一種可重構(gòu)鐵磁流體液滴機器人的自主導航控制系統(tǒng)

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

背景技術(shù)：

1、磁場驅(qū)動的微納機器人具有體積小，可遠程操作的顯著優(yōu)勢。通過在時間和空間上對外部磁場進行調(diào)控，可以實現(xiàn)微納機器人的精準控制，在藥物傳送、生物傳感、環(huán)境修復、活性材料組裝等方面具有廣闊的應用前景。然而，受限于閉環(huán)控制系統(tǒng)，目前微納機器人只能在二維或者三維空間內(nèi)沿著預定的路徑朝特定的目標點運動，無法適應復雜多變的任務需求；此外，由于磁性材料與全局磁場相互作用的性質(zhì)，機器人群體的獨立控制與協(xié)同規(guī)劃充滿著挑戰(zhàn)。特別是，具有自適應形態(tài)變換能力的可重構(gòu)液滴機器人的自動化編隊協(xié)作，更是能將操縱任務的挑戰(zhàn)提升到一個新的水平。

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本技術(shù)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對本領域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(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)鐵磁流體液滴機器人的自主導航控制系統(tǒng)。

2、為實現(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)鐵磁流體液滴機器人的自主導航控制系統(tǒng)，包括：

4、多個鐵磁流體液滴機器人，具有超順磁性和液體屬性，能夠在外部磁場的作用下產(chǎn)生感應磁矩，實現(xiàn)與外部磁場方向?qū)R，并可通過改變形狀以最小化內(nèi)能，能夠在磁場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、分布式磁場生成單元，其包括按陣列排列的多個電磁鐵，用于產(chǎn)生局部非均勻梯度磁場，實現(xiàn)對鐵磁流體液滴機器人的可尋址操作和群體協(xié)同驅(qū)動；

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

7、運動規(guī)劃單元，根據(jù)每個鐵磁流體液滴機器人的位置和障礙物信息，通過路徑規(guī)劃算法，檢測和處理路徑?jīng)_突，為鐵磁流體液滴機器人編隊規(guī)劃無碰撞運動路徑；

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)整鐵磁流體液滴機器人的運動狀態(tài)，使其按所述運動規(guī)劃單元規(guī)劃的路徑移動，適應不同的運動需求，并動態(tài)控制液滴機器人的形狀變化以適應周圍環(huán)境變化，以實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制；

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

10、進一步地，所述驅(qū)動控制單元包括通訊交互的計算機和嵌入式系統(tǒng)，所述計算機作為系統(tǒng)的中央處理單元，處理控制信號并生成控制指令，所述嵌入式系統(tǒng)接收所述計算機的指令，控制電流驅(qū)動板輸出電流，以調(diào)制分布式局部磁場，實現(xiàn)液滴機器人的可編程運動和變形。

11、進一步地，所述分布式磁場生成單元包括陣列排列的多個電磁鐵，每個電磁鐵單獨連接到電源，通入大小、方向和頻率不同的電流時，能夠按需產(chǎn)生特定的時變磁場，磁場的大小和作用范圍與施加的電流有關(guān)，單個電磁鐵產(chǎn)生的磁場表示為：

12、

13、其中 μ 0為真空磁導率， 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為線圈繞組的長度， r為線圈的半徑，和 r分別為鐵芯的長度和半徑；

14、當鐵磁流體液滴機器人處于電磁鐵產(chǎn)生的非均勻梯度場中時，鐵磁流體會被磁化，從而受到外部磁場的影響，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度，b表示外部磁場的磁通密度。

17、進一步地，所述分布式磁場生成單元的驅(qū)動模式包括單線圈驅(qū)動模式和雙線圈驅(qū)動模式；

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

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

20、進一步地，所述環(huán)境感知單元檢測工作空間的靜態(tài)和動態(tài)物體，包括障礙物位置、非結(jié)構(gòu)化場景特征以及鐵磁流體液滴機器人的運動參數(shù)，進行場景識別、地圖構(gòu)建和多目標跟蹤定位，具體包括：獲取相機的第一幀圖像，采用基于支持向量機的機器視覺算法對障礙物、可行域、鐵磁流體液滴機器人進行識別分類，提取工作空間中的潛在路徑點、障礙物的邊界信息以及液滴機器人的數(shù)量和每個機器人對應的坐標；將現(xiàn)實地圖映射到仿真環(huán)境中，構(gòu)建地圖模型；通過多目標跟蹤算法進行機器人跟蹤并實時更新其位置坐標，并對電磁鐵的位置進行標定，用于激活相應的線圈獨立驅(qū)動液滴機器人。

21、進一步地，根據(jù)環(huán)境信息感知，控制鐵磁流體液滴機器人在運動過程中通過變形或分裂為體積更小的子液滴來適應非結(jié)構(gòu)化環(huán)境；所述運動過程分為三種狀態(tài)：初始狀態(tài)，鐵磁流體液滴機器人在單線圈驅(qū)動下進行可控移動；拉伸狀態(tài)，鐵磁流體液滴機器人在多線圈驅(qū)動下變形成長條狀移動；分裂狀態(tài)，鐵磁流體液滴機器人分裂成多個子液滴移動。

22、進一步地，所述環(huán)境感知單元在機器人形態(tài)切換過程中對其進行形狀檢測，包括：

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

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

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

26、進一步地，所述閉環(huán)控制器采用有限狀態(tài)機構(gòu)建可重構(gòu)液滴機器人在各模態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換策略，其中，建立相應的狀態(tài)表和動作查詢表，根據(jù)觸發(fā)事件進行狀態(tài)的切換；其中，當前方路徑不存在阻擋時，控制鐵磁流體液滴機器人保持初始狀態(tài)運動；當前方路徑存在受限空間時，控制鐵磁流體液滴機器人根據(jù)空間特征變形為長條狀運動或是分裂為子液滴運動。

27、進一步地，所述運動規(guī)劃單元使用增量式?jīng)_突搜索（icbs）路徑規(guī)劃，用于在動態(tài)變化的工作環(huán)境中進行路徑規(guī)劃，具體包括：

28、沖突信息保留單元，用于在環(huán)境或任務發(fā)生變化時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器人計算初始路徑，并檢測沖突，將問題分為高層的沖突檢測和低層的單個機器人路徑搜索；

30、動態(tài)變化檢測單元，用于檢測環(huán)境或任務變化，包括新的障礙物、機器人數(shù)量改變以及目標點變化等，并識別出受影響的機器人；

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

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

33、進一步地，所述運動規(guī)劃單元進一步包括：

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，為機器人群體規(guī)劃無碰撞路徑，使機器人滿足物理約束并避開障礙物到達目標點；

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

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)檢測新的沖突，直至所有沖突解決；

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

38、動態(tài)路徑調(diào)整子單元，用于在檢測到環(huán)境中新增多個障礙物時，根據(jù)更新的環(huán)境地圖重新規(guī)劃可行路徑，使得機器人能夠成功到達目標位置；

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

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)鐵磁流體液滴機器人的自主導航控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了液滴機器人群體的全自動化操作。本發(fā)明創(chuàng)新地將機器人環(huán)境感知、運動規(guī)劃、模態(tài)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動控制進行一體化設計。運動規(guī)劃單元根據(jù)感知到的環(huán)境信息，為可重構(gòu)機器人編隊計算出最優(yōu)路徑，實時進行動態(tài)更新；驅(qū)動控制單元根據(jù)規(guī)劃的路徑驅(qū)動液滴機器人朝著目標點移動，同時在運動過程中根據(jù)環(huán)境信息進行模態(tài)轉(zhuǎn)換。上述設計能夠解決傳統(tǒng)微機器人系統(tǒng)面臨的自適應性差、功能形式單一等問題，為可重構(gòu)鐵磁流體液滴機器人的自主導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)微納機器人在自適應性和功能多樣性方面的局限。系統(tǒng)采用分布式磁場生成平臺，結(jié)合陣列排列的電磁鐵，實現(xiàn)了對液滴機器人的獨立可尋址操作和群體協(xié)同驅(qū)動，使得機器人能夠在復雜環(huán)境下進行自主導航。通過基于視覺引導的方法，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機器人在受限場景下的自適應形態(tài)轉(zhuǎn)換，而多機器人運動規(guī)劃策略則確保了編隊在面對動態(tài)變化時的有效協(xié)作。閉環(huán)控制系統(tǒng)利用環(huán)境感知單元的實時反饋，動態(tài)調(diào)整液滴機器人的運動狀態(tài)和形態(tài)，以適應不斷變化的任務需求。這種一體化設計不僅提高了操作的精確性和適應性，還擴展了液滴機器人在藥物傳送、生物傳感、環(huán)境修復和活性材料組裝等領域的應用潛力，展現(xiàn)了高度的創(chuàng)新性和實用性。

43、本發(fā)明實施例中的其他有益效果將在下文中進一步述及。