[發明專利]一種柔性微型磁控機器人跳躍動態的分析方法

在審

• 申請號: 202110594402.9
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113326645A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 盧元;李尚松;劉東;楊燦
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/13;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發明公開了一種柔性微型磁控機器人跳躍動態的分析方法，采用數值分析描述機器人在準靜態變形時所能達到的穩態撓度曲線，將穩態撓度曲線應用于大撓度跳躍模型，綜合運用穩態分析和瞬態分析的方法，從理論上分析不同磁場強度對機器人變形的影響，闡明了垂直跳躍的過程和本質，得出了使機器人跳躍的理論最小磁場強度，通過構建數學模型，預測在一定磁場強度下機器人的跳躍高度的。

技術領域

本發明屬于微型機器人領域，具體涉及一種柔性微型磁控機器人跳躍動態的分析方法。

背景技術

準確地將外界環境中的物體放置在人體內的適當位置，在生物醫學中具有重要意義。例如，靶向治療的藥物需要直接作用于病變部位，以確保將最合適濃度的藥物應用于病變部位，以達到最佳治療效果，而不會對其他組織造成負面干擾。受損的器官和組織需要借助一些器械進行修復，這些器械需要放置在正確的位置才能發揮作用。然而，如何在人體內實現精確定位是一大挑戰。

首先，人體內部環境小而復雜，不同形狀的組織器官分布在不同的位置。外部環境中的物體需要經過漫長而曲折的通道才能到達目的地。如果物體的運動不受控制，就很難達到預定的目的地，這將大大削弱其作用效果。第二，物體在人體內的受力非常復雜。通道內的運動受管壁摩擦的影響，在液體環境中的運動方式多樣而復雜，單純用藥物設計的方法很難實現準確定位。第三，有一些輔助工具已經投入臨床使用，比如通過內窺鏡顯示內部環境來檢測病變，或者直接注射將干細胞輸送到受損組織。然而，這些輔助手段往往給診斷和治療過程帶來更大的復雜性，對患者可能產生不良影響。此外，人體內的許多深部構造通常無法被這些工具探測到。

在此背景下，將磁控微型機器人應用于生物體進行體內的藥物輸送被認為是一種解決方案。在外磁場的控制下，攜帶藥物的小型柔性單體機器人可以在體內進行多模態的運動，最終成功到達目的地。它的優點是顯而易見的。首先，微型機器人的尺寸通常限于毫米甚至微米。這使其很容易進入人體(例如通過口腔進入消化道)，降低了進入過程的復雜性。由于其體積小且體態柔軟，在體內的運動不會對內部組織造成損傷，柔韌性高，阻力小。其次，由于微型機器人的運動控制是通過磁場實現的，磁場可以很容易地穿透人體而不會對人體造成額外傷害，這保證了該方法的安全性和有效性。通過改變磁場的大小和方向，可以方便地調整機器人的運動，并在不同的環境下采用合適的運動方式，簡化機器人的輸送過程。

在先前的研究中，研究者們對柔性微型機器人的運動進行了理論分析，并在實驗使用相應的磁場實現了不同的運動模態。在這其中，對于柔性微型機器人的運動，跳躍是非常重要的運動模態。無論是在同一區域的快速運動，還是在不同區域之間的跨越，只依靠爬行是不夠的，必須還要能夠實現跳躍，實現機器人空間位置的快速改變，如此才能讓微型機器人在更復雜的環境中也能夠自由運動，從一個靶向點以非接觸的方式抵達下一個靶向點。對跳躍這一運動模態的控制，需要通過恰當的數學建模來實現。

然而，在以往的研究中，對于微型磁控機器人跳躍動態的理論模型還遠遠不能令人滿意。撓度曲線在分析磁場誘導的運動過程(特別是跳躍運動)中沒有得到充分的應用。同時，由于忽略了阻尼力等實際因素，理論分析的可靠性也一般，計算預測值與實驗測得的實際值相差甚遠。

發明目的

本發明的目的就是應對現有技術的不足，提供一種柔性微型磁控機器人跳躍動態的分析方法。具體是采用數值分析的方法來描述機器人在準靜態變形時所能達到的穩態撓度曲線，更清晰地描述磁場對微型機器人運動狀態的影響，將穩態撓度曲線應用于大撓度跳躍模型，綜合運用穩態分析和瞬態分析的方法，從理論上分析不同磁場強度對機器人變形的影響，闡明了豎直跳躍的過程和本質，得出了使機器人跳躍的理論最小磁場強度，并給出了能夠預測在一定磁場強度下的跳躍高度的、與先前研究相比更合理的數學模型。

發明內容

本發明提供了一種柔性微型磁控機器人跳躍動態的分析方法，其特征在于，包括以下步驟：