CN117400250A - 一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置 - Google Patents
一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117400250A CN117400250A CN202311467488.4A CN202311467488A CN117400250A CN 117400250 A CN117400250 A CN 117400250A CN 202311467488 A CN202311467488 A CN 202311467488A CN 117400250 A CN117400250 A CN 117400250A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetic field
- micro
- nano
- clustered
- nano robot
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 230000011664 signaling Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 57
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 19
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 3
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 2
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000012377 drug delivery Methods 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N ferrosoferric oxide Chemical compound O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006249 magnetic particle Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1615—Programme controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators
- B25J9/1617—Cellular, reconfigurable manipulator, e.g. cebot
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J7/00—Micromanipulators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
- B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明涉及微纳机器人技术领域，提供了一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置，所述控制方法包括以下步骤：S1、采集集群微纳机器人的运动图像数据；S2、根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；S3、将所述数字信号转换成模拟信号；S4、将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；S5、接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。本发明对集群微纳机器人的控制方式多样，控制效果好，控制的精度高，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及微纳机器人技术领域，具体涉及一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置。
背景技术
微纳机器人是指尺寸在微纳米级别的机器人，随着微纳机器人技术不断发展，微纳机器人可以被应用在靶向药物传送、医学诊断、污水处理等领域。以外部能量场驱动微纳机器人的方法比较常见，包括：磁场、声场、光场等，目前而言，磁场的应用最为广泛。磁场对微纳机器人的驱动具有良好的可控性和高精度控制，此外，磁场具有很强的穿透力，因此还可以进行远程驱动。所以目前主要被应用在医疗领域，如靶向药物传送、医学诊断等。然而相对于装载能力有限单体微纳机器人，通过磁场作用将大量磁性纳米颗粒聚集组装成的集群微纳机器人能够更高效的完成任务，并且集群微纳机器人所具有自组装和变形能力，提供了其应用的更多可能性。
相关技术中，集群微纳机器人包括：磁场产生装置、驱动装置、微控制单元、工作台。可以通过对磁场产生装置输入电流以产生梯度磁场，再调整输入电流使梯度磁场旋转，微集群在旋转梯度磁场的作用下向目标位置聚集。可以通过加载在电场发生装置的交流电的频率与幅值可以对微纳机器人的运动与集群形态进行控制，通过磁场发生装置通入频率和幅值可调的正弦信号在磁场的中心位置可以产生可调的匀强磁场和旋转磁场等，实现指定的运动。
然而，微纳机器人在医学领域的实际应用仍然面临挑战。相比于单体微纳机器人，集群微纳机器人的驱动显得更为复杂。该集群微纳机器人的驱动方式单一，控制效果差，控制精度低。
发明内容
本发明提供一种集群微纳机器人的一体化的控制方法，旨在解决现有微纳机器人的驱动方式单一，控制效果差，控制精度低的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种集群微纳机器人的一体化的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
S1、采集集群微纳机器人的运动图像数据；
S2、根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；
S3、将所述数字信号转换成模拟信号；
S4、将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；
S5、接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。
优选的，所述S1具体包括以下子步骤：
通过高速摄像机观察所述集群微纳机器人的运动情况；
将所述运动情况反馈输出。
优选的，在所述S2中，所述不同类型磁场包括旋转磁场、振荡磁场和扩散磁场。
优选的，所述S2具体包括以下子步骤：
S21、通过控制产生所述旋转磁场，设定参数驱动形成涡旋状集群微纳机器人；
S22、判断所述涡旋状集群微纳机器人直径是否大于通道尺寸；若是，则执行S23；若否，则返回所述S21；
S23、通过控制产生所述振荡磁场，设定参数驱动形成带状集群微纳机器人；
S24、判断所述带状集群微纳机器人直径是否在分岔口分裂；若是，则返回所述S23；若否，则执行S25；
S25、控制所述集群微纳机器人运动到指定位置，并控制产生所述扩散磁场，通过所述扩散磁场控制所述集群微纳机器人药物释放。
优选的，所述S2中，所述数字信号包括幅值、频率、产生的磁场的俯仰角以及运动方向角；其中，所述俯仰角为磁场方向与所述集群微纳机器人运动方向的夹角。
优选的，所述S5中，还包括以下步骤：
通过温度传感器，用于实时测量磁场产生的工作温度，当温度超过70度时停止工作。
优选的，所述三维亥姆霍兹线圈分别由三对分布在X轴、Y轴、Z轴的亥姆霍兹线圈组成；所述三维亥姆霍兹线圈通入电流后可以产生磁场，通过调节不同输入电流可以控制产生不同的磁场；
所述旋转磁场的表达式(1)如下：
其中，Bx、By、Bz分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁感应强度，A为产生信号的幅值，f为产生信号的频率，对于旋转磁场，该频率f也是磁场旋转频率，t是磁场驱动时间；引入αf俯仰角参数和βf运动方向角，再结合所述旋转磁场的表达式(1)，可以得到能够控制集群微纳机器人精准运动的磁场表达式(2)如下：
通过直接改变幅值A、频率f、俯仰角αf、运动方向角βf这四个参数，便可直接改变产生的旋转磁场。
第二方面，本发明实施例提供一种集群微纳机器人的一体化的控制装置，包括：
高速摄像机，用于采集集群微纳机器人的运动图像数据；
一体化上位机，用于根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；
数据采集卡，用于将所述数字信号转换成模拟信号；
功率放大器，用于将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；
磁场发生装置，用于接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。
优选的，所述一体化上位机中，所述不同类型磁场包括旋转磁场、振荡磁场和扩散磁场。
优选的，所述磁场发生装置包括三维亥姆霍兹线圈和温度传感器，所述三维亥姆霍兹线圈用于通入电流后产生磁场；所述温度传感器用于实时测量磁场产生的工作温度，当温度超过70度时停止工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过高速摄像机采集集群微纳机器人的运动图像数据；通过一体化上位机用于根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；通过数据采集卡将所述数字信号转换成模拟信号；通过功率放大器将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；通过磁场发生装置接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。这样采用上位机编程电信号驱动线圈的方法，可以在线圈空间内产生磁场，驱动微纳机器人运动，通过一体化上位机控制产生的磁场类型控制不同形态的集群微纳机器人，通过改变电信号改变输入电流，从而改变磁场方向和大小，通过高速摄像机反馈集群微纳机器人的运动情况，控制集群微纳机器人的运动；可以驱动具有磁性的集群微纳机器人，用于精准药物运输。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1是本发明实施例提供的集群微纳机器人的一体化的控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的S2的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种通道情况示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种通道情况示意图；
图5是本发明实施例提供的集群微纳机器人的一体化的控制装置的模块图；
图6是本发明实施例提供的集群微纳机器人的一体化的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
结合附图1-图4所示，本发明实施例提供一种集群微纳机器人的一体化的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
S1、采集集群微纳机器人的运动图像数据。
S2、根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号。
S3、将所述数字信号转换成模拟信号。
S4、将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号。
S5、接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。
其中，所述的集群微纳机器人是由无数个微纳机器人聚集起来形成的集群，所述的微纳机器人是含有磁性的纳米粒子，具体实施方案中所用的微纳机器人是石墨烯与四氧化三铁结合的微纳颗粒，因为本发明所以集群微纳机器人具有载药性，可用于药物运输。采用上位机编程电信号驱动线圈的方法，可以在线圈空间内产生磁场，驱动微纳机器人运动，通过一体化上位机控制产生的磁场类型控制不同形态的集群微纳机器人，通过改变电信号改变输入电流，从而改变磁场方向和大小，通过高速摄像机反馈集群微纳机器人的运动情况，控制集群微纳机器人的运动。
本实施例中，所述S1具体包括以下子步骤：
通过高速摄像机观察所述集群微纳机器人的运动情况；
将所述运动情况反馈输出。
本实施例中，在所述S2中，所述不同类型磁场包括旋转磁场、振荡磁场和扩散磁场。
本实施例中，所述S2具体包括以下子步骤：
S21、通过控制产生所述旋转磁场，设定参数驱动形成涡旋状集群微纳机器人；
S22、判断所述涡旋状集群微纳机器人直径是否大于通道尺寸；若是，则执行S23；若否，则返回所述S21；
S23、通过控制产生所述振荡磁场，设定参数驱动形成带状集群微纳机器人；
S24、判断所述带状集群微纳机器人直径是否在分岔口分裂；若是，则返回所述S23；若否，则执行S25；
S25、控制所述集群微纳机器人运动到指定位置，并控制产生所述扩散磁场，通过所述扩散磁场控制所述集群微纳机器人药物释放。
本实施例中，所述S2中，所述数字信号包括幅值、频率、产生的磁场的俯仰角以及运动方向角；其中，所述俯仰角为磁场方向与所述集群微纳机器人运动方向的夹角。
具体的，所述俯仰角为磁场方向与集群微纳机器人运动方向的夹角，所述俯仰角会影响集群微纳机器人的运动速度，所述运动方向角会影响集群微纳机器人的运动方向。
通过改变所述上位机产生的数字信号从而改变输入磁场发生装置的电流信号来精准控制集群微纳机器人的运动。
其中，所述磁场发生装置使用的线圈为三维亥姆霍兹线圈，通入电流后可以在线圈空间内产生磁场，通过一体化上位机可以调节产生不同类型磁场，再调节不同参数，控制产生的磁场。
本实施例中，所述S5中，还包括以下步骤：通过温度传感器，用于实时测量磁场产生的工作温度，当温度超过70度时停止工作。
其中，在三对亥姆霍兹线圈中间有一个工作台用来放置微纳机器人，当向所述三对亥姆霍兹线圈输入电流时，在三对线圈的空间范围内产生磁场，改变所述输入电流可以改变产生的磁场，本发明在一体化上位机中集成了三种磁场，分别为旋转磁场、振荡磁场、扩散场，可以控制集群微纳机器人形成不同形态，此外，所述一体化上位机是在上位机里直接设置了俯仰角和运动方向角，在一体化上位机里直接改变俯仰角和运动方向角参数即可对产生的磁场发生改变，从而控制集群微纳机器人的运动。
本实施例中，所述三维亥姆霍兹线圈分别由三对分布在X轴、Y轴、Z轴的亥姆霍兹线圈组成；所述三维亥姆霍兹线圈通入电流后可以产生磁场，通过调节不同输入电流可以控制产生不同的磁场；
所述旋转磁场的表达式(1)如下：
其中，Bx、By、Bz分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁感应强度，A为产生信号的幅值，f为产生信号的频率，对于旋转磁场，该频率f也是磁场旋转频率，t是磁场驱动时间；引入αf俯仰角参数和βf运动方向角，再结合所述旋转磁场的表达式(1)，可以得到能够控制集群微纳机器人精准运动的磁场表达式(2)如下：
通过直接改变幅值A、频率f、俯仰角αf、运动方向角βf这四个参数，便可直接改变产生的旋转磁场。同理，另外两种磁场振荡磁场和扩散磁场均可用一体化上位机产生。
具体的，在一体化上位机中集成了三种磁场，分别为旋转磁场、振荡磁场、扩散场，当控制一体化上位机产生旋转磁场时，调节相应参数，三维亥姆霍兹线圈生成旋转磁场，可以驱动微纳机器人在磁场空间范围内形成涡旋状集群；当控制一体化上位机产生振荡磁场时，调节相应参数，三维亥姆霍兹线圈生成振荡磁场，可以驱动微纳机器人在磁场空间范围内形成带状集群；当控制一体化上位机产生扩散磁场时，调节相应参数，三维亥姆霍兹线圈生成扩散磁场，可以驱动微纳机器人在磁场空间范围内不断扩散，集群覆盖面积不断变大。
控制集群微纳机器人变化不同形态更有利于控制集群微纳机器人的运动。以下实例模拟集群微纳机器人在体内治疗为例，实现驱动集群微纳机器人到特定位置释放药物，本发明中所用集群微纳机器人为石墨烯-磁性粒子结合的纳米颗粒，当然，本发明的控制方法也可以控制其他类型的磁性纳米颗粒，驱动控制方法流程图如图2所示。
体内环境下在血管等部位直径大小不同，血液流速不同，也可能会遇到分叉的情况，因此不同形态的集群微纳机器人是必不可少的。此外，由于受到血液流速的影响，还要保持集群微纳机器人运动时的形态稳定，速度稳定，所以本发明的一体化上位机起到了重要作用，不仅可以方便快捷切换不同类型磁场，也可以根据高速摄像机反馈的集群微纳机器人的运动及时地修改幅值A、频率f、俯仰角αf、运动方向角βf等参数，保证集群微纳机器人运动情况稳定。
以图3为例，模拟集群微纳机器人在血管中运动，使用一体化上位机调节磁场类型为旋转磁场，并初步设定好幅值A、频率f参数，此时产生的电流信号通入三维亥姆霍兹线圈，从而产生旋转磁场，微纳机器人在旋转磁场的驱动下不断聚集，形成涡旋状集群微纳机器人，再输入俯仰角αf、运动方向角βf参数，俯仰角αf用来控制集群微纳机器人的运动速度，运动方向角βf用来控制集群微纳机器人的运动方向，这样就可以驱动集群微纳机器人进行可控运动。高速摄像机实时观察着集群微纳机器人的运动，可以通过高速摄像机反馈的图像测量集群微纳机器人形成涡旋状集群的半径，当集群微纳机器人运动的通道变窄，通过高速摄像机图像反馈集群微纳机器人的直径大于通道尺寸时，旋转磁场驱动的涡旋状集群微纳机器人无法通过，此时可以调节一体化上位机产生的磁场类型改变为振荡磁场
一体化上位机切换磁场类型为振荡磁场时，同时调节X轴、Y轴输入幅值a、b，频率f，此时产生的电流信号通入三维亥姆霍兹线圈，从而产生振荡磁场，驱动涡旋状集群微纳机器人变形为带状集群，通过调节幅值比可以改变带状集群的长宽比，幅值比为X轴输入幅值a与Y轴输入幅值b的比值，幅值比越大，带状集群的长宽比也越大，调整到带状集群的宽度小于较窄通道尺寸后就可以通过较窄通道。
当集群微纳机器人在振荡磁场驱动下通过较窄通道后，下一通道的尺寸又大于涡旋状集群的直径，一体化上位机可以重新切换磁场为旋转磁场，调节好幅值A、频率f参数，此时产生的电流信号通入三维亥姆霍兹线圈，从而产生旋转磁场，微纳机器人在旋转磁场的驱动下不断聚集，形成涡旋状集群微纳机器人，再继续利用旋转磁场驱动集群微纳机器人运动到指定位置。
另外，如在运动过程中遇到分叉口的情况，如图4，可以使用振荡磁场对集群微纳机器人的形态发生变化，使用一体化上位机调节磁场频率和X轴、Y轴的输入幅值a和b，可以将一条带状集群分为两条带状集群，当然，分裂后形成的两条小的带状集群的长和宽都会比原来的带状集群的长和宽小，分裂后的两条带状集群同样可以用振荡磁场控制运动，幅值比同样会影响带状集群的长宽比。同样，通过一体化上位机调节磁场频率和X轴、Y轴的输入幅值a和b，分裂后的两条带状集群可以在振荡磁场驱动下重新合为一条带状集群。
当驱动集群微纳机器人运动到指定位置后，使用一体化上位机调节磁场类型为扩散磁场，并初步设定好幅值A、频率f参数，此时产生的电流信号通入三维亥姆霍兹线圈，从而产生扩散磁场，在磁场的作用下，集群微纳机器人不断扩散，扩散磁场作用的时间越长，集群微纳机器人覆盖的面积越大，此时集群微纳机器人可以释放药物。
其中，在使用一体化上位机切换不同磁场时，一体化上位机会自动输出默认参数，包括：频率、幅值、俯仰角、运动方向角等，不会让集群微纳机器人在切换不同磁场驱动的过程中出现溃散的情况，保证了集群微纳机器人的运动稳定。
其中，旋转磁场和振荡磁场在驱动集群微纳机器人运动时，都是通过调节俯仰角来控制运动速度，根据高速摄像机的图像反馈选择增大或减小俯仰角来提高或减慢集群微纳机器人的运动速度。
因此，从高速摄像机观察的实时图像中可以测量集群微纳机器人的直径和通道尺寸，微纳机器人在旋转磁场的作用下形成涡旋状集群，如在运动过程中，涡旋状集群微纳机器人的直径大于通道尺寸，可以使用一体化上位机调节磁场类型为振荡磁场，调节频率参数，驱动涡旋状集群变为带状集群，调节X轴、Y轴输入幅值a、b，通过调节幅值比可以改变带状集群的长宽比，幅值比为X轴输入幅值a与Y轴输入幅值b的比值，幅值比越大，带状集群的长宽比也越大，调整到带状集群的宽度小于较窄通道尺寸后就可以通过较窄通道。当集群微纳机器人在振荡磁场驱动下通过较窄通道后，下一通道的尺寸又大于涡旋状集群的直径，一体化上位机可以重新切换磁场为旋转磁场。当集群微纳机器人运动到指定位置后，可以调节一体化上位机产生的磁场类型为扩散磁场，可以驱动微纳机器人在磁场空间范围内不断扩散，集群覆盖面积不断变大，可以进行药物释放。
实施例二
如图5-图6所示，本发明实施例提供一种集群微纳机器人的一体化的控制装置200，包括：
高速摄像机201，用于采集集群微纳机器人的运动图像数据；
一体化上位机202，用于根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；
数据采集卡203，用于将所述数字信号转换成模拟信号；
功率放大器204，用于将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；
磁场发生装置205，用于接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。
具体的，一体化上位机用来产生不同类型的磁场并发出数字信号，数据采集卡用来将一体化上位机发出的数字信号转换为模拟信号，功率放大器用来放大数据采集卡输出的模拟信号，再将放大后的信号输入磁场发生装置从而产生磁场，在磁场发生装置中有温度传感器，用于实时测量磁场发生装置的工作温度，当温度超过70度时停止工作，高速摄像机用来观察反馈集群微纳机器人的运动情况，高速摄像机与一台电脑相连，可以把图像是实时传递并且具有测量等功能，一体化上位机输出数字信号的幅值、频率，产生的磁场的俯仰角、运动方向角均会影响集群微纳机器人的运动，因此可以通过高速摄像机及时反馈，及时调整上位机发出数字信号的参数，防止出现集群微纳机器人出现分散的现象，保证集群微纳机器人的运动情况稳定。
本实施例中，所述一体化上位机202中，所述不同类型磁场包括旋转磁场、振荡磁场和扩散磁场。
本实施例中，所述磁场发生装置205包括三维亥姆霍兹线圈和温度传感器，所述三维亥姆霍兹线圈用于通入电流后产生磁场；所述温度传感器用于实时测量磁场产生的工作温度，当温度超过70度时停止工作。
本实施例中，本发明的有益效果如下：
在本发明中，采用了一体化上位机202，无需其他设备调节磁场的俯仰角和运动方向角，并且一体化上位机202里集成了三种磁场，可以实现控制不同形态的集群微纳机器人，满足不同场景的需求。
在本发明的控制装置可以直接通过改变上位机参数，例如：频率、幅值、磁场的俯仰角、运动方向角，来改变输入到磁场发生系统的电流，从而改变磁场，控制集群微纳机器人运动的速度和方向，达到控制集群微纳机器人的目的，进一步满足不同场景的需求。
使用高速摄像机来观察反馈集群微纳机器人的运动情况，微纳机器人在磁场驱动下聚集形成集群微纳机器人，在控制集群微纳机器人的运动过程中如出现分散的现象可以及时通过高速摄像机反馈并及时调节上位机参数，保持集群微纳机器人处于稳定区间，提高集群微纳机器人的运动准确性。
所述集群微纳机器人的一体化的控制装置200能够实现如上述实施例中的集群微纳机器人的一体化的控制方法中的步骤，且能实现同样的技术效果，参上述实施例中的描述，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式用等同变化，均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1、采集集群微纳机器人的运动图像数据；
S2、根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；
S3、将所述数字信号转换成模拟信号；
S4、将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；
S5、接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。
2.如权利要求1所述的集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，所述S1具体包括以下子步骤：
通过高速摄像机观察所述集群微纳机器人的运动情况；
将所述运动情况反馈输出。
3.如权利要求1所述的集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，在所述S2中，所述不同类型磁场包括旋转磁场、振荡磁场和扩散磁场。
4.如权利要求2所述的集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，所述S2具体包括以下子步骤：
S21、通过控制产生所述旋转磁场，设定参数驱动形成涡旋状集群微纳机器人；
S22、判断所述涡旋状集群微纳机器人直径是否大于通道尺寸；若是，则执行S23；若否，则返回所述S21；
S23、通过控制产生所述振荡磁场，设定参数驱动形成带状集群微纳机器人；
S24、判断所述带状集群微纳机器人直径是否在分岔口分裂；若是，则返回所述S23；若否，则执行S25；
S25、控制所述集群微纳机器人运动到指定位置，并控制产生所述扩散磁场，通过所述扩散磁场控制所述集群微纳机器人药物释放。
5.如权利要求1所述的集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，所述S2中，所述数字信号包括幅值、频率、产生的磁场的俯仰角以及运动方向角；其中，所述俯仰角为磁场方向与所述集群微纳机器人运动方向的夹角。
6.如权利要求4所述的集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，所述S5中，还包括以下步骤：
通过温度传感器，用于实时测量磁场产生的工作温度，当温度超过70度时停止工作。
7.如权利要求4所述的集群微纳机器人的一体化的控制方法，其特征在于，所述三维亥姆霍兹线圈分别由三对分布在X轴、Y轴、Z轴的亥姆霍兹线圈组成；所述三维亥姆霍兹线圈通入电流后可以产生磁场，通过调节不同输入电流可以控制产生不同的磁场；
所述旋转磁场的表达式(1)如下：
其中，Bx、By、Bz分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁感应强度，A为产生信号的幅值，f为产生信号的频率，对于旋转磁场，该频率f也是磁场旋转频率，t是磁场驱动时间；引入αf俯仰角参数和βf运动方向角，再结合所述旋转磁场的表达式(1)，可以得到能够控制集群微纳机器人精准运动的磁场表达式(2)如下：
通过直接改变幅值A、频率f、俯仰角αf、运动方向角βf这四个参数，便可直接改变产生的旋转磁场。
8.一种集群微纳机器人的一体化的控制装置，其特征在于，包括：
高速摄像机，用于采集集群微纳机器人的运动图像数据；
一体化上位机，用于根据所述运动图像数据产生不同类型磁场并发出数字信号；
数据采集卡，用于将所述数字信号转换成模拟信号；
功率放大器，用于将所述模拟信号进行放大处理，输出模拟放大信号；
磁场发生装置，用于接收所述模拟放大信号并产生磁场信号，通过所述磁场信号控制所述集群微纳机器人进行运动。
9.如权利要求8所述的集群微纳机器人的一体化的控制装置，其特征在于，所述一体化上位机中，所述不同类型磁场包括旋转磁场、振荡磁场和扩散磁场。
10.如权利要求8所述的集群微纳机器人的一体化的控制装置，其特征在于，所述磁场发生装置包括三维亥姆霍兹线圈和温度传感器，所述三维亥姆霍兹线圈用于通入电流后产生磁场；所述温度传感器用于实时测量磁场产生的工作温度，当温度超过70度时停止工作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311467488.4A CN117400250A (zh) | 2023-11-06 | 2023-11-06 | 一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311467488.4A CN117400250A (zh) | 2023-11-06 | 2023-11-06 | 一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117400250A true CN117400250A (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=89495960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311467488.4A Pending CN117400250A (zh) | 2023-11-06 | 2023-11-06 | 一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117400250A (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080074423A (ko) * | 2007-02-09 | 2008-08-13 | 영남대학교 산학협력단 | 생체 내의 유체 내에서 자성체의 위치 조절 방법 |
| CN102867612A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-09 | 中国科学院电工研究所 | 旋转磁场发生装置及其实现方法 |
| CN108275650A (zh) * | 2017-12-07 | 2018-07-13 | 天津大学 | 一种磁性微纳机器人的磁场控制方法 |
| KR20190042305A (ko) * | 2017-10-16 | 2019-04-24 | 전남대학교산학협력단 | 약물전달 및 방출기능을 갖는 원격구동 나노로봇 시스템 및 그 제어 방법 |
| CN110101356A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-08-09 | 河南工学院 | 一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统 |
| CN110216667A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-10 | 华中科技大学 | 一种磁控软体机器人的可控磁化系统 |
| CN113064429A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-07-02 | 江南大学 | 一种磁性微机器人群体独立驱动控制系统 |
| CN114645697A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-06-21 | 东北石油大学 | 基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置 |
| CN114967458A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-30 | 江南大学 | 一种微纳机器人集群的驱动控制系统 |
| CN115502973A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-12-23 | 同济大学 | 基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法及系统 |
| CN116276893A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-06-23 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 针尖状纳米颗粒集群微型机器人及其控制制备方法 |
-
2023
- 2023-11-06 CN CN202311467488.4A patent/CN117400250A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080074423A (ko) * | 2007-02-09 | 2008-08-13 | 영남대학교 산학협력단 | 생체 내의 유체 내에서 자성체의 위치 조절 방법 |
| CN102867612A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-09 | 中国科学院电工研究所 | 旋转磁场发生装置及其实现方法 |
| KR20190042305A (ko) * | 2017-10-16 | 2019-04-24 | 전남대학교산학협력단 | 약물전달 및 방출기능을 갖는 원격구동 나노로봇 시스템 및 그 제어 방법 |
| CN108275650A (zh) * | 2017-12-07 | 2018-07-13 | 天津大学 | 一种磁性微纳机器人的磁场控制方法 |
| CN110101356A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-08-09 | 河南工学院 | 一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统 |
| CN110216667A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-10 | 华中科技大学 | 一种磁控软体机器人的可控磁化系统 |
| CN113064429A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-07-02 | 江南大学 | 一种磁性微机器人群体独立驱动控制系统 |
| CN114645697A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-06-21 | 东北石油大学 | 基于三维旋转磁场的磁性纳米液驱替装置 |
| CN114967458A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-30 | 江南大学 | 一种微纳机器人集群的驱动控制系统 |
| CN115502973A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-12-23 | 同济大学 | 基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法及系统 |
| CN116276893A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-06-23 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 针尖状纳米颗粒集群微型机器人及其控制制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhou et al. | A closed-loop controlled nanomanipulation system for probing nanostructures inside scanning electron microscopes | |
| CN108724148B (zh) | 纳米机器人控制系统 | |
| CN104034461B (zh) | 一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统及测试方法 | |
| CN115502973A (zh) | 基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法及系统 | |
| CN109955225A (zh) | 一种并联式三自由度力反馈手控器及其控制方法 | |
| CN117400250A (zh) | 一种集群微纳机器人的一体化的控制方法及装置 | |
| Pan et al. | A review of stick–slip nanopositioning actuators | |
| Shi et al. | Contact force sensing and control for inserting operation during precise assembly using a micromanipulator integrated with force sensors | |
| CN116476029A (zh) | 基于光磁双控的微型载药机器人系统及控制方法 | |
| Kim et al. | A basic study of a triangular magnet chain for locomotion control | |
| CN103754820B (zh) | 基于超声换能器环形阵列的声场合成与并行操纵装置 | |
| CN112014429B (zh) | 一种基于超微电渗流调控的细胞膜振动检测方法 | |
| CN114715369B (zh) | 一种磁性软体机器人的驱动方法及装置 | |
| Zhang et al. | Experimental research on adjusting cell position and orientation with micro-fluid | |
| CN2617003Y (zh) | 卧式原子力显微镜探头 | |
| Liu et al. | Integral back-stepping active disturbance rejection control for piezoelectric stick-slip drive nanopositioning stage | |
| Pielka et al. | An adaptive transmission algorithm for an inertial motion capture system in the aspect of energy saving | |
| Wang et al. | Levitation control of capsule robot with 5-DOF based on arrayed Hall elements | |
| Pan et al. | Near-Field Electrospinning with Close-Loop Motor Control for Manufacturing Polyvinylidene Fluoride Fibers. | |
| CN206459938U (zh) | 一种流体粒子运动控制装置 | |
| Raparelli et al. | A robot actuated by shape memory alloy wires | |
| CN113640549B (zh) | 基于隧道磁阻效应和离子电导技术的扫描成像系统及方法 | |
| CN209642575U (zh) | 一种用于牙科cbct的跟随同步运动控制装置 | |
| Pan et al. | Development of Piezoelectric Fibers in Smart Patch by Near-Field Electrospinning Method with Closed-Loop Motor Control. | |
| CN107092277B (zh) | 一种基于声辐射力的无形微振动台及应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |