CN116362151A - 微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备，方法包括：根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，得到多螺旋组合马达的匀速运动的第二运动规律方程组；将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组；对得到的第三运动规律方程组进行形式变换后，将第一个和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率代入，并结合第四运动规律方程组代入预设参数得到多螺旋组合马达的第一设计参数；并根据预设的执行器臂的第二设计参数利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法光刻打印出微型执行器。通过根据设计参数对微型执行器进行设计提升其多操作自由度。
Description
技术领域
本发明涉及微创医疗器械技术领域，特别涉及一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备。
背景技术
由腱/绳驱动的小型机械臂，利用多根绳/腱的牵拉或收缩，可以实现机械臂末端位置和姿态的精确操控，已被广泛应用于临床微创手术中。通过引入磁场驱动这种无线操控的新颖的驱动方式，磁操控的有栓系微型机械臂拥有了结构简单，尺寸小，响应快速等优势，为微小型机械臂的进一步微型化提供了技术支持。
相较于上述的有栓系的微型机械设备，无栓系的磁控移动设备，如微型游动机器人、微型爬行机器人等，具有尺寸更小，转向灵活等优势，有望进入人体内有栓系机器人及传统微导丝/微导管等介入器械难以到达的狭小区域，且其无栓系的特点可以进一步减小对人体的创伤，在近十几年来得到了快速的发展和广泛关注。因此，从有栓系到无栓系的转变，将进一步提升磁控微型设备在血管介入领域的应用潜力，有望在心脑血管疾病的治疗中发挥重要作用。
然而，现有的磁驱动无栓系微型设备上搭载的操作纵机构往往缺乏操纵物体时的自由度，难以实现像绳/腱驱动机械臂一样的多自由度的末端位置和姿态控制，因此其在介入医疗领域的应用受到了极大的限制。如何开发出具有多操作自由度的无栓系磁控微型机械臂，仍是亟待解决的问题。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备，旨在解决现有技术中无栓系微型设备上搭载的操纵机构缺乏操纵物体时的自由度，无法实现像绳/腱驱动机械臂一样的多自由度的末端位置和姿态控制的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法包括：
根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，并利用预设方式将三个微螺旋组合成多螺旋组合马达后，类比推导得到，在液体环境中所述多螺旋组合马达在磁场驱动下匀速运动时的第二运动规律方程组；
将所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式和所述第二运动规律方程组进行无量纲化处理后，将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组，并联立推导得到，在液体环境中多螺旋组合马达在磁场下匀速运动时的第三运动规律方程组；
对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的第一设计参数；
根据所述第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法中，根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，并利用预设方式将三个微螺旋组合成多螺旋组合马达后，类比推导得到，在液体环境中所述多螺旋组合马达在磁场驱动下匀速运动时的第二运动规律方程组，具体包括：
推导在旋转磁场驱动下，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式，流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式，得到所述第一运动规律方程组；
将多个螺旋以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接，组合得到所述多螺旋组合马达；
推导在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时每个螺旋所受的流体阻力计算公式，流体阻力扭矩计算公式，流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式，得到所述第二运动规律方程组。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法中，所述将所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式和所述第二运动规律方程组进行无量纲化处理后，将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组，并联立推导得到，在液体环境中多螺旋组合马达在磁场下匀速运动时的第三运动规律方程组，具体包括：
将所述磁扭矩计算公式，所述流体阻力计算公式，所述流体阻力扭矩计算公式，所述流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及所述流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式进行无量纲化处理后进行联立，再利用描述同步规律的形式转换方程，并以外磁场与磁化方向的相角差值为自变量进行积分，计算得到时间间隔和平均相差变化速率；
根据所述时间间隔和所述平均相差变化速率，得到描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式后，代入多螺旋组合马达的整体移动速度计算公式中，得到以分段函数形式表示的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式；
其中，所述第三运动规律方程组包括描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式，以及描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法中，所述对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的第一设计参数，具体包括：
将第2～N个速度突变转折点的转折点速度和转折点外磁场频率，以及所述第一个速度突变转折点的预设速度值，代入描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式中，联立求解得到综合特性参数；
根据所述综合特性参数，结合描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到无量纲量的第一设计参数；
对无量纲量的第一设计参数进行量纲转换得到有量纲的实际参数。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法中，所述根据所述第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器，具体包括：
预先设计执行器臂的结构的第二设计参数；
根据所述执行器臂和单个微螺旋的轮廓设定相应的晶格支撑结构的第三设计参数；其中，所述第三设计参数包括晶格支撑结构的层数；
将所述第一设计参数、所述第二设计参数和所述第三设计参数输入至光刻机后，根据所述第三设计参数分别光刻打印出适合所述多螺旋组合马达和所述执行器臂的所述晶格支撑结构；
根据所述第一设计参数和所述第二设计参数，对所述多螺旋组合马达和所述执行器臂分别进行从左至右地分块式双光子光刻打印，并使用相应的晶格支撑结构进行支撑，得到所述微型执行器。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法中，所述第一运动规律方程组包括在旋转磁场驱动下，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式，流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式；所述第二运动规律方程组包括在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时每个螺旋所受的流体阻力计算公式，流体阻力扭矩计算公式，流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式；所述多螺旋组合马达为由多个微螺旋组合而成的微螺旋组合马达；所述预设方式为以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法中，无量纲化处理的预设参数包括螺旋丝径、镀磁厚度、步出频率值、速度值、表面亲疏水接触角、流体动力学粘度、计算常量、磁化强度和外磁场幅值；所述第一设计参数包括角度、手性值、圈数、丝径和螺旋半径；所述第一个速度突变转折点处的转折点速度为0；所述第四运动规律方程组包括描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式。
运用如上所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，加工得到的微螺旋组合马达驱动的微型执行器，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器包括：驱动单元、限位单元、中轴单元和执行单元；所述驱动单元包括：第一微螺旋、第二微螺旋、第三微螺旋和多个限位盘；所述限位单元包括：限位块；所述中轴单元包括：中心杆；所述执行单元包括：拉绳、主干和圆盘。
所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器中，由所述第一微螺旋、所述第二微螺旋、所述第三微螺旋，中心杆以及位于其上的多个所述限位盘组合得到所述多螺旋组合马达；由所述拉绳、所述主干和所述圆盘组合得到所述执行器臂。
一种医疗器械，包含如上所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器。
相较于现有技术，本发明提供的一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备，所述方法包括：根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，计算得到组合后的多螺旋组合马达的第二运动规律方程组；将经过无量纲化处理后的第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组后，推导计算得到多螺旋组合马达的第三运动规律方程组；对第三运动规律方程组进行形式变换后，将第一个和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率代入，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到多螺旋组合马达的第一设计参数；根据第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器。通过根据设计参数对微型执行器进行设计，提升其多操作自由度。
附图说明
图1为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例的流程图；
图2为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中步骤S100的流程图；
图3为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中步骤S200的流程图；
图4为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中步骤S300的流程图；
图5为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中三螺旋微马达的速度与频率响应分布图；
图6为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中步骤S400的流程图；
图7为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中单层晶格支撑结构的外形图；
图8为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中多层晶格支撑结构的外形图；
图9为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中微螺旋组合马达驱动的微型执行器的制造结果图；
图10为本发明提供的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的较佳实施例中执行器的整体外形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明提供了一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备。本发明中通过根据单个微螺旋在磁场下的在液体环境中的第一运动规律方程组，类比推导组合后的多螺旋组合马达的第二运动规律方程组，以便得到多螺旋组合马达的第一设计参数对微型执行器进行设计，可以构建能够可选择性响应不同旋转频率的外部磁场的机械臂驱动模块，可用于实现无线操控的空间万向弯曲连续体机械臂关节，有效地提升了所述微型执行器的多操作自由度。
下面通过具体示例性的实施例对微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方案进行描述，需要说明的是，下列实施例只用于对发明的技术方案进行解释说明，并不做具体限定：
请参阅图1，本发明提供的一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法包括：
S100、根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，并利用预设方式将三个微螺旋组合成多螺旋组合马达后，类比推导得到，在液体环境中所述多螺旋组合马达在磁场驱动下匀速运动时的第二运动规律方程组。
其中，所述第一运动规律方程组包括在旋转磁场驱动下，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式(用下面的公式(1)表示)，流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式(用下面的公式(2)表示)，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式(用下面的公式(3)表示)；所述第二运动规律方程组包括在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时，每个螺旋所受的流体阻力计算公式(用下面的公式(5)表示)，流体阻力扭矩计算公式(用下面的公式(6)表示)，流体阻力与磁力平衡的计算公式(用下面的公式(7)表示)，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式(用下面的公式(8)表示)；所述多螺旋组合马达为由多个微螺旋组合而成的微螺旋组合马达；所述预设方式为以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接。
具体地，本发明提出了一种由三个微螺旋微马达组成的驱动单元(多螺旋组合马达，本实施例中为三螺旋微马达)，以该驱动单元为核心，结合绳驱的方式，构建了可做单向弯曲和伸张的执行器，具体地设计步骤如下：
第一步，对所述多螺旋组合马达进行设计：
首先，计算出单个微螺旋在旋转磁场驱动下，在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式(1)，描述流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式(2)，和受到的流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式(3)(所述公式(1)、(2)和(3)均属于第一运动规律方程组)，并以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式将链接三个微螺旋组合成多螺旋组合马达(由多个微螺旋组合而成的微螺旋组合马达)。
然后，根据所述磁扭矩计算公式(1)，描述流体阻力/流体阻力扭矩与流体阻力/流体阻力扭矩平衡的计算公式(2)，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式(3)，计算得到所述多螺旋组合马达在旋转磁场驱动下，在液体环境匀速运动中，每个螺旋受到的流体阻力计算公式(5)和流体阻力扭矩计算公式(6)和流体阻力与磁力平衡计算公式(7)以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式(8)(每个螺旋受到的流体阻力计算公式(5)，流体阻力扭矩计算公式(6)，流体阻力与磁力平衡计算公式(7)，流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式(8)均属于所述第二运动规律方程组)，以便根据所述每个螺旋受到的流体阻力计算公式(5)，流体阻力扭矩计算公式(6)，流体阻力与磁力平衡的计算公式(7)，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式(8)，计算得到所述第三运动规律方程组。
更进一步地，请参阅图2，所述S100、根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，并利用预设方式将三个微螺旋组合成多螺旋组合马达后，类比推导得到，在液体环境中所述多螺旋组合马达在磁场驱动下匀速运动时的第二运动规律方程组，具体包括：
S110、推导在旋转磁场驱动下，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式，流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式，得到所述第一运动规律方程组；
S120、将多个螺旋以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接，组合得到所述多螺旋组合马达；
S130、推导在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时每个螺旋所受的流体阻力计算公式，流体阻力扭矩计算公式，流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式，得到所述第二运动规律方程组。
具体地，首先，在旋转磁场下液体环境中，推导单个螺旋受到的磁扭矩与自身磁性材料体积、磁化强度和外磁场磁感应强度的关系计算公式(或称为磁扭矩计算公式，用标号(1)表示)，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式(2)；以及受到的流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式(3)，从而得到所述第一运动规律方程组：
Tmag＝VM×B＝V|M||B|sin(ωrt-Θ)； (1)
公式(1)中，Tmag为磁扭矩；V为微螺旋的表面镀磁体积；M为特征磁化；B为磁感应强度；Θ为螺旋自身沿轴线转过的角度；ωr为外磁场转动角速度；t为时间。
公式(2)中，Fhydr为流体阻力；Thydr为流体阻力扭矩，Fmag为磁力(在旋转磁场中为0)；Tmag为磁扭矩。
公式(3)中，Fhydr为流体阻力；Thydr为流体阻力扭矩；A、B和D均为阻力系数；v为运动速度；ω为运动角速度(ω的具体计算公式如下)。其中，微螺旋的运动角速度ω与外磁场旋转频率ωr以及微螺旋的失步频率ωSO的关系如下：
当磁场旋转频率低于微螺旋的失步频率时，微螺旋的角速度与磁场旋转频率相等。当磁场旋转频率大于微螺旋的失步频率时，微螺旋会发生失步现象，无法再继续同步跟随磁场，此时，螺旋的角速度与外磁场旋转频率以及微螺旋的失步频率具有特定的函数关系。
其次，对所述多螺旋组合马达进行设计时，三个不同设计的螺旋以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接在一起可以实现具有尖峰状的速度-频率特性曲线的可在特定频率范围内响应的微螺旋组合马达。
最后，与推导第一运动规律方程组同理，推导在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时每个螺旋所受的流体阻力计算公式(5)，流体阻力扭矩计算公式(6)，流体阻力与磁力平衡的计算公式(7)，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式(8)，得到所述第二运动规律方程组：
进一步地，继续参阅图1，S200、将所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式和所述第二运动规律方程组进行无量纲化处理后，将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组，并联立推导得到，在液体环境中多螺旋组合马达在磁场下匀速运动时的第三运动规律方程组。
其中，所述第三运动规律方程组包括描述马达中各个螺旋角速度与外磁场频率关系的计算公式(用下面的公式(9)表示)，以及描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式(用下面的公式(10)表示)。
具体地，在由第一运动规律方程组中的公式(2)和公式(3)类推得到所述第二运动规律方程组后，将经过无量纲化处理后的所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式(1)代入到经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组中，得到所述多螺旋组合马达的描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式(9)，以及描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式(10)(均属于所述第三运动规律方程组)。
更进一步地，请参阅图3，所述S200、将所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式和所述第二运动规律方程组进行无量纲化处理后，将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组，并联立推导得到，在液体环境中多螺旋组合马达在磁场下匀速运动时的第三运动规律方程组，具体包括：
S210、将所述磁扭矩计算公式，所述流体阻力计算公式，所述流体阻力扭矩计算公式，所述流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及所述流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式进行无量纲化处理后进行联立，再利用描述同步规律的形式转换方程，并以外磁场与磁化方向的相角差值为自变量进行积分，计算得到时间间隔和平均相差变化速率；
S220、根据所述时间间隔和所述平均相差变化速率，得到描述马达中各个螺旋角速度与外磁场频率关系的计算公式后，代入多螺旋组合马达的整体移动速度计算公式中，得到以分段函数形式表示的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式。
具体地，对所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式(1)进行无量纲化处理。并且对所述第二运动规律方程组中的流体阻力计算公式(5)，流体阻力扭矩计算公式(6)，流体阻力与磁力平衡的计算公式(7)，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式(8)进行无量纲化处理。处理后的公式分别标记为公式(1’)、公式(5’)、公式(6’)、公式(7’)、和公式(8’)。
其中，无量纲化的量由字母上方的尖角标注(^表示无量纲量(或称无因次量、无维量、无维度量、无维数量、无次元量等，指的是在量纲分析中，没有量纲的量))，分别写做：流体阻力矩
流体阻力/>
然后，联立公式(1’)、公式(5’)、公式(6’)、公式(7’)和公式(8’)，按照用于描述同步规律的Adler方程(形式转换方程)
(其中，/>
表示外磁场与微螺旋磁化方向的相差(沿螺旋轴向转过角度的差值)随时间的变化率，ΔΘi＝ωrt-Θi是外磁场B与磁化M的相差，/>
无量纲化的外磁场旋转角频率，Iij是耦合因子)的形式转换方程形式，忽略影响较小的耦合项∑j≠iIijsinΔΘj，即使其为0，并以外磁场与磁化方向的相角差值ΔΘi为自变量积分，可求出在相差从0变化为2π时的时间间隔Δτ的值，即/>
其次，可以得出相差从0变化到2π时的平均相差变化速率
由
(螺旋角速度等于外磁场旋转频率减去平均相差变化速率)，可以得出多螺旋组合马达的描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式(9)。将公式(9)代入马达移动速度计算公式/>
中，可进一步得到描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式(10)：
公式(9)和公式(10)中，fi为多螺旋组合马达中第i个螺旋在作为马达整体一部分时的临界步出频率，也是微马达速度-频率曲线中转折点的频率，为无量纲量；
为无量纲的马达整体移动速度；/>
为第i个螺旋在作为马达整体的一部分时的综合特性参数。描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式，以及描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式均为所述第三运动规律方程组。
进一步地，继续参阅图1，S300、对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的第一设计参数。
其中，所述第一设计参数包括角度、手性值、圈数、丝径和螺旋半径；所述第一个速度突变转折点处的转折点速度为0；所述第四运动规律方程组包括描述综合特性参数与螺旋几何及特征参数关系的计算公式(下面用公式(13)表示)，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式(下面用公式(14)表示)。
具体地，在得到所述第三运动规律方程组后，对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式(10)，此时，所述第一个速度突变转折点处的转折点速度为0，并结合描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的角度、手性值、圈数、丝径和螺旋半径，以此作为设计所述多螺旋组合马达的参数设计。
更进一步地，请参阅图4，所述S300、对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的第一设计参数，具体包括：
S310、将第2～N个速度突变转折点的转折点速度和转折点外磁场频率，以及所述第一个速度突变转折点的预设速度值，代入描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式中，联立求解得到综合特性参数；
S320、根据所述综合特性参数，结合描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到无量纲量的第一设计参数；
S330、对无量纲量的第一设计参数进行量纲转换得到有量纲的实际参数。
具体地，在得到所述描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式后，利用速度-频率响应要求来逆向设计多螺旋组合马达，首先，将第2～N个速度突变转折点的转折点速度和转折点外磁场频率，代入描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式中，即将设置的第2～N个转折点处的转折点速度U和转折点外磁场频率f代入描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式(10)后，进行形式变换可以得到公式(11)。
然后，将所述第一个速度突变转折点的预设速度值代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式中，即将速度值为0的第1个转折点单独代入描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式(10)计算，因为当公式(10)中自变量f在0-f1频率区间内时，公式(10)中减号后面的项为0，即公式(10)可化简为
此时，当满足/>
这个条件时，在0-f1频率区间内取任意f时的转折点速度U都为0。/>
变换形式就可以得到公式(12)。
然后，通过公式(11)和公式(12)确定了综合特性参数
并结合描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式(用下面的公式(13)表示)和描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式(用下面的公式(14)表示)可以求出三个微螺旋的具体参数，此时得到无量纲量的第一设计参数。而公式(13)由之前所述变换后的Adler方程的fi这一项的表达式转换形式得到。公式(14)也是由前述公式(1’)、公式(5’)、公式(6’)、公式(7’)和公式(8’)联立后得到。/>
公式(11)、公式(12)和公式(13)中，下标i表示螺旋的序号，
为第i个螺旋的综合特性参数，/>
为第i个螺旋的螺旋半径；θk为螺旋的倾角；下标/>
表示在第i个螺旋发生步出的临界磁场旋转频率下，多螺旋组合马达整体的移动速度。/>
表示流体阻力系数(其中，/>
为无量纲的动力学粘度)，N表示微螺旋的个数，这里为常数3。ρ是值为0.5的因子，a为可预设的常量，n为螺旋的圈数。/>
为无量纲的螺旋丝径，/>
为螺旋手性值+1或-1。/>
为无量纲的镀磁厚度。
在人为设定三个螺旋作为整体部分时的预设参数包括：步出频率值fi，速度值Ui，外磁场幅值|B|，特征磁化(磁化强度)|M|，镀磁体积V(V＝π(r2–(r–δ)2)L，其中L＝2πnR/sinθ为螺旋丝的长度，δ为镀磁厚度)，表面亲疏水接触角α，流体动力学粘度η，螺旋丝径ri以及计算常量a后，将预设三螺旋马达的参数经过无量纲化处理后通过用MATLAB联立求解上述公式(11)、公式(12)、公式(13)和公式(14)，可以得到无量纲量的第一设计参数(见表2)。最后，对无量纲量的第一设计参数进行量纲转换得到有量纲的实际参数，需要利用量纲转换换算成有量纲的量，即计算出多螺旋组合马达中三个微螺旋的角度θ、手性值h、圈数n和螺旋半径R(均是有量纲的量)，以此为依据可以设计出符合尖峰状的具有频率选择性的三螺旋马达。
其中，将相应的参数代入到公式(10)后，可以求得整个三螺旋微马达的速度与频率响应分布如图5所示，其中，横坐标为速度(Velocity)，纵坐标为频率(Frequency)。除了这些参数外，还计算出了每个螺旋的手性值，即从螺旋序号1到3分别为-1、1、-1，即左手，右手，左手手性。三个微螺旋马达的相关设计参数归纳见表1。
其中，预设三螺旋马达的参数如下表1：
表1
其中，计算得出的参数(有量纲的实际参数)如下表2：
| i | Ri(μm) | θi(°) | ni | hi |
| 1 | 202.04 | 83.40 | 6.48 | -1 |
| 2 | 155.92 | 77.05 | 8.40 | 1 |
| 3 | 139.43 | 83.39 | 9.40 | -1 |
表2
其中，考虑到后续制造过程(3d打印)的分辨率，以确保中心杆和每个螺旋之间有足够的空间，上述这些参数值均是经过几次设计迭代得到的。
进一步地，继续参阅图1，S400、根据所述第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器。
具体地，在计算得到所述第一设计参数后，进入第二步，对执行器臂的参数设计：
首先，预先设计出执行器臂的第二设计参数，然后，为了将所述微型执行器的悬垂和悬空特性正确地打印出来，使用晶格支撑结构的方法，即事先打印出相应的晶格支撑结构柱对所述微型执行器进行支撑。
其次，根据实际的打印测试，常规的打印过程会造成中心杆的打印去缺陷(先打印的距离衬底较近的层会由于周围光刻胶的流体扰动而发生变形)，并造成微螺旋与中心杆的粘附，所以需要进行分块式打印，即将预打印的微型执行器切分为较细的块后进行打印。
最后，光刻机根据所述多螺旋组合马达的第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器，从而实现了对微螺旋组合马达驱动的微型执行器的专门设计。
本发明中对微螺旋组合马达驱动的微型执行器的设计，属于计算机辅助设计和双光子光刻加工的方法，通过采用了添加晶格支撑结构以及减小切分的打印块的宽度的方法，解决了悬垂和悬空结构的打印问题。
更进一步地，请参阅图6，所述S400、根据所述第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器，具体包括：
S410、预先设计执行器臂的结构的第二设计参数；
S420、根据所述执行器臂和单个微螺旋的轮廓设定相应的晶格支撑结构的第三设计参数；其中，所述第三设计参数包括晶格支撑结构的层数；
S430、将所述第一设计参数、所述第二设计参数和所述第三设计参数输入至光刻机后，根据所述第三设计参数分别光刻打印出适合所述多螺旋组合马达和所述执行器臂的所述晶格支撑结构；
S440、根据所述第一设计参数和所述第二设计参数，对所述多螺旋组合马达和所述执行器臂分别进行从左至右地分块式双光子光刻打印，并使用相应的晶格支撑结构进行支撑，得到所述微型执行器。
具体地，在对执行器臂的参数进行设计的阶段中：
首先，连续体机械臂(执行器臂)的设计参照传统的绳驱动连续体机械臂，结构由固定块，圆盘(disk)，主干(backbone)和拉绳(tendon)组成。主干的一端与底面固定于硅片的固定块相连，另一端悬空向外延伸，圆盘由主干延展出来，其上带有小孔，可以使得拉绳从孔中穿过。拉绳从马达的末端一直延伸到最后机械臂的最后一个圆盘上。当拉绳被微马达拉动时，在拉力引起的弯矩作用下，机械臂的主干会向绳缩短的这一侧弯曲。
其中，所述第二设计参数按照传统的绳驱动连续体机械臂进行设计，例如，预设的连续体机械臂的第二设计参数为：主干和拉绳直径均为12.5微米，圆盘直径为540微米，圆盘厚度为14微米，间距为280微米；机械臂离底面距离为25微米，使机械臂处于悬臂状态避免拉动时接触底面；机械臂总长为1614微米，即1.614毫米。
然后，进入第三步，进入光刻打印操作前的准备工作：
由于，在执行机构中存在一些悬垂和悬空特性，包括悬空特征(三螺旋)、悬垂特性(执行器部分的主干和拉绳)和由于大跨度导致打印过程中悬垂的特征(微马达的中心杆)。后者是由于打印范围的尺寸限制，打印过程中必须拆分成多个块，从而导致打印过程中出现悬垂问题。所以，为了将所述微型执行器的悬垂和悬空特性正确地打印出来，选择利用晶格支撑结构的方法，将三个微螺旋和执行器臂的部分都通过添加合适的支撑柱从而打印出来。其中，单层晶格支撑结构的外形如图7所示，实际使用的多层晶格支撑结构的外形如图8所示。
而在使用所述晶格支撑结构进行支撑之前，各个支撑柱需要根据各个微螺旋的轮廓设定层数(第三设计参数)，所以需要所述光刻机根据输入的所述第三设计参数分别光刻打印出适合对所述多螺旋组合马达和所述执行器臂进行支撑的所述晶格支撑结构，并同样通过实际多次打印迭代验证支撑设置的有效性。
其次，大跨度的中心杆也需要解决悬垂问题。但是，根据现有的打印工艺，结构在打印时是一层一层地堆叠在另一层上。然而这将导致下垂问题，通常是在大跨度悬垂特征的打印过程中，根据实际的打印测试，常规的打印过程会造成中心杆的打印缺陷(先打印的距离衬底较近的层会由于周围光刻胶的流体扰动而发生变形)，并造成微螺旋与中心杆的粘附。因此，中心杆及其连带的限位盘和限位块是一起切片的，通过较细的块切分，将其打印方向由竖直方向堆叠调整为从左向右堆叠。这种打印方法虽然会略微损失打印后的表面光滑度，但是却对常规打印方法进行有效地改进。按照同样方法，机械臂部分也需要通过细切分达到从左到右(沿主干和拉绳的轴向)地打印。
再者，考虑到激光通过打印结构时由于激光衰减会降低打印质量，故确定打印顺序为：先打印微螺旋下半部分，后打印中心杆和限位块，再打印微螺旋上半部分，最后打印机械臂部分。最后，所述光刻机根据输入的所述第一设计参数和所述第二设计参数，对所述多螺旋组合马达和所述执行器臂分别进行从左至右地分块式双光子光刻打印，并使用相应的晶格支撑结构进行支撑，得到所述微型执行器。
接下来，进入第四步，进入光刻打印工作：
为保证低时间成本和高打印精度，先用63倍物镜打印晶格支撑结构，再用10倍物镜打印整个执行器。打印速度设置为20000μm/s，激光功率设置为100％。整个打印过程约持续15h(晶格支撑结构10h，整个执行器5h)。
并且，镜头的切换过程必须通过两个标记进行对准，即打印支撑结构之前在原点位置打印一个X形标志，打印出支撑结构后切换至10倍镜头再在新的原点处打印一个X形标志，根据两个标志的距离更改x轴及y轴的偏置量，重复打印几次，直至10倍镜头下的X标志与63倍镜头下的X标志重合。将该偏置量添加到打印微型执行器的载物台移动距离中，即可完成对准。
再接下来，进入第五步，打印后的处理操作：
打印后，将打印出的微型执行器样本在PGMEA(丙二醇甲醚醋酸酯，也叫丙二醇单甲醚乙酸酯，是一种具有多官能团的非公害溶剂)中浸泡7min，对样本进行显影操作，可以去除未固化的光刻胶。短的显影时间有利于减小结构的膨胀率。然后，在IPA(IPA(异丙醇)是一种有机化合物，正丙醇的同分异构体，别名二甲基甲醇、2-丙醇)中浸泡5min，用于对样本进行清洗。其次，用氮气将样品干燥。样品最后在空气等离子体氛围中刻蚀90min，流速200ml/min，以去除支撑结构，功率设置为170W。
其中，打印后的由微螺旋组合马达驱动的微型执行器的制造结果如图9所示。并且，通过探针手动对样本进行测试，螺旋可以绕中心杆自由转动，整个驱动马达可以在两个限位块约束的区域内从左到右自由运动。并且，由本发明中所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法所得到的三螺旋组合马达，可以在外部磁场幅值为15mT的空间匀强旋转磁场下，预先设定的旋转频率范围内受到选择性控制。三螺旋组合马达可以在其中心杆的轴线方向移动，并有效地拉动所设计的微型执行器(机械臂)执行弯曲和伸张操作。
并且，在打印出来的微型执行器结构上镀磁层操作如下：
首先，采用物理气相沉积(PVD)方法，利用阻蒸式镀膜机在螺旋上沉积磁性钴金属层，根据之前计算的数据(表1中镀磁厚度δ)，确定钴层厚度为1.2μm。在钴层上沉积30nm的钛层，以保证下一步氟硅烷的改性。为保证镀膜的均匀性，将镀膜倾角设置为30度。
沉积后，将样品在空气中静置4h，以便自发形成数纳米厚度的二氧化钛镀层。
然后，进行氟硅烷改性：即在5ml去离子水中加入4.9ml乙二醇，再加入0.1ml全氟十二烷基三甲氧基硅烷，并将混合物磁力搅拌至均匀状态。再加入稀盐酸，控制pH值为3.0左右。搅拌1h，使氟硅烷均匀分散，静置4h，使氟硅烷充分水解。最后，将3d打印的样品置于水解氟硅烷溶液中，使氟硅烷枝接在样品上的二氧化钛层表面。
其中，氟硅烷的表面改性有助于降低表面能，以减少摩擦和粘附。它还有助于减少微螺旋旋转时的摩擦力和流体阻力。在硅片上对镀有钛的硅片进行相同处理，测得水的接触角(CA)约为108°，证实了样品表面存在氟硅烷层。CA的增加有利于减小摩擦和流体阻力，提高微马达的负载能力。
在本发明中的另一个实施例中，可以使用红外光或磁热响应软材料作为微执行器的肌腱，并使用可以在空间中精确聚焦的近红外光或高频磁场进行刺激，以引发肌腱的收缩。该方案同样具有无线可控的特点，适合于在人体内应用。该方案对红外光精确聚焦系统或高频磁场系统的搭建有较高要求，而且需要选择适合波长范围的红外光，以提高人体的穿透能力，或者设计有选择性响应能力的磁热材料。
更进一步地，请参阅图10，运用如上所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，加工得到的微螺旋组合马达驱动的微型执行器，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器包括：驱动单元、限位单元、中轴单元和执行单元。
所述驱动单元包括：第一微螺旋、第二微螺旋、第三微螺旋和多个限位盘；所述限位单元包括：限位块；所述中轴单元包括：中心杆；所述执行单元包括：拉绳、主干和圆盘。
其中，由所述第一微螺旋、所述第二微螺旋、所述第三微螺旋，中心杆以及位于其上的多个所述限位盘组合得到所述多螺旋组合马达；由所述拉绳、所述主干和所述圆盘组合得到所述执行器臂。
具体地，包括驱动单元在内的微型执行器的整体外形如图10所示。所述微型执行器包括：驱动单元、限位单元、中轴单元和执行单元；所述驱动单元包括：第一微螺旋(图10中的微螺旋1)、第二微螺旋(图10中的微螺旋2)、第三微螺旋(图10中的微螺旋3)和限位盘(四者一起组合成微螺旋组合马达/多螺旋组合马达)。并且，所述第一微螺旋的两端、所述第二微螺旋的两端、所述第三微螺旋的两端均分别与每两个限位盘固定连接；所述限位单元包括：限位块；所述中轴单元包括中心杆；所述执行单元包括：拉绳、主干和圆盘(三者构成连续体机械臂)。底面连接在硅片上的限位块的设置是为了限制马达中心杆的横向移动或摆动，确保微马达仅在中心杆轴线方向移动。
并且，多螺旋组合马达的外形设计进行了调整，即增大了轴向限位圆盘(轮状结构)的半径大小，以减小微螺旋与底面的接触对其转动特性的影响。轴向限位圆盘设置为大部分空心的类似于汽车方向盘的圆盘，以减小对螺旋运动产生的流体的运动的阻碍。
其中，本发明中利用磁场操控的微螺旋组合马达作为驱动单元，在设定的匀强磁场旋转频率区间内进行双向的速度连续可调的直线移动，实现了单根绳驱动的执行器模块在磁场下选择性的无线操控，如图9所示的。且，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法具有可拓展性和模块化的特点，可以为后续的磁控多自由度微机械臂的设计制造提供理论及实践依据。
本发明作为选择性驱动单元的概念验证，具有模块化和可扩展性。由于此次试验验证的设计理论，后续可以依据同样的计算公式人为选定多个不同的频率范围，设计多个可选择性控制的微螺旋组合马达，每个微马达在其驱动频率范围内可以选择性地驱动单独一根拉绳。三个这样的驱动马达以及其拉绳可以制作一个空间万向弯曲连续体机械臂关节。关节的进一步模块化组装可以组成更多自由度的机械臂。依据传统绳驱动机器人的运动学和动力学理论，可以推导出机器人末端的空间位姿和有负载时的形态变化(操作物体时)。该机械臂可以装备于微型爬行机器人顶部或者微型游泳机器人中。
本发明中所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法为计算机辅助设计和双光子光刻加工，采用了添加晶格支撑结构以及减小切分的打印块的宽度的方法，有效地解决了悬垂和悬空结构的打印问题，并在打印后经过刻蚀方法移除支撑结构。
进一步地，本发明提供的一种医疗器械，包含如上所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器；所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器由所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法设计出来，由于上述对该所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的步骤进行了详细的描述，在此不再赘述。
在本实施例中，提供了微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法的实施例，需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
综上所述，本发明提供的一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法及相关设备，所述方法包括：根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，类比推导后得到组合后的多螺旋组合马达的第二运动规律方程组；将经过无量纲化处理后的第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组后，计算得到多螺旋组合马达的第三运动规律方程组；对第三运动规律方程组进行形式变换后，将第一个和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率代入，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到多螺旋组合马达的第一设计参数；根据第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器。通过根据设计参数对微型执行器进行设计，提升其操作自由度。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法包括：
根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，并利用预设方式将三个微螺旋组合成多螺旋组合马达后，类比推导得到，在液体环境中所述多螺旋组合马达在磁场驱动下匀速运动时的第二运动规律方程组；
将所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式和所述第二运动规律方程组进行无量纲化处理后，将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组，并联立推导得到，在液体环境中多螺旋组合马达在磁场下匀速运动时的第三运动规律方程组；
对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的第一设计参数；
根据所述第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器。
2.根据权利要求1所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，所述根据在液体环境中的单个微螺旋在磁场驱动下匀速运动的第一运动规律方程组，并利用预设方式将三个微螺旋组合成多螺旋组合马达后，类比推导得到，在液体环境中所述多螺旋组合马达在磁场驱动下匀速运动时的第二运动规律方程组，具体包括：
推导在旋转磁场驱动下，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式，流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式，得到所述第一运动规律方程组；
将多个螺旋以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接，组合得到所述多螺旋组合马达；
推导在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时每个螺旋所受的流体阻力计算公式，流体阻力扭矩计算公式，流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式，得到所述第二运动规律方程组。
3.根据权利要求2所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，所述将所述第一运动规律方程组中的磁扭矩计算公式和所述第二运动规律方程组进行无量纲化处理后，将经过无量纲化处理后的磁扭矩计算公式代入经过无量纲化处理后的第二运动规律方程组，并联立推导得到，在液体环境中多螺旋组合马达在磁场下匀速运动时的第三运动规律方程组，具体包括：
将所述磁扭矩计算公式，所述流体阻力计算公式，所述流体阻力扭矩计算公式，所述流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及所述流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式进行无量纲化处理后进行联立，再利用描述同步规律的形式转换方程，并以外磁场与磁化方向的相角差值为自变量进行积分，计算得到时间间隔和平均相差变化速率；
根据所述时间间隔和所述平均相差变化速率，得到描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式后，代入多螺旋组合马达的整体移动速度计算公式中，得到以分段函数形式表示的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式；
其中，所述第三运动规律方程组包括描述马达中各个螺旋的角速度与外磁场频率关系的计算公式，以及描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式。
4.根据权利要求1所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，所述对所述第三运动规律方程组进行形式变换，将第一个速度突变转折点处和第2～N个速度突变转折点处的转折点速度和转折点外磁场频率，分别代入到所述第三运动规律方程组中的描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式，并结合第四运动规律方程组，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到所述多螺旋组合马达的第一设计参数，具体包括：
将第2～N个速度突变转折点的转折点速度和转折点外磁场频率，以及所述第一个速度突变转折点的预设速度值，代入描述马达整体移动速度与外磁场频率关系的计算公式中，联立求解得到综合特性参数；
根据所述综合特性参数，结合描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式，代入经过无量纲化处理后的预设参数，得到无量纲量的第一设计参数；
对无量纲量的第一设计参数进行量纲转换得到有量纲的实际参数。
5.根据权利要求1所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，所述根据所述第一设计参数以及预设的执行器臂的第二设计参数，并利用块切分和晶格支撑结构进行支撑的方法，双光子光刻打印出微螺旋组合马达驱动的微型执行器，具体包括：
预先设计执行器臂的结构的第二设计参数；
根据所述执行器臂和单个微螺旋的轮廓设定相应的晶格支撑结构的第三设计参数；其中，所述第三设计参数包括晶格支撑结构的层数；
将所述第一设计参数、所述第二设计参数和所述第三设计参数输入至光刻机后，根据所述第三设计参数分别光刻打印出适合所述多螺旋组合马达和所述执行器臂的所述晶格支撑结构；
根据所述第一设计参数和所述第二设计参数，对所述多螺旋组合马达和所述执行器臂分别进行从左至右地分块式双光子光刻打印，并使用相应的晶格支撑结构进行支撑，得到所述微型执行器。
6.根据权利要求1所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，所述第一运动规律方程组包括在旋转磁场驱动下，单个微螺旋在液体环境中匀速运动时，受到的磁扭矩计算公式，流体阻力/流体阻力扭矩与磁力/磁扭矩平衡的计算公式，以及流体阻力/流体阻力扭矩与运动速度/运动角速度关系的计算公式；所述第二运动规律方程组包括在旋转磁场驱动下，所述多螺旋组合马达在液体环境中沿轴向匀速运动时每个螺旋所受的流体阻力计算公式，流体阻力扭矩计算公式，流体阻力与磁力平衡的计算公式，以及流体阻力扭矩与磁扭矩平衡的计算公式；所述多螺旋组合马达为由多个微螺旋组合而成的微螺旋组合马达；所述预设方式为以轴向间隔排列但保持转动自由度的方式链接。
7.根据权利要求1所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，其特征在于，无量纲化处理的预设参数包括螺旋丝径、镀磁厚度、步出频率值、速度值、表面亲疏水接触角、流体动力学粘度、计算常量、磁化强度和外磁场幅值；所述第一设计参数包括角度、手性值、圈数、丝径和螺旋半径；所述第一个速度突变转折点处的转折点速度为0；所述第四运动规律方程组包括描述综合特性参数与螺旋几何特征参数关系的计算公式，以及描述外磁场与螺旋几何特征参数关系的计算公式。
8.运用权利要求1-7任一项所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器设计方法，加工得到的微螺旋组合马达驱动的微型执行器，其特征在于，所述微螺旋组合马达驱动的微型执行器包括：驱动单元、限位单元、中轴单元和执行单元；所述驱动单元包括：第一微螺旋、第二微螺旋、第三微螺旋和多个限位盘；所述限位单元包括：限位块；所述中轴单元包括：中心杆；所述执行单元包括：拉绳、主干和圆盘。
9.根据权利要求8所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器，其特征在于，由所述第一微螺旋、所述第二微螺旋、所述第三微螺旋，中心杆以及位于其上的多个所述限位盘组合得到所述多螺旋组合马达；由所述拉绳、所述主干和所述圆盘组合得到所述执行器臂。
10.一种医疗器械，包含权利要求8或9所述的微螺旋组合马达驱动的微型执行器。
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