响应的信息，并且通过驱动控制程序发送控制信号给电机控制器；所述电机控制器产生电流输送给所述三维亥姆霍兹线圈。本申请中，所述机器人结构稳定，制备简单，操控灵活，载重能力强。

Description

机器人及其系统、机器人的制备方法及其运动控制方式

技术领域

本申请涉及医疗微型机器人技术领域，具体是涉及机器人、机器人系统、机器人的制备方法及机器人的运动控制方式。

背景技术

由于医学界精准治疗的发展需求，越来越多的微型机器人被开发出来用于实现精准治疗。微型机器人，尺度一般在微米至毫米之间，能够实现一定复杂程度的运动，所以可以在人体的内腔内完成所需的医学动作，例如靶向给药和微创治疗等。甚至，对更小尺度的微型机器人来说，还可以完成细胞尺度下的微组装操作，例如人工授精和针对癌细胞的靶向治疗等。为了避免对人体器官和组织造成损害，现有的微型机器人的结构往往是柔软可变形的，即微型机器人是柔性机器人。

目前的微型机器人的驱动方式有电场驱动、光驱动及磁场驱动。其中，由于磁场具有生物相容性，能够穿透生物组织并且对人体组织无害；而且磁响应的过程迅速，能够快速产生力和力矩，所以磁场驱动在现有的技术中被广泛应用。

现有的磁控微型机器人有多种形态，例如螺旋形态和薄膜形态等。就靶向给药的目的来说，螺旋形态的磁控微型机器人虽然制备简单且操控灵活，但是载重较小；而现有的薄膜形态的微型机器人由于复合结构或者多层结构，制备的过程相对繁琐。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本申请提供一种机器人、机器人系统、机器人的制备方法及机器人的运动控制方式，以平衡磁控微型机器人的制备、操控及载重。

一种机器人，包括：

薄膜，所述薄膜包括顶部及自所述顶部边缘延伸形成的至少两个伸展部；以及

磁体颗粒，所述磁体颗粒嵌设于所述顶部与所述伸展部；

其中，在磁场的作用下，至少两个所述伸展部与所述顶部围成弧形。

一种机器人系统，包括：三维亥姆霍兹线圈及机器人；

其中，所述机器人设于所述三维亥姆霍兹线圈产生的磁场空间内，并可在所述三维亥姆霍兹线圈产生的磁场作用下进行可控运动。

一种机器人的制备方法，包括以下步骤：

将薄膜材料和磁性颗粒混合制成基膜；

将所述基膜按照预设形状切割形成半成品；

将所述半成品置于预设磁场中磁化，形成机器人。

一种机器人的运动控制方式，包括：

搭建三维亥姆霍兹线圈形成工作空间，通电后在所述工作空间中得到操控磁场；

所述操控磁场令机器人发生响应，得到响应的信息；

所述响应的信息被相机捕捉，传输给计算机；

所述计算机显示所述响应的信息，并且通过驱动控制程序发送控制信号给电机控制器；

所述电机控制器产生电流输送给所述三维亥姆霍兹线圈。

与现有技术比较，本申请至少具有如下的有益技术效果：

1.机器人结构简单，同时机器人的制备方法也简单，可以进行批量的产生。

2.机器人在操控磁场的作用下响应迅速，运动形式灵活多样，可以有效地搬送对象到达指定地点。

3.机器人结构稳定，载重能力优秀。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的机器人系统的立体示意图；

图2是图1的机器人系统的三维亥姆霍兹线圈的立体示意图；

图3是本申请实施例提供的机器人的立体示意图；

图4是本申请实施例提供的机器人的制备方法；

图5是图4的机器人的制备方法步骤210包含的步骤；

图6是图4的机器人的制备方法步骤220包含的步骤；

图7(a)-(d)分别是本申请实施例提供的半成品、半成品弯曲磁化、磁化后的机器人及磁化后的机器人对齐外部磁场方向的立体示意图；

图8是本申请实施例提供的机器人的运动控制方式；

图9是图8的机器人的运动控制方式步骤320一实施例包括的步骤；

图10是图8的机器人的运动控制方式步骤320另一实施例包括的步骤；

图11是图8的机器人的运动控制方式步骤320又一实施例包括的步骤；

图12是本申请实施例提供的任一亥姆霍兹线圈分析及相应的磁感应强度分布示意图；

图13(a)-(b)是图3的机器人在不同磁场强度下弯曲变形的立体示意图,(c)是其在外部磁场下实际弯曲的平面示意图；

图14是图3的机器人在操控磁场下进行水母运动模式的立体示意图；

图15是图3的机器人在操控磁场下进行铲车运动模式的立体示意图；

图16是图3的机器人在不同硅油粘度及不同操控磁场频率下进行水母式运动的速度测试曲线图；

图17是图3的机器人在不同硅油粘度及不同操控磁场频率下进行铲车式运动的速度测试曲线图；

图18是图3的机器人在铲车运动模式下进行负载测试的速度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1及图2，一种机器人系统10可包括但不限于机器人110及三维亥姆霍兹线圈120。机器人110设于三维亥姆霍兹线圈120产生的磁场空间内，并可在三维亥姆霍兹线圈120产生的磁场作用下进行可控运动。

三维亥姆霍兹线圈120包括第一亥姆霍兹线圈121、第二亥姆霍兹线圈122及第三亥姆霍兹线圈123。第一亥姆霍兹线圈121、第二亥姆霍兹线圈122及第三亥姆霍兹线圈123的轴心相互正交设置。

其中，第一亥姆霍兹线圈121、第二亥姆霍兹线圈122及第三亥姆霍兹线圈123的交集部分形成工作区间124。

在一些实施例中，第一亥姆霍兹线圈121、第二亥姆霍兹线圈122及第三亥姆霍兹线圈123可以均是圆形线圈，也可以均是矩形线圈。

请参阅图3,一种机器人110可包括但不限于薄膜111及磁体颗粒112。薄膜111包括顶部1111及自顶部1111边缘延伸形成的至少两个伸展部1112。至少两个伸展部1112呈放射状，且至少两个伸展部1112关于顶部1111中心对称。磁体颗粒112嵌设于顶部1111与伸展部1112。

其中，在磁场的作用下，至少两个伸展部1112与顶部1111围成弧形。

在本实施例中，薄膜111与磁体颗粒112的质量比为1:1。薄膜111的材质为硅胶、橡胶或者柔性树脂中的一种。磁体颗粒112的材质为钕、铁、硼中的一种或者多种的混合。

在本实施例中，机器人110的形状是十字形的。

在一些实施例中，机器人110的形状可以是一字形或者星星形的。

请参阅图4，一种机器人的制备方法20可包括但不限于以下步骤：

210：将薄膜材料和磁性颗粒混合制成基膜；

具体的，请参阅图5，首先，211：取质量比为0.5-1:0.5-1的薄膜材料和磁性颗粒。然后，212：将薄膜材料和磁性颗粒放入预设模具中以40℃-80℃的温度加温20-40min,形成基膜。

可以理解的，薄膜材料的固化受周围环境的温度影响，所以以合适的温度加热有助于薄膜材料的固化。在实际的应用中，还可以根据需要添加合适比例的固化剂。

其中，薄膜材料可以是生物相容性的，对人体无害的材料。薄膜材料还可以是液体的，方便与磁性颗粒混合搅拌均匀。

其中，磁性颗粒可以是生物相容性的，对人体无害的材料。磁性颗粒还可以是磁化性质好的，充磁后能保持永久磁性的材料。

在本实施例中，薄膜材料可以选择硅胶。磁性颗粒可以选择钕铁硼。

在一些实施例中，薄膜材料可以选择橡胶或者柔性树脂。磁性颗粒可以选择纯铁粉、铁酸盐或者汝、铁、硼中的一种或多种。

在本实施例中，预设模具可以为以光滑的亚克力板为基底，深度为300um的模具。加温的工具可以是高温箱。

在本实施例中，形成的基膜的横截面可以是矩形的。

在一些实施例中，形成的基膜的横截面还可以是多边形的、三角形的或者星星形的。

220：将基膜按照预设形状切割形成半成品；

具体的，首先将基膜从模具中取出来，得到脱模后的基膜。然后在基膜上按照预设形状切割形成半成品。

可以理解的，如果基膜没有脱模就对其进行切割，有可能损伤模具，所以必须对基膜进行脱模后才能对其切割。

其中，半成品是指按照一定形状切割出来还没有被磁化的基膜。

在本实施例中，预设的形状可以是十字形。

在一些实施例中，预设的形状还可以是一字型或者星星形。

在本实施例中，脱模的方式可以是用镊子夹住基膜的一个角，然后缓缓往一个方向移动将基膜取出来。

在本实施例中，切割的方式可以用激光自动切割。

在一些实施例中，切割的方式还可以是用小刀手动切割。

230：将半成品置于预设磁场中磁化，形成机器人。

具体的，请参阅图6，首先，231：将半成品弯曲成弧形结构，得到弧形结构的半成品。然后将半成品置于预设磁场中磁化，充磁完毕后，得到机器人。

其中，预设磁场可以为均匀磁场且预设磁场的强度大于或者等于800mT。

可以理解的，在磁化前，半成品内部的磁性颗粒的磁畴的磁矩方向是杂乱无序的，因此整体上对外不显示磁性。当施加一个外部磁场时，磁性颗粒各磁畴的磁矩方向向外部磁场的方向看齐，这时磁性颗粒就会对外显示磁性。

可以理解的，请参阅图7，将半成品弯曲成弧形结构后再磁化可以在机器人上得到如图7(c)所示的磁化方向。这样，当施加一个外部磁场时，在磁力矩的作用下，机器人内部的磁化方向会与外部磁场方向对齐，机器人由十字形变成类半球形，如图7(d)所示。

可以理解的，请参阅图7(a)及(c)，机器人的磁化剖面的磁化强度沿X轴的磁化分量仅与该点离X轴方向的距离有关，且沿Y轴的磁化分量仅与该点离Y轴方向的距离有关。具体的，根据准静态分析，机器人的磁化剖面上在沿X轴和Y轴方向的磁化强度M可以表示为：

其中，M(s₁)和M(s₂)分别表示沿着X轴和Y轴的磁化分量，L是机器人110的整体长度，s₁和s₂分别代表沿着X轴和Y轴的长度(0-L)，

和

代表空间角频率，且

m代表量级的大小。

在本实施例中，预设磁场的磁场强度为800mT。

可以理解的，预设磁场的磁场强度会影响磁性颗粒是否饱和充磁。预设磁场的磁场强度越大，充磁能量就越大，磁性颗粒就越容易达到饱和充磁。在本实施例中，800mT的磁场强度就可使磁性颗粒达到饱和充磁,大于800mT的磁场强度可使磁性颗粒达到过饱和充磁。

在一些实施例中，预设磁场可以由充磁机产生。

请参阅图8，一种机器人的运动控制方式30可包括但不限于：

310：搭建三维亥姆霍兹线圈形成工作空间，通电后在工作空间中得到操控磁场；

其中，三维亥姆霍兹线圈由三对亥姆霍兹线圈的轴心正交设置形成。

其中，工作空间是指三对亥姆霍兹线圈的交集部分。

其中，操控磁场是指三维亥姆霍兹线圈通电后在工作空间内产生的各个方向的均匀强度的磁场。

具体的，通过调节输入三维亥姆霍兹线圈的电流的大小或方向可以在工作空间中得到不同强度或方向的操控磁场。

可以理解的，请参阅图12，将两个相同的线圈同轴心对齐放置，两个线圈之间的距离为线圈的半径R，并通入相同方向的电流I，则线圈之间的轴线上的一点P的磁场强度B为

进一步地，当两个线圈的半径远远大于两线圈之间的距离时，线圈之间的磁场可看做均匀磁场，故上式可以简化为

其中，μ₀为真空磁导率，N₀为线圈匝数，X为两线圈之间中轴线上某一点P到圆心的距离。

可以理解的，工作空间内的操控磁场就是三个均匀强度的磁场的合磁场。

在本实施例中，操控磁场的磁场强度可以为0-10mT。可以理解的，当机器人置于10mT的操控磁场中时，在磁力矩的作用下，机器人内部的磁化方向向操控磁场方向看齐而发生类半球体弯曲。

320：操控磁场令机器人发生响应，得到响应的信息；

具体的，请参阅图9及图14，在一实例中，三维亥姆霍兹线圈通电后在工作空间形成操控磁场，在磁力矩的作用下，321：操控磁场使机器人的形态发生变化。当调节电流使操控磁场的磁场强度由小变大时，322：机器人随着操控磁场的磁场变换，其弯曲张角由大变小产生反推力，进而沿操控磁场方向的反方向运动。周期性调节电流，可以使机器人像水母一般灵活地往各个方向运动。

可以理解的，请参阅图13(a)及(b),根据欧拉伯努利等式，在磁场的作用下，磁力矩τ_m和机器人的截面偏转角度α可以表示为：

其中，A(s)为横截面积，E为机器人110的杨氏模量，I为截面惯性矩。

进一步地，当操控磁场的磁场强度B₁>B₂时，机器人对应的形变角度θ₁<θ₂。其中，形变角度θ大小是截面偏转角度α大小的两倍。

请参阅图16，在水母运动模式下，机器人的运动速度受介质的粘度和操控磁场的频率影响。一般来说，在同一操控磁场频率的前提下，介质的粘度越低，机器人的运动速度越高。一般来说，在不同介质粘度的前提下，机器人110在1-3Hz的操控磁场频率下运动速度比较快，可以达到3-4.5mm/s。

具体的，请参阅图10，在另一实例中，三维亥姆霍兹线圈通电后在工作区间内形成操控磁场。在磁力矩的作用下，321：操控磁场使机器人的形态发生变化。调节电流，使操控磁场的磁场方向发生变化，323：机器人的磁场方向与操控磁场的磁场方向趋同，与承载面发生摩擦，进而沿承载面提供的摩擦力方向运动。

可以理解的，请参阅图13(c),机器人发生类半球体弯曲时，其伸展部到顶部离标准球体的球心的距离不同。

可以理解的，请参阅图15，三维亥姆霍兹线圈通电后在工作区间内形成方向与水平承载面平行的操控磁场。调节电流使操控磁场方向逆时针旋转，直至垂直于水平承载面。机器人的磁化方向在向操控磁场方向看齐的过程中，机器人离开水平承载面，再在重力的作用下，其重心逐渐下移。此时，机器人表现为向后退。若操控磁场方向顺时针旋转，则在机器人的磁化方向再次向操控磁场方向看齐的过程中，伸展部与水平承载面接触，水平承载面给机器人提供一个向前运动的摩擦力。此时，机器人表现为向前进。在单位时间内，若机器人前进的距离大于后退的距离，则机器人整体对外显示前进。不断重复以上的操作，机器人就可以像铲车一般向前运动。

可以理解的，请参阅图13(c)及图15，当施加一个1-10mT的操控磁场时，机器人的伸展部到顶部的弯曲半径依次为r₂→r₁→r。所以，在机器人在操控磁场作用下经历如图15(a)-(e)所示的过程时，机器人会逐渐离地，同时因为重力而逐渐下降，其重心离地距离为r₂→r₁→r。在机器人在操控磁场作用下经历图15(e)-(g)所示的过程时，机器人的重心离地距离为r→r₁→r₂，即进行的是滚动运动，此过程机器人因为地面摩擦而产生前进的动力。但是就图15(a)-(g)整个过程而言，机器人整体上并没有前进，而是在原地逗留。

在实际的应用中，机器人对操控磁场的响应往往是延迟的，所以一般在合适的操控磁场频率，机器人整体才会对外显示前进。否则，就有可能在原地逗留或者前进速度很慢。

请参阅图17，在铲车运动的模式下，机器人的运动速度受介质粘度和操控磁场频率的影响。一般来说，在操控磁场频率一定的前提下，介质粘度越小，机器人的运动速度越快。一般来说，在不同介质粘度的前提下，机器人在1-2.5Hz的操控磁场频率下运动速度比较快，可以达到3-5mm/s。

具体的，请参阅图11，在又一实例中，三维亥姆霍兹线圈通电后在工作区间内形成操控磁场。在磁力矩的作用下，321：操控磁场使机器人的形态发生变化。调节电流，在操控磁场的作用下，324：机器人通过水母运动方式或者铲车运动方式来到作业地点。然后，325：机器人在铲车运动模式下对作业对象进行搬送，直至送达指定地点。

可以理解的，机器人的伸展部可以夹住作业对象，然后在操控磁场的作用下，通过铲车运动方式将作业对象运输到指点地点。

请参阅图18，机器人的载重能力相当优秀。具体的，在机器人自身质量为0.04g的前提下，使用每颗质量为0.12g的微型珠作为运输对象进行推动测试实验。实验证明机器人至少可以推动两颗这样的微型珠，约为机器人自身质量的六倍。

在靶向送药的实际应用中，机器人还可以和药物一起封装在胶囊中，然后通过吞食到达人体胃部。在胃部内，通过操控磁场的作用，可以将药物送至病发的地方。

330：响应的信息被相机捕捉，传输给计算机；

具体的，在操控磁场的作用下，机器人弯曲的情况、运动的情况、作业的情况以及位置信息需要由相机监控捕捉，然后传输给计算机用于展示和进一步的指令决策。

340：计算机显示响应的信息，并且通过驱动控制程序发送控制信号给电机控制器；

具体的，机器人的响应信息可以通过计算机的输出设备例如屏幕进行展示。机器人的响应信息同时应用于计算机下一步的指令决策，然后通过驱动控制程序发送控制信号给电机控制器，调整电机控制器输出给三维亥姆霍兹线圈的电流。

350：电机控制器产生电流输送给三维亥姆霍兹线圈。

具体的，电机控制器根据接收到的控制信号，产生相应的电流输送给三维亥姆霍兹线圈，从而在工作空间内形成所想要的操控磁场。新的操控磁场会重新作用于机器人，使机器人发生预设的响应。

其中，电机控制器由额定电压60V及额定电流10A的直流电源供电。

以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims

1.一种机器人，其特征在于，包括：

磁体颗粒，所述磁体颗粒嵌设于所述顶部与所述伸展部；

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述薄膜与所述磁体颗粒的质量比为1:1。

3.根据权利要求1或者2所述的机器人，其特征在于，至少两个所述伸展部呈放射状，且至少两个所述伸展部关于所述顶部中心对称。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述薄膜的材质为硅胶、橡胶或者柔性树脂中的一种。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述磁体颗粒的材质为钕、铁、硼中的一种或者多种的混合。

6.一种机器人系统，其特征在于，包括：三维亥姆霍兹线圈以及权利要求1-5任一项所述的机器人；

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其特征在于，所述三维亥姆霍兹线圈包括第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈及第三亥姆霍兹线圈，所述第一亥姆霍兹线圈、所述第二亥姆霍兹线圈及所述第三亥姆霍兹线圈的轴心相互正交设置。

8.一种机器人的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将薄膜材料和磁性颗粒混合制成基膜；

将所述基膜按照预设形状切割形成半成品；

将所述半成品置于预设磁场中磁化，形成机器人。

9.根据权利要求8所述的机器人的制备方法，其特征在于，所述将薄膜材料和磁性颗粒混合制成基膜包括以下步骤：

取质量比为0.5-1:0.5-1的薄膜材料和磁性颗粒；

将所述薄膜材料和磁性颗粒放入预设模具中以40℃-80℃的温度加温20-40min,形成基膜。

10.根据权利要求8所述的机器人的制备方法，其特征在于，所述将所述半成品置于预设磁场中磁化，形成机器人包括以下步骤：

将半成品弯曲成弧形结构，得到弧形结构的半成品。

11.根据权利要求8所述的机器人的制备方法，其特征在于，所述预设磁场为均匀磁场且所述预设磁场的强度大于或者等于800mT。

12.一种机器人的运动控制方式，其特征在于，包括：

所述操控磁场令机器人发生响应，得到响应的信息；

所述响应的信息被相机捕捉，传输给计算机；

所述电机控制器产生电流输送给所述三维亥姆霍兹线圈。

13.根据权利要求12所述的机器人的运动控制方式，其特征在于，所述操控磁场令机器人发生响应，得到响应的信息包括：

操控磁场使机器人的形态发生变化；

所述机器人随着所述操控磁场的磁场变换，其弯曲张角由大变小产生反推力，进而沿所述操控磁场方向的反方向运动。

14.根据权利要求12所述的机器人的运动控制方式，其特征在于，所述操控磁场令机器人发生响应，得到响应的信息还包括：

操控磁场使机器人的形态发生变化；

所述机器人的磁场方向与所述操控磁场的磁场方向趋同，与承载面发生摩擦，进而沿所述承载面提供的摩擦力方向运动。

15.根据权利要求12所述的机器人的运动控制方式，其特征在于，所述操控磁场的磁场强度在所述工作空间内是均匀的。

16.根据权利要求12所述的机器人的运动控制方式，其特征在于，所述电机控制器由额定电压60V及额定电流10A的直流电源供电。