阅读说明：本技术 微型机器人的进动控制系统及方法 (Precession control system and method for micro robot ) 是由 朱旗 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微型机器人的进动控制系统及方法,该方案采用电磁线圈相互之间的电磁力作为驱动力,基于电磁驱动的多段式微型机器人的进动控制系统利用多个螺线管产生微型机器人运动所需要电磁驱动力,通过控制微型机器人多段结构中多个螺线管之间的吸引和排斥可以实现微型机器人在一维方向上产生进动,是一种简单的驱动方式,同时通过微型机器人外部控制程序和运动指令可以方便控制微型机器人的运动状态,另外,本发明的微型机器人可以很方便地在微管道环境内运动而不会对管道造成损伤和卡塞,安全可靠。(The invention discloses a precession control system and method of a micro-robot, the proposal adopts electromagnetic force between electromagnetic coils as driving force, the precession control system of a multi-section micro-robot based on electromagnetic driving utilizes a plurality of solenoids to generate electromagnetic driving force required by the movement of the micro-robot, the precession of the micro-robot in one dimension direction can be realized by controlling the attraction and the repulsion between the plurality of solenoids in the multi-section structure of the micro-robot, the invention is a simple driving mode, and the movement state of the micro-robot can be conveniently controlled by an external control program and a movement instruction of the micro-robot.)

微型机器人的进动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及微型机器人领域，尤其涉及一种微型机器人的进动控制系统及方法。

背景技术

随着社会需求的增长，微型机器人得到了快速的发展和广泛的应用，涉及领域包括医疗、农业、工业及航空航天等领域，例如，工业领域用于工业管道检查的微型机器人等。

目前，微型机器人的运动控制问题是研究的一个重要方向，也是很多应用领域亟待解决的问题。

针对微型机器人的运动控制方式，目前的研究可以分为两种途径：(1)利用微型机器人内置的永磁体(或通电线圈)和外部磁场之间的相互作用力实现微型机器人的运动。这种方式已经用于部分商业胶囊内窥镜产品，如日本Olympus公司2004年研制成功的EndoCapsule系列胶囊内窥镜产品、日本RF system lab公司2008年推出的NorikaSayaka型号胶囊内窥镜产品、中国重庆金山科技集团有限公司2009年推出的OMOM系列中的“慧图”磁控胶囊胃镜产品、中国上海安翰医疗技术公司2013年推出的NaviCamTM系列胶囊内窥镜产品等；(2)在微型机器人结构中引入机械装置实现运动。如仿蚯蚓或尺蠖的微型机器人引入可伸缩的枝节结构实现“一屈一伸”的一维方向运动(Glozman D,Hassidov N,Senesh M,etal.A Self-Propelled Inflatable Earthworm-Like Endoscope Actuated by SingleSupply Line[J].Biomedical Engineering,IEEE Transactions on,2010,57(6):1264-1272.)、足式爬行微型机器人通过机械腿的展开和收拢控制机体的停止和继续运动(GlassP,Cheung E,Sitti M.A legged anchoring mechanism for capsule endoscopes usingmicropatterned adhesives[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2008,55(12):2759-2767.)、划桨式爬行微型机器人通过微型机器人内部的电机带动机械腿滑动推动机体前进(Park S,Park H,Park S,et al.A paddling based locomotive mechanismfor capsule endoscopes[J].Journal of mechanical science and technology,2006,20(7):1012-1018.)等。

上述两种微型机器人的运动控制方式虽然是目前该领域研究的重要方向，但是仍然存在一些缺点和局限性。对于外磁场驱动方式，一方面需要体外足够强的磁场和配套的磁控平台，另一方面，磁控平台体积很大，难以移动式使用，应用场景受限，且上述控制过程复杂。对于机械式驱动方式，不但机械腿等机械结构可能会损伤到所应用的管道，而且这种机械装置的工作需要耗费大量的能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型机器人的进动控制系统及方法，用于克服现行微型机器人的运动控制方式中控制复杂、控制平台体积较大、对所应用管道有损伤和耗能大等缺点，可以对管道中微型机器人实现进动控制，具有易于控制、驱动方式简单、驱动力强、安全可靠等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种微型机器人的进动控制系统，包括：微型机器人和外部人机交互系统；

所述外部人机交互系统，用于采集控制指令，并通过处理后发送相应的指令信号至所述微型机器人；

所述微型机器人为多段式结构，内设电磁驱动线圈组，根据所述指令信号控制所述电磁驱动线圈组的电流，从而控制所述电磁驱动线圈组内部螺线管的电磁吸引或排斥状态，进而实现微型机器人的进动控制。

一种微型机器人的进动控制方法，基于前述的系统实现，该方法包括：

利用外部人机交互系统，采集控制指令，并通过处理后发送相应的指令信号至微型机器人；

所述微型机器人为多段式结构，内设电磁驱动线圈组，根据所述指令信号控制所述电磁驱动线圈组的电流，从而控制所述电磁驱动线圈组内部螺线管的电磁吸引或排斥状态，进而实现微型机器人的进动控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，区别于现行微型机器人运动控制技术中采用外部磁场对内部永磁体(或通电线圈)的磁力或机械装置对微型机器人机体的牵引力作为驱动力，本发明采用电磁线圈相互之间的电磁力作为驱动力。本发明提出的基于电磁驱动的多段式微型机器人的进动控制系统利用多个螺线管产生微型机器人运动所需要电磁驱动力，通过控制微型机器人多段结构中多个螺线管之间的吸引和排斥可以实现微型机器人在一维方向上产生进动，是一种简单的驱动方式，同时通过微型机器人外部控制程序和运动指令可以方便控制微型机器人的运动状态，另外，本发明的微型机器人可以很方便地在微管道环境内运动而不会对管道造成损伤和卡塞，安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种微型机器人的进动控制系统的工作示意图；

图2为本发明实施例提供的微型机器人的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的螺线管的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一个周期内微型机器人的运动过程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种微型机器人的进动控制系统，可以克服现行微型机器人的运动控制运动方式中控制复杂、控制平台体积较大、对所应用管道有损伤和耗能大等缺点，通过控制微型机器人多段结构中的电磁驱动线圈组，进而控制所述微型机器人的运动状态。具体地，通过控制电磁驱动线圈组的多个磁芯螺线管之间的电磁力驱动机器人在一维方向上产生进动，驱动方式简单，驱动力强，并且所述微型机器人可以安全可靠地在微管道环境内实现进动。

如图1所示，系统其主要包括：微型机器人和外部人机交互系统(左侧部分)；

所述外部人机交互系统，用于采集控制指令，并通过处理后发送相应的指令信号至所述微型机器人；

所述微型机器人为多段式结构，内设电磁驱动线圈组，根据所述指令信号控制所述电磁驱动线圈组的电流，从而控制所述电磁驱动线圈组内部螺线管的电磁吸引或排斥状态，进而实现微型机器人的进动控制。

一、外部人机交互系统。

本发明实施例中，所述外部人机交互系统主要包括：人机交互界面、外部控制单元、信号发射单元和电源。

所述电源，用于为所述外部人机交互系统供电。

所述人机交互界面，用于操作人员输入控制所述微型机器人运动状态的控制指令；示例性的，人机交互界面可包括显示屏和输入程序，所述输入程序是根据微型机器人的运动特点和控制方式进行编制的应用程序。所述控制指令包括微型机器人的运动速度大小指令、运动方向指令和停止/运动指令等。

所述外部控制单元，用于对所述控制指令进行处理，并控制信号发射单元发射与所述控制指令一致的指令信号。

二、微型机器人。

本发明实施例中，所述微型机器人包括：信号接收单元、内部控制单元、电磁驱动线圈组、内部供电单元和外壳。

所述内部供电单元，用于为所述微型机器人供电。

所述信号接收单元，用于接收所述外部人机交互系统发送的指令信号。

所述内部控制单元，用于根据所述指令信号的信息控制所述电磁驱动线圈组的电流。具体来说，通过控制电磁驱动线圈组的电流，进而控制微型机器人的运动状态——运动速度大小、运动方向和停止/运动状态。例如，可以通过内部控制单元控制程序控制电磁驱动线圈组中螺线管电流切换的速度即调节运动周期来实现微型机器人运动速度的大小；通过内部控制单元控制程序控制电磁驱动线圈组中每个螺线管的通电顺序来实现微型机器人运动方向的改变；通过内部控制单元控制程序控制电磁驱动线圈组的电流通断来实现微型机器人的停止/运动状态。

本发明实施例中，所述电磁驱动线圈组包括多个共轴的螺线管，按照内部控制单元中的程序进行周期运动，作为机器人运动的主体部分，所述多个共轴的螺线管分别位于所述微型机器人的多段结构中，每段结构通过连接装置彼此相连，通过螺线管中电流方向和/或电流大小的改变来实现螺线管之间的电磁吸引或排斥，进而实现多段结构作为一个整体向某一方向产生步进。即微型机器人在某一方向产生了进动，并按周期重复，而且电磁驱动线圈组根据内部控制单元的控制信息，可以实现运动速度大小的调节、运动方向的改变和停止/运动状态之间的切换。

本发明实施例中，所述螺线管为中空结构，由漆包线或利兹线进行多匝多层紧密缠绕而成，每个螺线管内壁紧贴设定厚度的磁材料薄膜。中空结构的螺线管，可以为微型机器人的其他功能模块留出空间，如供能模块、图像拍摄模块、射频模块、定位模块、取检装置等。

本发明实施例中，所述磁材料薄膜由磁材料粉末和粘合材料按照设定比例加工而成，具有柔韧性，用于增强螺线管的磁场，进而增大螺线管之间的电磁力，使微型机器人得到更强的驱动力。

本发明实施例中，所述连接装置一方面用于连接微型机器人的多段结构，另一方面，使多段结构在运动过程中保持共线的状态，连接装置为可压缩和拉伸的柔性材料或弹簧，不影响在螺线管的电磁力的作用下，多段结构彼此之间的电磁吸引(靠近)和排斥(远离)。

所述外壳是为比较光滑的薄层，位于微型机器人的最外层，用于包裹所述号接收单元、内部控制单元、电磁驱动线圈组以及内部供电单元。所述信号接收单元、内部控制单元和内部供电单元采用微型集成电路的形式，设置在多段结构的首段或尾段的外壳以内，并与所述电磁驱动线圈组内部的多个螺线管相连。

此外，为了不影响在螺线管的电磁力的作用下，多段结构彼此之间的电磁吸引(靠近)和排斥(远离)，连接装置包裹在外壳内部，或者未被外包包裹。

为了便于理解，下面结合具体的示例对本发明做进一步介绍，下述示例涵盖了结构与工作过程两个方面，所涉及的具体数值仅为举例，并非构成限制。

一、微型机器人结构。

如图2所示，所述微型机器人是本发明的核心部分，包括：信号接收单元1、内部控制单元2、螺线管3、供电单元4、连接装置5和外壳6；信号接收单元1接收到外部人机交互系统所发出的指令信号之后，由内部控制单元2处理指令信号信息并且根据指令信号的信息，通过控制程序控制磁芯螺线管3进而控制微型机器人的运动状态——运动速度大小、运动方向和停止/运动状态，使微型机器人按照某一周期、在一维某方向上进行周期进动。该实施例中，微型机器人的运动速度大小是用运动周期表征的，本示例中微型机器人的运动周期设为1s和1.5s，本示例中的运动方向包括一维上的两个方向——前进和后退。

从整体上看，微型机器人由左、中、右三段组成，每段结构都由外壳包裹，每段结构之间由连接装置5进行连接，段与段之间可以走线且走线不会影响到每段结构之间的相对运动；连接装置5位于外壳以内的区域，本示例中连接装置采用劲度系数合适的弹簧；信号接收单元1和内部控制单元2位于微型机器人的左段结构中；供电单元4位于微型机器人的右段结构中，通过每段之间的走线为各个单元进行供电；三个螺线管分别位于微型机器人的左、中、右三段结构中，每段中的螺线管都和所在段的外壳连接，包括其他组件在内构成一个无相对运动的整体，本示例中三个螺线管的结构相同。

如图3所示，所述螺线管由外部线圈7和内部磁芯8组成；本示例中，螺线管为中空结构，为微型机器人的其他功能模块留出空间，如供能模块、图像拍摄模块、射频模块、定位模块、取检装置等；本示例中，为了使螺线管之间的电磁力满足微型机器人运动的需要，螺线管外部线圈7采用多层多匝的结构；本示例中螺线管的线圈采用漆包线绕制；本示例中内部磁芯8用于增强螺线管的磁场，进而增大螺线管之间的电磁力或者在相同电磁力的情况下缩小螺线管的尺寸进而缩小微型机器人整体的尺寸；本示例中磁芯采用具有一定柔韧度的磁材料薄膜，磁材料薄膜由磁材料粉末和粘合材料按照一定比例加工而成；本示例中磁材料粉末采用锰锌铁氧体，粘合材料采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂，锰锌铁氧体粉末和PVB的质量比4：6；本示例中锰锌铁氧体粉末和PVB磁材料薄膜按照螺线管线圈的尺寸进行剪裁，紧贴在螺线管线圈的内部。

二、工作过程。

微型机器人进入微管道，如工业管道后，工作人员通过外部人机交互界面的输入程序输入指令，如开始运动指令，则微型机器人开始进行周期进动；同时可以对微型机器人的运动速度大小、运动方向进行设定，也可以在需要的时候输入停止指令，使微型机器人停止进动；通过人机交互界面输入运动指令之后，外部控制单元根据输入的指令，处理数据并且根据所处理的数据控制信号发射单元发射与输入指令一致的信号；微型机器人根据外部人机交互系统发送的指令信号，实现运动速度大小的调节、运动方向的改变或停止/运动状态之间的切换，然后停止运动或者根据新设定的运动速度和运动方向继续进行周期进动。

以图2所示微型机器人结构为例，一个完整周期内，微型机器人的运动过程分为4个阶段，如图4所示，主要描述如下：

1)初始状态：时刻t₁时，螺线管S₁、S₂和S₃通有相同方向、相同大小的电流I₁，此时螺线管S₁和螺线管S₂相互吸引、螺线管S₂和螺线管S₃相互吸引，此时微型机器人的最左侧位置为图中虚线①，最右侧位置为图中虚线②.

2)运动第一阶段：螺线管S₃电流反向，大小仍是I₁，螺线管S₁和螺线管S₂的电流大小和方向不变，此时螺线管S₁和螺线管S₂仍然保持相互吸引、螺线管S₂和螺线管S₃相变为相互排斥；在螺线管S₂和螺线管S₃相的排斥力、螺线管S₃所在右段结构的外壳与接触面的摩擦力及其他作用力的合力作用下，微型机器人右段结构向右移动一段距离d₁，到达图中虚线③位置；此时微型机器人的左段结构和中间段结构作为一个整体，外壳与接触面的最大静摩擦力大于螺线管S₃对螺线管S₂的排斥力，所以螺线管S₁和螺线管S₂保持不动即微型机器人的左段结构和中间段结构保持不动.

3)运动第二阶段：螺线管S₂电流反向，大小仍是I₁，螺线管S₁和螺线管S₃的电流大小和方向与上一阶段相同，此时，螺线管S₂和螺线管S₁相互排斥、螺线管S₂和螺线管S₃相互吸引；在螺线管S₁对螺线管S₂的排斥力、螺线管S₃对螺线管S₂吸引力、外壳与接触面的摩擦力及其他力的作用下，微型机器人的中间段结构向右移动与右段结构吸引在一起，然后中间段结构因为惯性的作用，和右段结构一起又向右移动了一段距离d₂，到达图中虚线④位置；同时在螺线管S₂对螺线管S₁的排斥力、外壳与接触面的摩擦力及其他力的作用下，微型机器人的左段结构向左移动了一段距离d₃，到达图中虚线⑤位置。

4)运动第三阶段：螺线管S₁电流反向，螺线管S₂和螺线管S₃的电流方向与上一阶段相同，同时将螺线管S₁、S₂和S₃的通电电流大小设为I₂，因为第二阶段完成之后螺线管S₁和螺线管S₂的距离更大，所以为了产生更大的电磁力将微型机器人左段结构向右吸引并移动，需要I₂>I₁，此时，螺线管S₁和螺线管S₂相互吸引，螺线管S₂和螺线管S₃互吸引；在螺线管S₂对螺线管S₁吸引力、外壳与接触面的摩擦力及其他力的作用下，微型机器人的左段结构向右移动一段距离d₄中间段结构吸引到一起，此时左段结构的最左侧位于图中虚线⑥的位置；同时微型机器人的右段结构和中间段结构作为一个整体，所受到的其他力小于外壳与接触面的最大静摩擦力，所以螺线管S₃和螺线管S₂保持不动即微型机器人的右段结构和中间段结构保持不动。这个阶段完成后微型机器人的三段结构的相对位置又回到了初始状态，时刻为t₂。这时，微型机器人整体总共向右移动了一段距离d，至此，一个周期内的运动完成。

5)重复之前的第2)至4)步，微型机器人进行下个周期的运动，直至接收到外部人机交互系统所发送的运动状态控制指令信号；收到指令信号后，微型机器人根据所接收到的新的指令信号实现运动速度大小的调节、运动方向的改变或停止/运动状态之间的切换，然后停止进动或者根据新设定的运动速度和运动方向按照上述1)至4)步骤继续周期性进动。其中运动速度通过运动周期T来调节，周期设定越小，微型机器人的运动速度越大；运动方向包括一维上的两个方向，该实施例中为向左和向右；停止/运动状态的设定可以使微型机器人停止周期性的进动或者从停止工作状态开始进动。

需要说明的是，运动过程的具体阶段数目根据微型机器人结构不同也会发生相应变化，但总体原理是相同的，对于本领域技术人员不会构成技术障碍。

由上述可以看出，区别于现行微型机器人运动控制技术中采用外部磁场对内部永磁体(或通电线圈)的磁力或机械装置对微型机器人机体的牵引力作为驱动力，本发明采用电磁线圈相互之间的电磁力作为驱动力。本发明提出的基于电磁驱动的多段式微型机器人的进动控制系统利用多个螺线管产生微型机器人运动所需要电磁驱动力，通过控制微型机器人多段结构中多个螺线管之间的吸引和排斥可以实现微型机器人在一维方向上产生进动，是一种简单的驱动方式，而且螺线管内壁紧贴一层磁材料薄膜，可以获得足够强的驱动力，同时通过微型机器人外部控制程序和运动指令可以方便控制微型机器人的运动状态，另外，本发明的微型机器人可以很方便地在微管道环境内运动而不会对管道造成损伤和卡塞，安全可靠。

本发明另一实施例还提供一种微型机器人的进动控制方法，该方法基于前述实施例提供的系统实现，该方法主要包括：

利用外部人机交互系统，采集控制指令，并通过处理后发送相应的指令信号至微型机器人；

所述微型机器人为多段式结构，内设电磁驱动线圈组，根据所述指令信号控制所述电磁驱动线圈组的电流，从而控制所述电磁驱动线圈组内部螺线管的电磁吸引或排斥状态，进而实现微型机器人的进动控制。

进一步的，所述电磁驱动线圈组包括多个共轴的螺线管，所述多个共轴的螺线管分别位于所述微型机器人的多段结构中，每段结构通过连接装置彼此相连，通过螺线管中电流方向和/或电流大小的改变来实现螺线管之间的电磁吸引或排斥，进而实现多段结构作为一个整体向某一方向产生步进。

需要说明的是，上述方法中所涉及的外部人机交互系统及微型机器人的具体技术细节在前述系统实施例中已经进行了详细的介绍，故不再赘述。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。