本發(fā)明涉及適用于醫(yī)療手術(shù)用途的微納機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種可重構(gòu)鐵磁流體液滴機(jī)器人的自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人具有體積小，可遠(yuǎn)程操作的顯著優(yōu)勢(shì)。通過在時(shí)間和空間上對(duì)外部磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)微納機(jī)器人的精準(zhǔn)控制，在藥物傳送、生物傳感、環(huán)境修復(fù)、活性材料組裝等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，受限于閉環(huán)控制系統(tǒng)，目前微納機(jī)器人只能在二維或者三維空間內(nèi)沿著預(yù)定的路徑朝特定的目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，無法適應(yīng)復(fù)雜多變的任務(wù)需求；此外，由于磁性材料與全局磁場(chǎng)相互作用的性質(zhì)，機(jī)器人群體的獨(dú)立控制與協(xié)同規(guī)劃充滿著挑戰(zhàn)。特別是，具有自適應(yīng)形態(tài)變換能力的可重構(gòu)液滴機(jī)器人的自動(dòng)化編隊(duì)協(xié)作，更是能將操縱任務(wù)的挑戰(zhàn)提升到一個(gè)新的水平。

2、需要說明的是，在上述背景技術(shù)部分公開的信息僅用于對(duì)本技術(shù)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服上述背景技術(shù)中存在的缺陷，提供一種可重構(gòu)鐵磁流體液滴機(jī)器人的自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種可重構(gòu)鐵磁流體液滴機(jī)器人的自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括：

4、多個(gè)鐵磁流體液滴機(jī)器人，具有超順磁性和液體屬性，能夠在外部磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)磁矩，實(shí)現(xiàn)與外部磁場(chǎng)方向?qū)R，并可通過改變形狀以最小化內(nèi)能，能夠在磁場(chǎng)梯度下受到與其體積大小成正相關(guān)的磁力；具備可編程重構(gòu)的能力，包括分離、合并和變換形狀；

5、分布式磁場(chǎng)生成單元，其包括按陣列排列的多個(gè)電磁鐵，用于產(chǎn)生局部非均勻梯度磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁流體液滴機(jī)器人的可尋址操作和群體協(xié)同驅(qū)動(dòng)；

6、環(huán)境感知單元，通過視覺系統(tǒng)檢測(cè)鐵磁流體液滴機(jī)器人和障礙物的實(shí)時(shí)位置信息，進(jìn)行鐵磁流體液滴機(jī)器人群體的多目標(biāo)位置檢測(cè)、跟蹤和定位以及環(huán)境信息感知；

7、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元，根據(jù)每個(gè)鐵磁流體液滴機(jī)器人的位置和障礙物信息，通過路徑規(guī)劃算法，檢測(cè)和處理路徑?jīng)_突，為鐵磁流體液滴機(jī)器人編隊(duì)規(guī)劃無碰撞運(yùn)動(dòng)路徑；

8、閉環(huán)控制器，根據(jù)來自所述環(huán)境感知單元的反饋信息調(diào)整鐵磁流體液滴機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使其按所述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元規(guī)劃的路徑移動(dòng)，適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)需求，并動(dòng)態(tài)控制液滴機(jī)器人的形狀變化以適應(yīng)周圍環(huán)境變化，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制；

9、驅(qū)動(dòng)控制單元，與所述閉環(huán)控制器相連，根據(jù)其控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述分布式磁場(chǎng)生成單元中的電磁鐵，精確操控鐵磁流體液滴機(jī)器人群體的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

10、進(jìn)一步地，所述驅(qū)動(dòng)控制單元包括通訊交互的計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的中央處理單元，處理控制信號(hào)并生成控制指令，所述嵌入式系統(tǒng)接收所述計(jì)算機(jī)的指令，控制電流驅(qū)動(dòng)板輸出電流，以調(diào)制分布式局部磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)液滴機(jī)器人的可編程運(yùn)動(dòng)和變形。

11、進(jìn)一步地，所述分布式磁場(chǎng)生成單元包括陣列排列的多個(gè)電磁鐵，每個(gè)電磁鐵單獨(dú)連接到電源，通入大小、方向和頻率不同的電流時(shí)，能夠按需產(chǎn)生特定的時(shí)變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小和作用范圍與施加的電流有關(guān)，單個(gè)電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)表示為：

12、

13、其中 μ 0為真空磁導(dǎo)率， n為線圈的總匝數(shù)， i為通過線圈的電流， m為鐵芯的磁化強(qiáng)度，z為空間中沿z軸方向到電磁鐵表面的距離， l為線圈繞組的長(zhǎng)度， r為線圈的半徑，和 r分別為鐵芯的長(zhǎng)度和半徑；

14、當(dāng)鐵磁流體液滴機(jī)器人處于電磁鐵產(chǎn)生的非均勻梯度場(chǎng)中時(shí)，鐵磁流體會(huì)被磁化，從而受到外部磁場(chǎng)的影響，磁力表示為：

15、

16、其中 v表示磁流體液滴的體積，m表示磁流體液滴的磁化強(qiáng)度，b表示外部磁場(chǎng)的磁通密度。

17、進(jìn)一步地，所述分布式磁場(chǎng)生成單元的驅(qū)動(dòng)模式包括單線圈驅(qū)動(dòng)模式和雙線圈驅(qū)動(dòng)模式；

18、在所述單線圈驅(qū)動(dòng)模式下，通過激活鐵磁流體液滴機(jī)器人相鄰的線圈，產(chǎn)生一個(gè)局部磁場(chǎng)將順磁性液滴磁化，吸引鐵磁流體液滴機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到線圈的中心；

19、在所述雙線圈驅(qū)動(dòng)模式下，通過給相鄰線圈施加相反的電流，鐵磁流體液滴機(jī)器人在磁場(chǎng)的作用下首先被拉伸成條形，進(jìn)而通過改變激活的線圈促使鐵磁流體液滴機(jī)器人保持流線型移動(dòng)，同時(shí)，通過給相鄰線圈施加相同的電流，誘導(dǎo)鐵磁流體液滴機(jī)器人分裂，從而能夠穿越比自身小的狹窄受限空間。

20、進(jìn)一步地，所述環(huán)境感知單元檢測(cè)工作空間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體，包括障礙物位置、非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景特征以及鐵磁流體液滴機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行場(chǎng)景識(shí)別、地圖構(gòu)建和多目標(biāo)跟蹤定位，具體包括：獲取相機(jī)的第一幀圖像，采用基于支持向量機(jī)的機(jī)器視覺算法對(duì)障礙物、可行域、鐵磁流體液滴機(jī)器人進(jìn)行識(shí)別分類，提取工作空間中的潛在路徑點(diǎn)、障礙物的邊界信息以及液滴機(jī)器人的數(shù)量和每個(gè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；將現(xiàn)實(shí)地圖映射到仿真環(huán)境中，構(gòu)建地圖模型；通過多目標(biāo)跟蹤算法進(jìn)行機(jī)器人跟蹤并實(shí)時(shí)更新其位置坐標(biāo)，并對(duì)電磁鐵的位置進(jìn)行標(biāo)定，用于激活相應(yīng)的線圈獨(dú)立驅(qū)動(dòng)液滴機(jī)器人。

21、進(jìn)一步地，根據(jù)環(huán)境信息感知，控制鐵磁流體液滴機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中通過變形或分裂為體積更小的子液滴來適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境；所述運(yùn)動(dòng)過程分為三種狀態(tài)：初始狀態(tài)，鐵磁流體液滴機(jī)器人在單線圈驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行可控移動(dòng)；拉伸狀態(tài)，鐵磁流體液滴機(jī)器人在多線圈驅(qū)動(dòng)下變形成長(zhǎng)條狀移動(dòng)；分裂狀態(tài)，鐵磁流體液滴機(jī)器人分裂成多個(gè)子液滴移動(dòng)。

22、進(jìn)一步地，所述環(huán)境感知單元在機(jī)器人形態(tài)切換過程中對(duì)其進(jìn)行形狀檢測(cè)，包括：

23、圖像預(yù)處理子單元，用于將相機(jī)獲取的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并進(jìn)行高斯模糊操作以平滑圖像，然后采用canny邊緣檢測(cè)算法獲取圖像中機(jī)器人的邊緣信息；

24、特征提取子單元，用于采用基于模板匹配的方法將目標(biāo)形狀與已知模板進(jìn)行匹配，尋找相似度，并利用形狀的幾何特征進(jìn)行分類；

25、形狀識(shí)別子單元，用于根據(jù)提取的幾何特征識(shí)別出鐵磁流體液滴機(jī)器人的形態(tài)。

26、進(jìn)一步地，所述閉環(huán)控制器采用有限狀態(tài)機(jī)構(gòu)建可重構(gòu)液滴機(jī)器人在各模態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換策略，其中，建立相應(yīng)的狀態(tài)表和動(dòng)作查詢表，根據(jù)觸發(fā)事件進(jìn)行狀態(tài)的切換；其中，當(dāng)前方路徑不存在阻擋時(shí)，控制鐵磁流體液滴機(jī)器人保持初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)前方路徑存在受限空間時(shí)，控制鐵磁流體液滴機(jī)器人根據(jù)空間特征變形為長(zhǎng)條狀運(yùn)動(dòng)或是分裂為子液滴運(yùn)動(dòng)。

27、進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元使用增量式?jīng)_突搜索（icbs）路徑規(guī)劃，用于在動(dòng)態(tài)變化的工作環(huán)境中進(jìn)行路徑規(guī)劃，具體包括：

28、沖突信息保留單元，用于在環(huán)境或任務(wù)發(fā)生變化時(shí)保留之前的搜索信息，尤其是路徑的沖突信息；

29、初始路徑規(guī)劃子單元，用于在初始情況下為所有機(jī)器人計(jì)算初始路徑，并檢測(cè)沖突，將問題分為高層的沖突檢測(cè)和低層的單個(gè)機(jī)器人路徑搜索；

30、動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)單元，用于檢測(cè)環(huán)境或任務(wù)變化，包括新的障礙物、機(jī)器人數(shù)量改變以及目標(biāo)點(diǎn)變化等，并識(shí)別出受影響的機(jī)器人；

31、增量式?jīng)_突處理單元，用于對(duì)受影響的機(jī)器人路徑進(jìn)行局部調(diào)整，最小化沖突區(qū)域，以減少路徑規(guī)劃和計(jì)算的成本，確保變化后的規(guī)劃結(jié)果仍然無沖突；

32、其中，高層的沖突檢測(cè)在檢測(cè)到多機(jī)器人路徑?jīng)_突時(shí)，創(chuàng)建約束并將沖突劃分為多個(gè)分支，而低層的路徑搜索使用經(jīng)典的路徑規(guī)劃算法（如d*）為每個(gè)機(jī)器人求解路徑，同時(shí)滿足從高層傳遞的約束條件，直至所有機(jī)器人的路徑都沒有沖突。

33、進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元進(jìn)一步包括：

34、靜態(tài)避障規(guī)劃子單元，用于在僅存在靜態(tài)障礙物時(shí)，為機(jī)器人群體規(guī)劃無碰撞路徑，使機(jī)器人滿足物理約束并避開障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；

35、沖突樹構(gòu)建子單元，用于在檢測(cè)到機(jī)器人路徑?jīng)_突時(shí)，在高層構(gòu)建沖突樹，并在沖突樹中為每個(gè)沖突生成兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)分別約束一個(gè)沖突機(jī)器人的路徑，以強(qiáng)制避開沖突；

36、路徑更新子單元，用于在低層采用d*路徑規(guī)劃算法更新路徑，并在更新后繼續(xù)檢測(cè)新的沖突，直至所有沖突解決；

37、環(huán)境變化響應(yīng)子單元，用于在工作空間出現(xiàn)新增障礙物時(shí)，接收環(huán)境感知單元傳遞的變化信息，并根據(jù)新的環(huán)境地圖進(jìn)行局部路徑調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)避障；

38、動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整子單元，用于在檢測(cè)到環(huán)境中新增多個(gè)障礙物時(shí)，根據(jù)更新的環(huán)境地圖重新規(guī)劃可行路徑，使得機(jī)器人能夠成功到達(dá)目標(biāo)位置；

39、其中，所述靜態(tài)避障規(guī)劃子單元確保機(jī)器人之間的距離約束設(shè)定為兩個(gè)線圈的長(zhǎng)度，以避免相鄰線圈磁場(chǎng)的相互干擾，且在存在路徑交叉的情況下保證同一時(shí)間步內(nèi)機(jī)器人之間無沖突。

40、本發(fā)明具有如下有益效果：

41、本發(fā)明提供一種可重構(gòu)鐵磁流體液滴機(jī)器人的自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了液滴機(jī)器人群體的全自動(dòng)化操作。本發(fā)明創(chuàng)新地將機(jī)器人環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、模態(tài)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元根據(jù)感知到的環(huán)境信息，為可重構(gòu)機(jī)器人編隊(duì)計(jì)算出最優(yōu)路徑，實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新；驅(qū)動(dòng)控制單元根據(jù)規(guī)劃的路徑驅(qū)動(dòng)液滴機(jī)器人朝著目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)環(huán)境信息進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換。上述設(shè)計(jì)能夠解決傳統(tǒng)微機(jī)器人系統(tǒng)面臨的自適應(yīng)性差、功能形式單一等問題，為可重構(gòu)鐵磁流體液滴機(jī)器人的自主導(dǎo)航控制提供了解決方案。

42、本發(fā)明為可重構(gòu)鐵磁流體液滴機(jī)器人群體提供了一種高效靈活的操作方案，突破了傳統(tǒng)微納機(jī)器人在自適應(yīng)性和功能多樣性方面的局限。系統(tǒng)采用分布式磁場(chǎng)生成平臺(tái)，結(jié)合陣列排列的電磁鐵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴機(jī)器人的獨(dú)立可尋址操作和群體協(xié)同驅(qū)動(dòng)，使得機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行自主導(dǎo)航。通過基于視覺引導(dǎo)的方法，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在受限場(chǎng)景下的自適應(yīng)形態(tài)轉(zhuǎn)換，而多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略則確保了編隊(duì)在面對(duì)動(dòng)態(tài)變化時(shí)的有效協(xié)作。閉環(huán)控制系統(tǒng)利用環(huán)境感知單元的實(shí)時(shí)反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整液滴機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和形態(tài)，以適應(yīng)不斷變化的任務(wù)需求。這種一體化設(shè)計(jì)不僅提高了操作的精確性和適應(yīng)性，還擴(kuò)展了液滴機(jī)器人在藥物傳送、生物傳感、環(huán)境修復(fù)和活性材料組裝等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，展現(xiàn)了高度的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

43、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。