CN108724148A - 纳米机器人控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米机器人控制***，包括工作台、机械臂、磁场组件、电机、电压控制器、显微观测设备和计算机，本方案采用尺寸小于500nm的铁磁性材料的纳米机器人作为操作部件，多个机械臂绕工作台周向布置，磁场组件设于机械臂上，电机用于驱动机械臂的空间移动和磁场组件的旋转运动，电压控制器用于调节磁场组件的电压大小。本发明通过控制磁场组件的位置和电压大小来改变操作区域内的磁场强度分布，利用磁场强度变化产生的推进力控制纳米机器人的运动，运动速度可达5nm/s，从而实现纳米级操作精度。本方案实现了纳米机器人的高精密度智能化控制过程，大大提高了精密操作的准确度和成功率。

Description

纳米机器人控制***

技术领域

本发明涉及纳米机器人技术领域，尤其涉及一种纳米机器人控制***。

背景技术

人们在进行某些高精度操作时，受到人类自身操作灵敏度的限制和工具的限制，并且需要低于人类感知阈值的力度，使得精密操作变得异常困难，比如外科手术医生在进行视网膜手术、晶体切割术等操作时，由于手术仪器的操作精度较低，不可避免地会引起手术事故或导致术后并发症等缺陷；或者科学工作者在进行某些生物实验时，由于操作仪器的精度较低，无法实现纳米级的定向操作等。

因此，如何提供一种操作精度高的控制***，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米机器人控制***，该***可以实现纳米级的操作精度，大大提高精密操作的准确度和成功率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

纳米机器人控制***，包括：

纳米机器人，采用铁磁性材料加工而成，尺寸小于500nm；

用于支撑所述纳米机器人并提供操作区域的工作台；

多个绕所述工作台的周向布置的机械臂；

设置于所述机械臂上的磁场组件，用于提供与所述工作台的操作区域交叉的磁场并利用磁场强度变化产生的推进力控制所述纳米机器人运动，所述磁场组件包括用于产生不同极性磁场的正向线圈和反向线圈；

电机，包括用于驱动所述机械臂在三维空间内运动的移动电机和用于驱动所述磁场组件旋转运动的旋转电机；

电压控制器，用于调节所述磁场组件的电压大小；

用于观测所述纳米机器人运动状态的显微观测设备；

用于运行控制程序的计算机，所述计算机通过驱动器和信号传输装置连接于所述电压控制器，所述电机通过所述驱动器连接于所述计算机，所述显微观测设备连接于所述计算机。

优选地，在上述纳米机器人控制***中，多个所述机械臂包括绕所述工作台的周向交替布置的水平机械臂和垂直机械臂。

优选地，所述移动电机包括平移电机和摆动电机，所述平移电机用于驱动所述机械臂沿所述工作台的径向移动，所述摆动电机用于驱动所述机械臂在沿垂直于所述工作台径向的竖直面内移动。

优选地，所述电压控制器通过可控硅调压电路控制所述磁场组件的电压实现无级调节。

优选地，所述信号传输装置为PLC。

本发明提供的纳米机器人控制***，采用尺寸小于500nm的铁磁性的纳米机器人作为操作部件，通过控制磁场组件的位置和电压大小来改变工作台操作区域内的磁场强度分布，利用磁场强度变化产生的推进力控制纳米机器人的运动，运动速度可达5nm/s，从而实现纳米级的操作精度。通过控制机械臂的平移运动以及磁场组件的旋转运动可以改变磁场组件的角度，利用磁场对纳米机器人产生的力矩可以控制纳米机器人的运动角度。本方案实现了纳米机器人的高精密度智能化控制过程，大大提高了精密操作的准确度和成功率。利用本方案提供的纳米机器人控制***替换现有技术中的精密操作设备，例如眼部手术设备或生物科研设备等，可以大大降低事故发生率，提高操作准确度和成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。

图1为本发明具体实施例中的纳米机器人控制***的工作台与机械臂结构布置示意图；

图2为本发明具体实施例中的纳米机器人控制***的控制示意图；

图3为本发明具体实施例中的机械臂的结构主视图；

图4为本发明具体实施例中的机械臂的结构俯视图。

图1至图4中：

1-第一水平机械臂、2-第二水平机械臂、3-第三水平机械臂、4-第四水平机械臂、5-第一垂直机械臂、6-第二垂直机械臂、7-第三垂直机械臂、8-第四垂直机械臂、9-工作台、10-显微镜、11-计算机、12-驱动器、13-PLC、14-电压控制器、15-电源、16-电机、17-磁场组件、18-旋转电机、19-导轨、20-平移电机、21-摆动电机、22-摆动连接杆。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图4，图1为本发明具体实施例中的纳米机器人控制***的工作台与机械臂结构布置示意图，图2为本发明具体实施例中的纳米机器人控制***的控制示意图，图3为本发明具体实施例中的机械臂的结构主视图，图4为本发明具体实施例中的机械臂的结构俯视图。

在一种具体实施例方案中，本发明提供了一种纳米机器人控制***，具体包括：纳米机器人、工作台9、机械臂、磁场组件17、电机16、电压控制器14、显微观测设备、计算机11、驱动器12等。

其中，纳米机器人采用铁磁性材料加工而成，例如四氧化三铁或钛金属等，保证能够在磁场力作用下受力运动，纳米机器人的尺寸小于500nm。工作台9用于支撑机械臂等其他部件并提供操作区域，操作区域内可以用于固定***作对象，例如手术病人或生物样本等。工作台9采用绝缘材料制作，例如玻璃或塑料等，以避免影响磁场，工作台9需要具有一定强度，以支撑机械臂的重量。另外，根据不同的应用场景，例如具体手术或具体实验场景等，工作台9可以设计为不同的形状结构，比如应用于眼部手术时，工作台9的中间开设有供患者眼部露出并且供纳米机器人操作的操作孔，当应用于脑部手术时，可以将操作孔适当扩大。为了更好地减小静电对磁场的干扰，优选地，本方案还在工作台9上连接有一个接地导线，可以将工作台9上产生的静电或其他物体接触时产生的静电导走。

机械臂的数量为多个，多个机械臂绕工作台9的周向布置，优选地，多个机械臂包括绕工作台的周向交替布置的水平机械臂和垂直机械臂，进一步优选地，多个机械臂绕工作台9的周向均匀分布，从而可以对纳米机器人提供更多角度的磁场驱动力，同时避免动作过程中互相干扰。如图1所示，本方案中的水平机械臂包括第一水平机械臂1、第二水平机械臂2、第三水平机械臂3和第四水平机械臂4，垂直机械臂包括第一垂直机械臂5、第二垂直机械臂6、第三垂直机械臂7和第四垂直机械臂8。机械臂用于支撑磁场组件17，通过机械臂的运动可以调整磁场组件17的角度和位置，利用磁场强度变化产生的力矩控制纳米机器人的运动角度和维度。

磁场组件17设置于机械臂上，用于提供与工作台9的操作区域交叉的磁场并利用磁场强度变化产生的推进力控制纳米机器人运动，磁场组件17包括用于产生不同极性磁场的正向线圈和反向线圈，通断电不同方向的线圈可以切换磁场极性，从而对纳米机器人加速或减速；通过改变磁场组件17的电压大小和磁场组件17所处位置来改变操作区域内的磁场强度分布，利用磁场强度变化产生的推进力来控制纳米机器人的运动方向与速度。预设磁场强度为3000高斯时可对纳米机器人进行完全控制，此时机械臂运动的距离等于纳米机器人的运动距离，但由于机械臂的运动精度只能控制在几个微米内，无法实现纳米级的运动，因此，本方案增加了通过改变磁场强度反向调节的功能。在磁场强度3000高斯时，机械臂移动5微米，纳米机器人移动5微米，移动过程中，计算机通过算法实时计算纳米机器人的移动速度，通过将磁场强度调节减小，以减少纳米机器人的移动距离。

电机16包括用于驱动机械臂在三维空间内运动的移动电机和用于驱动磁场组件17旋转运动的旋转电机18。其中，旋转电机18控制磁场组件17旋转，从而控制纳米机器人同步旋转运行。优选地，移动电机包括平移电机20和摆动电机21，平移电机20用于驱动机械臂沿工作台9的径向（本文中定义该方向为Y轴方向）移动，摆动电机21用于通过摆动连接杆22驱动机械臂在沿垂直于工作台径向的竖直面内移动，该摆动连接杆22作为升降和平移传动机构，可以将摆动电机21的旋转运动转变为驱动机械臂的升降和平移运动，其中，本文中摆动电机21驱动机械臂沿竖直面内运动时的水平方向定义为X轴方向，竖直方向定义为Z轴方向。每个机械臂上均配置了磁场组件17、旋转电机18、摆动电机21和平移电机20，如图3和图4所示，为了便于驱动机械臂沿Y轴方向运动，本方案还设置了用于引导机械臂沿Y轴方向滑移的导轨19。

电压控制器14用于调节磁场组件17的电压大小，优选地，电压控制器14通过可控硅调压电路控制磁场组件17的电压实现无级调节，具体的，电压控制器14利用电位器调节阻值以改变触发角，使输出电压随之同步改变，以达到无级调节的目的。

显微观测设备用于观测纳米机器人运动状态，包括纳米机器人的运动轨迹和方向，显微观测设备将观测结果实时反馈至计算机11中。需要说明的是，本方案中使用的显微观测设备具体可以采用显微镜、核磁共振设备、超声测距设备、激光测距设备等，其中，显微镜用于纳米机器人在物体表面作业时的观测；核磁共振设备则可以用于纳米机器人进入人体或物体内部作业时的观测，通过核磁共振可以精确检测到纳米机器人的位置。优选地，本具体实施例方案中选用显微镜10来作为显微观测设备，该显微镜10可以实现纳米级别距离的准确测量，并且可以将测量结果数据实时反馈至计算机11中进行处理。

计算机11用于运行控制程序，计算机11通过驱动器12和信号传输装置连接于电压控制器14，电机16通过驱动器12连接于计算机11，显微观测设备连接于计算机11。计算机11用于计算运行数据、显示运行过程及结果，并能进行程序设置；驱动器12用于执行计算机11发出的程序指令并将程序指令转化为电信号发送至信号传输装置，还可以接收反馈信号，实时调节运行偏差；信号传输装置用于将驱动器12的控制信号发送至电压控制器14以及将电压控制器14的电压信号反馈至驱动器12。其中，信号传输装置优选采用PLC13，当然，本发明还可以使用其他如单片机等信号传输装置。

另外，本方案提供的纳米机器人控制***还包括电源15，电源15分别为驱动器12、电压控制器14和电机16等部件提供电能。

下面，本方案通过具体操作实例来介绍上述纳米机器人控制***的工作过程：

将纳米机器人置于工作台9上，具体的，先将纳米机器人与液体载体混合，采用生理盐水等对人体无害的液体载体即可，再通过注射或滴入的方式，置于到应用位置，比如人体或者眼睛，或某个平台等；四个水平机械臂的位置坐标为X轴50mm、Y轴25mm；四个垂直机械臂的位置坐标为X轴60mm、Y轴20mm；磁场组件17通电，通电电压240V；初始时纳米机器人处于静止状态，计算机11程序指令驱动器12，驱动器12响应计算机11程序下达运行信号给电机16，电机16控制机械臂改变第四水平机械臂4的坐标为X轴60mm、Y轴28mm，第三垂直机械臂7和第四垂直机械臂8的坐标为X轴70mm、Y轴25mm；计算机11程序指令驱动器12，驱动器12响应计算机11程序下达运行信号给PLC13，PLC13指令电压控制器14调整第一水平机械臂1、第二水平机械臂2、第三水平机械臂3、第一垂直机械臂5和第二垂直机械臂6上的磁场组件17的电压由240V逐步下降至235V；控制第四水平机械臂4、第三垂直机械臂7和第四垂直机械臂8的磁场组件17的电压逐步上升至250V，纳米机器人由原始位置往右侧逐步移动，通过显微镜10观测运行状态，运行24秒，检测到纳米机器人的位置移动了120nm，平均移动速度5nm/秒；进一步，计算机11程序指令驱动器12，驱动器12响应计算机11程序下达运行信号给旋转电机18，旋转电机18启动使磁场组件17按初始速度10转/分，逐步提高到200转/分，纳米机器人与磁场组件17做同方向旋转运动，且与磁场组件17旋转速度成正比；计算机11程序指令驱动器12，驱动器12响应计算机11程序下达运行信号给旋转电机18，同时通断电磁场组件17中的反向线圈，产生反向极性，逐步降低纳米机器人速度至静止状态。

本发明提供的纳米机器人控制***，采用尺寸小于500nm的铁磁性的纳米机器人作为操作部件，通过控制磁场组件17的位置和电压大小来改变工作台9操作区域内的磁场强度分布，利用磁场强度变化产生的推进力控制纳米机器人的运动，由于磁场强度可变范围较广，当磁场强度变弱时，纳米机器人受磁场牵引力随之变小，继续调节磁场强度可以使纳米机器人的运动速度达5nm/s，从而实现纳米级的操作精度。通过控制机械臂的平移运动以及磁场组件17的旋转运动可以改变磁场组件17的角度，利用磁场对纳米机器人产生的力矩可以控制纳米机器人的运动角度。本方案实现了纳米机器人的高精密度智能化控制过程，大大提高了精密操作的准确度和成功率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.纳米机器人控制***，其特征在于，包括：

纳米机器人，采用铁磁性材料加工而成，尺寸小于500nm；

用于提供操作区域的工作台（9）；

多个绕所述工作台（9）的周向布置的机械臂；

设置于所述机械臂上的磁场组件（17），用于提供与所述工作台（9）的操作区域交叉的磁场并利用磁场强度变化产生的推进力控制所述纳米机器人运动，所述磁场组件（17）包括用于产生不同极性磁场的正向线圈和反向线圈；

电机（16），包括用于驱动所述机械臂在三维空间内运动的移动电机和用于驱动所述磁场组件（17）旋转运动的旋转电机（18）；

电压控制器（14），用于调节所述磁场组件（17）的电压大小；

用于观测所述纳米机器人运动状态的显微观测设备；

用于运行控制程序的计算机（11），所述计算机（11）通过驱动器（12）和信号传输装置连接于所述电压控制器（14），所述电机（16）通过所述驱动器（12）连接于所述计算机（11），所述显微观测设备连接于所述计算机（11）。

2.根据权利要求1所述的纳米机器人控制***，其特征在于，多个所述机械臂包括绕所述工作台（9）的周向交替布置的水平机械臂和垂直机械臂。

3.根据权利要求1所述的纳米机器人控制***，其特征在于，所述移动电机包括平移电机（20）和摆动电机（21），所述平移电机（20）用于驱动所述机械臂沿所述工作台（9）的径向移动，所述摆动电机（21）用于驱动所述机械臂在沿垂直于所述工作台（9）径向的竖直面内移动。

4.根据权利要求1所述的纳米机器人控制***，其特征在于，所述电压控制器（14）通过可控硅调压电路控制所述磁场组件（17）的电压实现无级调节。

5.根据权利要求1所述的纳米机器人控制***，其特征在于，所述信号传输装置为PLC（13）。