[發(fā)明專利]一種柔性微型磁控機器人跳躍動態(tài)的分析方法

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• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113326645A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧元;李尚松;劉東;楊燦
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發(fā)明公開了一種柔性微型磁控機器人跳躍動態(tài)的分析方法，采用數(shù)值分析描述機器人在準(zhǔn)靜態(tài)變形時所能達(dá)到的穩(wěn)態(tài)撓度曲線，將穩(wěn)態(tài)撓度曲線應(yīng)用于大撓度跳躍模型，綜合運用穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)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(zhì)，得出了使機器人跳躍的理論最小磁場強度，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，預(yù)測在一定磁場強度下機器人的跳躍高度的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微型機器人領(lǐng)域，具體涉及一種柔性微型磁控機器人跳躍動態(tài)的分析方法。

背景技術(shù)

準(zhǔn)確地將外界環(huán)境中的物體放置在人體內(nèi)的適當(dāng)位置，在生物醫(yī)學(xué)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(yīng)用于病變部位，以達(dá)到最佳治療效果，而不會對其他組織造成負(fù)面干擾。受損的器官和組織需要借助一些器械進(jìn)行修復(fù)，這些器械需要放置在正確的位置才能發(fā)揮作用。然而，如何在人體內(nèi)實現(xiàn)精確定位是一大挑戰(zhàn)。

首先，人體內(nèi)部環(huán)境小而復(fù)雜，不同形狀的組織器官分布在不同的位置。外部環(huán)境中的物體需要經(jīng)過漫長而曲折的通道才能到達(dá)目的地。如果物體的運動不受控制，就很難達(dá)到預(yù)定的目的地，這將大大削弱其作用效果。第二，物體在人體內(nèi)的受力非常復(fù)雜。通道內(nèi)的運動受管壁摩擦的影響，在液體環(huán)境中的運動方式多樣而復(fù)雜，單純用藥物設(shè)計的方法很難實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。第三，有一些輔助工具已經(jīng)投入臨床使用，比如通過內(nèi)窺鏡顯示內(nèi)部環(huán)境來檢測病變，或者直接注射將干細(xì)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(fù)雜性，對患者可能產(chǎn)生不良影響。此外，人體內(nèi)的許多深部構(gòu)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(yīng)用于生物體進(jìn)行體內(nèi)的藥物輸送被認(rèn)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(nèi)進(jìn)行多模態(tài)的運動，最終成功到達(dá)目的地。它的優(yōu)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(jìn)入人體(例如通過口腔進(jìn)入消化道)，降低了進(jìn)入過程的復(fù)雜性。由于其體積小且體態(tài)柔軟，在體內(nèi)的運動不會對內(nèi)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(xiàn)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(diào)整機器人的運動，并在不同的環(huán)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(jìn)行了理論分析，并在實驗使用相應(yīng)的磁場實現(xiàn)了不同的運動模態(tài)。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(tài)。無論是在同一區(qū)域的快速運動，還是在不同區(qū)域之間的跨越，只依靠爬行是不夠的，必須還要能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍，實現(xiàn)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(fù)雜的環(huán)境中也能夠自由運動，從一個靶向點以非接觸的方式抵達(dá)下一個靶向點。對跳躍這一運動模態(tài)的控制，需要通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)建模來實現(xiàn)。

然而，在以往的研究中，對于微型磁控機器人跳躍動態(tài)的理論模型還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意。撓度曲線在分析磁場誘導(dǎo)的運動過程(特別是跳躍運動)中沒有得到充分的應(yīng)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(yù)測值與實驗測得的實際值相差甚遠(yuǎn)。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的就是應(yīng)對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種柔性微型磁控機器人跳躍動態(tài)的分析方法。具體是采用數(shù)值分析的方法來描述機器人在準(zhǔn)靜態(tài)變形時所能達(dá)到的穩(wěn)態(tài)撓度曲線，更清晰地描述磁場對微型機器人運動狀態(tài)的影響，將穩(wěn)態(tài)撓度曲線應(yīng)用于大撓度跳躍模型，綜合運用穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)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(zhì)，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(yù)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(shù)學(xué)模型。

發(fā)明內(nèi)容

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