CN116009452B - 在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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‑速度响应的磁性微型机器人，能够应用于血管这种特殊的环境。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。
Description
技术领域
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。
背景技术
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。
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。
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，″Control ofMultiple Heterogeneous Magnetic Microrobots in Two Dimensions onNonspecialized Surfaces，″IEEE Transactions on Robotics，vol.28，no.1，pp.172-182，2012.)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，″Independent and Leader-Follower Control forTwo Magnetic Micro-Agents，″IEEE Robotics and Automation Letters，vol.3，no.1，pp.218-225，2018.)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-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，″Exploiting Nonslip Wall Contacts to Position Two Particles Using the SameControl Input，″IEEE Transactions on Robotics，vol.35，no.3，pp.577-588，2019.)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″OptimalControl of Multiple Magnetic Microbeads Navigating in MicrofluidicChannels.，″presented at the IEEE International Conference on Robotics andAutomation(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。
发明内容
针对上述现有技术，本发明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。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
第一方面，本发明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。
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。
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θa，能够调控磁性微型机器人在水平方向上的运动速度。
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θa，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fo和支撑力No，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fo而产生的与流道壁面的材料特性相关的常量。
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θa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，θa＝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。
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-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[-λ，λ]有关的变量：
λ为设定值。
第二方面，本发明提出一种在分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制装置，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θa，施加全局磁场驱动磁性微型机器人R1、R2从同时从二分叉的血管的分叉点出发，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；
视觉测量模块，用于获取两个机器人的水平距离差Δx；
环境识别器，用于获取磁性微型机器人R1、R2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θ1和θ2；
速度控制器，根据磁性微型机器人R1、R2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θ1和θ2，以及当前磁场方向与水平方向的调控系数k的值，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θa，以实现调控磁性微型机器人在水平方向上的运动速度；
反馈控制器模块，根据两个机器人的水平距离差Δx，确定磁场方向与水平方向的调控系数k的值。
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θa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，θa＝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。
作为上述技术方案的改进，反馈控制器模块，根据两个机器人的水平距离差Δx，计算误差e＝Δx-f(Δx)，进而确定磁场方向与水平方向的调控系数：
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[-λ，λ]有关的变量：
λ为设定值。
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θa，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fo和支撑力No，磁性微型机器人的速度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fo而产生的与流道壁面的材料特性相关的常量。
第三方面，本发明提出一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述任一种方法的计算机程序。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、一种实施方式下的应用场景示意图；
图2、图1中应用场景的数学建模示意图；
图3、磁性微型机器人在流道中的速度特性分析图；
图4、协同驱动策略中磁性微型机器人间距离差控制的示意图；
图5、协同驱动策略的控制框示意图；
图6、用于实验验证制作的分叉流道示意图；
图7、三种不同长度的微机器人的角度-速度曲线示意图；
图8-1、图8-2、图8-3、图8-4为四个不同角度组合的二分叉流道进行协同驱动实验示意图；
图9-1、图9-2、图9-3、图9-4为图8-1、图8-2、图8-3、图8-4中对应的磁性微型机器人的水平距离差和速度差示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
现有的磁性微型机器人的协同驱动策略包含了多种类型，但从针对于体内血管应用的目的来说仍然有缺陷，比如基于本体设计的异构方法需要研究设计不同几何结构的磁性微型机器人，制备过程复杂；基于局部磁场的异构方法，虽然不需要对机器人进行处理，但是需要设计复杂的电磁线圈系统，而且难以应用于血管这种非固定分布的环境；基于机器人间的磁相互作用力的方法，由于微型机器较小，且分叉血管的两个分支相隔的距离是变化的，所以机器人间的磁相互作用力是变化的，无法得到有效的控制；基于局部环境的异构方法中目前还没有适用于血管这种特殊环境的方法。
本发明提出一种在二分叉流道中协同驱动磁性微型机器人的控制方法，该方法是一种基于局部环境异构的协同驱动方法，既可以采用相同特性的磁性微型机器人，也可以采用全局磁场，因此制备简单，不需要复杂的磁场设备，同时能灵活应对血管这种特殊的环境。该方法的整体思想是：通过控制两个磁性微型机器人在水平方向上的速度差来控制其在水平方向上的距离差在设定范围内，从而实现两个磁性微型机器人可以在分叉终点处汇合的目标。
具体地：该方法主要通过控制机器人与流道壁面之间接触的角度来控制其速度的大小，进而控制机器人之间的水平距离差。当两个机器人之间的水平距离差超过给定范围时，通过控制落后的机器人与壁面接触的角度变小直至为0以使得机器人的速度增大。由于两个分叉流道的分叉角度在0到180°之间(不包含180°)，所以此时超前的机器人无法取最大速度。通过视觉反馈，可以得知此时超前机器人的速度是否小于落后的机器人，若是，则保持此控制磁场的输出方向，机器人之间的距离自然就会减小。若不是，则进一步改变磁场输出方向，控制超前机器人与壁面接触的角度到达90°，此时超前机器人的速度一定会为0，而超前机器人的速度不会为0。因此，机器人间的水平距离差就会减小，以此达到协同控制两个磁性微型机器人的目标。
本发明的一种应用场景是二分叉的血管，如图1所示，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。通过分析，可以将应用场景建模为如图2所示的结构。其中，根据实际情况，α1，α2，α3，α4的大小不同，P1，P2，P3，P4的位置也不同。
对于一个沿轴向运动的磁性微型机器人，其运动方向可以通过调控磁场方向角θa来控制，如附图3所示。在流道中，当其轴线方向与流道壁面平行时，磁性微型机器人有最大速度v，当其与壁面接触，且轴线方向与流道壁面存在夹角β时，磁性微型机器人增加摩擦力fo和支撑力No，此时其速度v与夹角之间存在如下关系：
其中，δ是由于磁性微型机器人受到摩擦力fo而产生的，是一个与流道壁面的材料特性相关的常量。所以，通过控制磁场的方向θa可以控制磁性微型机器人的长轴方向与流道壁面的角度β，进而控制磁性微型机器人的前进速度v。vx为速度v在与流道壁面平行方向的分量，vy为速度v在流道壁面垂直方向的分量。
根据对建模后的应用场景的分析，两个磁性微型机器人在分叉流道中前进的运动状态可以分为分散、平行和聚合这三种情况，如附图4所示。图4中，情况I(分散)、II(平行)、III(聚合)涵盖了磁性微型机器人在分叉血管中的运动，两色方块分别表示磁性微型机器人的两极，磁性微型机器人间的距离差可以通过改变方向角θa而减小。建立坐标轴，以平行运动的方向为x轴，伸出右手，使x轴穿过手掌，4指所指方向为y方向，拇指所指方向为z方向。根据以上速度特性的分析可知存在以下关系式：
在分散和聚合的情况下，根据速度特性可以得到θ1和θ2的值如下表1所示：
表1 磁性微型机器人在分叉流道中的速度特性
通过视觉反馈可以得到两个磁性微型机器人间的水平距离差Δx，为了控制Δx∈[-λ，λ]，定义误差：
e＝Δx-f(Δx)
其中，f(Δx)是一个与设定阈值范围[-λ λ]有关的变量：
所以，令λ＝1mm，则当Δx∈[-1mm 1mm]时，误差e＝0。根据经验，|e|越大，超前机器人的速度应该越接近于0，落后机器人的速度应该越接近于最大速度，所以，定义反馈控制系数k，e1为第一误差设定值，e2为第二误差设定值，则有：
在一个实施方式中，e1＝0.2，e2＝0.5，模糊规则如表2所示：
表2 反馈控制规则
| |e| | k |
| |e|≤0.2 | 0 |
| 0.2＜|e|＜0.5 | 0.5 |
| |e|≥0.5 | 1 |
此时，可以得到最后的输出控制量：
其中，θmin＝min(θ1，θ2)。根据表1，当α1+α2＞90°或α3+α4＞90°时，若让落后的机器人取最大速度，则超前的机器人将会出现往回走的情况，所以，通过θmin来限制最大的磁场输出角为使得超前的机器人速度为0的角度，通过视觉反馈检测到的水平距离差越大，k越大，超前机器人的速度越接近于0，由于0＜α1+α2＜180°且0＜α3+α4＜180°，所以落后的机器人速度不会为0，从而达到缩小二者之间水平距离差的目的。情况II是一种特殊情况，此时两个流道是平行的状态，机器人间的速度差无法通过改变θa来实现，所以令θa＝0，即让两个机器人都取最大速度，如此虽然两个磁性微型机器人间的水平距离差会超过一开始设定的阈值1mm，但是在情况III下，根据控制策略，水平距离差又会恢复到1mm以内，可以实现两个磁性微型机器人在分叉终点处汇合的控制目标。
综上所述，本发明提出的控制策略可以概括为以下几步：
a)计算两个磁性微型机器人在当前流道中速度取最大和取零时的磁场方向角θ1和θ2；
b)根据视觉反馈装置得到两个机器人的水平距离差，进而得到反馈控制系数k；
c)通过θ1和θ2、k得到输出磁场的方向；
d)迭代以上3步，直到两个磁性微型机器人在分叉终点汇合。
在一种实施方式中，采用了一种控制装置，装置结构示意图如图5所示，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θa，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。
视觉测量模块，用于获取两个机器人的水平距离差Δx。
环境识别器，用于获取磁性微型机器人R1、R2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θ1和θ2。
速度控制器，根据磁性微型机器人R1、R2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θ1和θ2，以及当前磁场方向与水平方向的调控系数k的值，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θa，以实现调控磁性微型机器人在水平方向上的运动速度。具体的调控策略为：
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，θa＝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。
反馈控制器模块，根据两个机器人的水平距离差Δx，确定磁场方向与水平方向的调控系数k的值。一种实施方式下，反馈控制器模块，根据两个机器人的水平距离差Δx，计算误差e＝Δx-f(Δx)，进而确定磁场方向与水平方向的调控系数：
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[-λ，λ]有关的变量：
λ为设定值。
在上述实施方式中：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θa，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fo和支撑力No，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fo而产生的与流道壁面的材料特性相关的常量。
在一个实施方式中，采用图6图示的分叉流道，设计图如图6中的(a)部分所示，再通过3D打印的流道，在流道中装满了去离子水，完成之后如图6中的(b)部分所示。
选择1.0mm、1.5mm、2.0mm三种不同长度的微机器人，利用该分叉流道，进行角度-速度特性实验。在相同强度的磁场下，改变磁场的方向，使得磁性微型机器人的长轴方向与流道壁面成不同的角度，测量磁性微型机器人的速度，得出磁性微型机器人的速度与角度成反比的关系，角度为0时速度最大，90°时速度为0。三种不同长度的微机器人的角度-速度曲线示意图如图7所示。
基于图6的分叉流道，选了四个不同角度组合的二分叉流道进行协同驱动实验如图8-1、图8-2、图8-3、图8-4所示，磁性微型机器人的水平距离差和速度差对应于图9-1、图9-2、图9-3、图9-4所示，每个图的上部分显示的为距离差，下部分显示的为对应的速度差。通过对实验结果的分析所示，本发明所提出的协同驱动策略在情况I(分散)和情况III(聚合)下能保证两个磁性微型机器人间的水平距离差在1m以内，且能实现两个磁性微型机器人在分叉终点处汇合的目标。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本公开可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本公开而言更多情况下，软件程序实现是更佳的实施方式。
综上，本发明提出了一种在分叉流道中协同驱动两个磁性微型机器人的协同控制方法。这种方法对机器人要求不高，机器人具有两极即可，制备过程简单，可以使用相同的磁性微型机器人，不需要研究设计出不同磁场-速度响应的磁性微型机器人。在方法中，使用全局磁场，不需要复杂的磁场设备。更重要的是，本方法能够灵活应对血管这种特殊的环境，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。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (3)
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；
其中：在不改变磁场大小的情况下，通过调整磁场方向与水平方向的夹角θa，能够调控两个磁性微型机器人在水平方向上的运动速度，当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fo和支撑力No，磁性微型机器人的速度v与夹角之间存在如下关系：
式中，δ是磁性微型机器人受到摩擦力fo而产生的与流道壁面的材料特性相关的常量；
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θa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，θa＝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，其根据两个机器人的水平距离差△x而计算的误差e＝△x-f(△x)确定：
e1为第一误差设定值，e2为第二误差设定值，f(△x)是一个与设定阈值范围[-λ，λ]有关的变量，λ为设定值：
所述水平方向为分叉点指向分叉终点的方向。
2.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有能够被处理器加载并执行权利要求1所述方法的计算机程序。
3.一种应用权利要求1所述方法的控制装置，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θa，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；
视觉测量模块，用于获取两个机器人的水平距离差△x；
环境识别器，用于获取磁性微型机器人R1、R2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θ1和θ2；
速度控制器，根据磁性微型机器人R1、R2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θ1和θ2，以及当前磁场方向与水平方向的调控系数k的值，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θa，以实现调控磁性微型机器人在水平方向上的运动速度；
反馈控制器模块，根据两个机器人的水平距离差△x，确定磁场方向与水平方向的调控系数k的值；
所述水平方向为分叉点指向分叉终点的方向。
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2023
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Patent Citations (5)
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| Title |
|---|
| 毫米级全方位移动微型装配机器人设计、运动学分析与控制;李江昊;李振波;陈佳品;;机器人(01);第65-71页 * |
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|---|---|
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