CN112296981A - 一种微纳米机器人的驱动***和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微纳米机器人的驱动***和驱动方法，包括：第一扫描装置，用于获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；第二扫描装置，用于获得所述微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及所述微纳米机器人在所述环境中的位置信息；控制装置，用于根据所述障碍物信息、所述三维空间信息以及所述位置信息确定所述微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的所述微纳米机器人的运动迹线方程和所述障碍物信息确定所述微纳米机器人所需的运动速度和方向，并控制驱动装置向所述微纳米机器人提供相应的动力，以使所述微纳米机器人沿所述运行路径运动，从而可以实现微纳米机器人的实时监控和调节，进而可以满足高精度作业对微纳米机器人的要求。

Description

一种微纳米机器人的驱动***和驱动方法

技术领域

本发明涉及纳米机器人技术领域，更具体地说，涉及一种微纳米机器人的驱动***和驱动方法。

背景技术

微纳米机器人，是指尺度在纳米级别的微型机器人。由于微纳米机器人在生物医疗、环境治理、农业林业以及军事等领域具有很好的应用前景，因此，已经成为当前科技研发的热门课题。

由于微纳米机器人工作在雷诺系数很低的环境中，即物体可看作在一个非常粘滞、微小以及缓慢的环境中运动，粘滞力占主导作用，惯性力则可忽略不计，因此，若想驱动微纳米机器人运动，必须源源不断地为其提供动力。

现有的微纳米机器人主要利用化学反应将化学能转化为动能，利用气体释放的反冲原理来获得前进的动能，然而这类微纳米机器人提供的动能大小、运动的轨迹方向等均很难做到精确控制，无法满足高精度的作业需求。并且，在微纳米机器人运动的过程中，没有相应的控制***来对微纳米机器人进行有效的操控，操作人员无法对内部化学反应速率进行控制改变，也没有相应的探测导航***对其运行路径进行合理规划，因此，难以在医学等领域投入应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微纳米机器人的驱动***和驱动方法，对微纳米机器人的运行进行实时的监控和调节，以满足高精度的作业需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微纳米机器人的驱动***，包括：

第一扫描装置，用于获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；

第二扫描装置，用于获得所述微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及所述微纳米机器人在所述环境中的位置信息；

控制装置，用于根据所述障碍物信息、所述三维空间信息以及所述位置信息确定所述微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的所述微纳米机器人的运动迹线方程和所述障碍物信息确定所述微纳米机器人所需的运动速度和方向，并控制驱动装置向所述微纳米机器人提供相应的动力，以使所述微纳米机器人沿所述运行路径运动。

可选地，所述第一扫描装置包括纳米红外传感器；

所述纳米红外传感器安装在所述微纳米机器人的头部。

可选地，所述纳米红外传感器包括发射端和接收端，所述发射端用于发射红外信号，所述接收端用于接收障碍物反射回的红外信号，并根据所述红外信号得到所述障碍物信息。

可选地，所述第二扫描装置包括场发射型扫描电子显微镜。

可选地，还包括成像装置和显示装置；

所述成像装置用于将所述第二扫描装置获得的三维空间信息和所述微纳米机器人的位置信息形成图像；

所述显示装置用于显示所述成像装置形成的图像，以使用户观察所述微纳米机器人在所述三维空间中的运动信息。

可选地，所述驱动装置还用于根据用户的指令控制所述微纳米机器人的动力。

可选地，所述驱动装置通过电信号或光信号向所述微纳米机器人的微纳米发动机提供动力。

可选地，所述驱动装置为激光发射装置或无线供电装置。

可选地，所述微纳米机器人的运动迹线方程是通过纳维-斯托克斯方程和雷诺数得出的控制方程对微纳米机器人的运动环境进行分析得出的。

一种微纳米机器人的驱动方法，应用于如上任一项所述的微纳米机器人的驱动***，所述方法包括：

第一扫描装置获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；

第二扫描装置获得所述微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及所述微纳米机器人在所述环境中的位置信息；

控制装置根据所述障碍物信息、所述三维空间信息以及所述位置信息确定所述微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的所述微纳米机器人的运动迹线方程和所述障碍物信息确定所述微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向所述微纳米机器人提供相应的动力，以使所述微纳米机器人沿所述运行路径运动。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的微纳米机器人的驱动***和驱动方法，第一扫描装置获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息，第二扫描装置获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及微纳米机器人在环境中的位置信息，控制装置根据障碍物信息、三维空间信息以及位置信息确定微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的微纳米机器人的运动迹线方程和障碍物信息确定微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向微纳米机器人提供相应的动力，以使微纳米机器人沿运行路径运动，从而可以通过第一扫描装置和第二扫描装置实现微纳米机器人的实时监控，通过控制装置和驱动装置实现微纳米机器人运动状态的调节，进而可以满足高精度作业对微纳米机器人的要求。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微纳米机器人的驱动***的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种微纳米机器人的驱动***的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种微纳米机器人的驱动方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

本发明实施例提供了一种微纳米机器人的驱动***，如图1所示，包括第一扫描装置10、第二扫描装置11、控制装置12和驱动装置13。

可选地，该驱动装置13位于微纳米机器人以及微纳米机器人所处环境的外部。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，驱动装置13也可以位于微纳米机器人所处环境的内部。

可选地，驱动装置13通过电信号或光信号向微纳米机器人的微纳米发动机提供动力。进一步可选地，驱动装置13为激光发射装置或无线供电装置。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，驱动装置13还可以通过其他方式向微纳米机器人提供动力。

本发明实施例中，第一扫描装置10用于获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；第二扫描装置11用于获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及微纳米机器人在环境中的位置信息；控制装置12用于根据障碍物信息、三维空间信息以及位置信息确定微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的微纳米机器人的运动迹线方程和障碍物信息确定微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置13向微纳米机器人提供相应的动力，以使微纳米机器人沿运行路径运动。

可选地，第一扫描装置10包括纳米红外传感器，进一步可选地，该纳米红外传感器为非接触式纳米红外传感器。纳米红外传感器安装在微纳米机器人的头部两侧，当然，本发明并不仅限于此。

其中，纳米红外传感器可以探测在微纳米机器人前进过程中未知的障碍物。纳米红外传感器包括发射端和接收端，发射端用于发射红外信号，接收端用于接收障碍物反射回的红外信号，并根据红外信号得到障碍物与微纳米机器人之间的距离。

也就是说，在微纳米机器人运动的三维空间中，红外传感器发射的红外信号在探测方向上遇到障碍物时，红外信号经障碍物反射作用返回被接收器接收，纳米红外传感器内部的控制器根据反射光强度即可检测出微纳米机器人与障碍物之间的距离，从而获得障碍物信息。

需要说明的是，本发明实施例中，用户还可以通过固定接口操作纳米红外传感器，通过Init(初始化)、Pause(暂停)、Start(启动)、End(结束)来标记纳米红外传感器内部的控制器的状态，通过定义函数GetV、GetA、GetS来获取当前微纳米机器人的运动速度、加速度以及位移量，通过定义函数GetDistance()来获取纳米红外传感器探测到的障碍物距离。也就是说，本发明实施例中，第一扫描装置还可以根据用户的指令工作。

可选地，第二扫描装置11包括场发射型扫描电子显微镜。进一步可选地，该场发射型扫描电子显微镜为GeminiSEM扫描电子显微镜。

在可变压力条件下，该扫描电子显微镜可以在数秒内建立坐标系，即建立三维笛卡尔空间坐标系，获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息。在该扫描电子显微镜下可立即定位到微纳米机器人所在区域，即获得微纳米机器人在该环境的位置信息，从而可以高效地完成图像导航并关联相关数据。

其中，该扫描电子显微镜包括能量选择背散射探测器、二次电子探测器及角度选择背散射探测器等，利用能量选择背散射探测器、二次电子探测器及角度选择背散射探测器可以获取微纳米机器人的材料结构、形体表面等信息，当扫描电子显微镜入射电子束与微纳米机器人作用后，根据微纳米机器人表面逸出的二次电子和背散射电子来表征微纳米机器人，即可获得微纳米机器人的位置信息。

本发明实施例中，如图2所示，微纳米机器人的驱动***还包括与第二扫描装置11相连的成像装置14和显示装置15；成像装置14用于将第二扫描装置11获得的三维空间信息和微纳米机器人的位置信息形成图像；显示装置15用于显示成像装置形成的图像。其中，在低电压下，成像装置14可获得亚纳米分辨率的清晰图像，用户可在显示装置15中观察微纳米机器人在三维空间中的位置信息。

需要说明的是，本发明实施例中的控制装置12可以为计算机，成像装置14可以为相机等，显示装置15可以为显示屏等。

在微纳米机器人运行的牛顿流体中，建立三维笛卡尔空间坐标系之后，即可根据纳维-斯托克斯方程和雷诺数得出控制方程，对微纳米机器人的运动环境进行分析，包括对微纳米机器人运动过程中受到的重力、浮力、流体剪切应力、粘滞力、推动力进行分析，即可得出其受力方程，建立相应的运动模型，采用拉格朗日(Lagrange)法对微纳米机器人进行精确的实时空间定位，跟踪其在流体中的运动全过程，即可记录其运动过程中的各物理量及其变化规律，得到微纳米机器人的运动迹线方程，从而可以根据运动迹线方程以及障碍物信息估算出微纳米机器人所需的运动方向和运行速度，进而可以向微纳米机器人提供相应的动力，精确控制微纳米机器人的运动。

具体地，微纳米机器人运动的流体环境一般情况下视为不可压缩的牛顿流体，在空间三维物理域中建立笛卡尔坐标系，根据纳维-斯托克斯方程：

式中，ρ为流体密度，常量；μ为流体粘度，常量；p为压力，常量；

为xyz方向上的速度分量。通过流体雷诺数

判定微纳米机器人运动在层流环境下，其中ρ为流体密度；v为流体平均速度；l为流管半径；μ为流体粘度。

微纳米机器人在运动过程中会受到重力、浮力、流体剪切应力、粘滞力，推动力的影响。相对于流体***，微纳米机器人所受重力G与浮力F_B相互抵消，可忽略不计。模拟圆管流体长为dx、半径为r，分析其流体压力与剪切力，根据流体压力的分布

与牛顿粘性定律

得出层流运动方程：

式中，L为流管长度；p为压力。由牛顿第二定律

分析微纳米机器人的受力，忽略压力和温度变化对流体粘度及密度的影呐，得出微纳米机器人的受力平衡方程为：

式中，

采用Lagrange法跟踪流体中微纳米机器人的运动全过程，记录其运动过程中的各物理量及其变化规律。

在空间坐标系下，定义纳米机器人的运动加速度

在x轴、y轴、z轴三个方向上的速度与加速度表达式为

微纳米机器人从起始时刻t＝t₀经过时间dt移动距离dr，积分得到微纳米机器人的运动迹线方程

还需要说明的是，本发明实施例中的控制装置估算出微纳米机器人所需的运动速度和运动方向后，可以将运动方向和运动速度等信息显示在显示装置15上，以便用户根据这些信息下发指令到驱动装置13，使驱动装置13根据用户指令向微纳米机器人提供相应的动力。

本发明所提供的微纳米机器人的驱动***，第一扫描装置获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息，第二扫描装置获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及微纳米机器人在环境中的位置信息，控制装置根据障碍物信息、三维空间信息以及位置信息确定微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的微纳米机器人的运动迹线方程和障碍物信息确定微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向微纳米机器人提供相应的动力，以使微纳米机器人沿运行路径运动，从而可以通过第一扫描装置和第二扫描装置实现微纳米机器人的实时监控，通过控制装置和驱动装置实现微纳米机器人运动状态的调节，进而可以满足高精度作业对微纳米机器人的要求。

本发明实施例还提供了一种微纳米机器人的驱动方法，应用于如上任一实施例提供的微纳米机器人的驱动***，如图3所示，所述方法包括：

S101：第一扫描装置获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；

S102：第二扫描装置获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及微纳米机器人在环境中的位置信息；

S103：控制装置根据障碍物信息、三维空间信息以及位置信息确定微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的微纳米机器人的运动迹线方程和障碍物信息确定微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向微纳米机器人提供相应的动力，以使微纳米机器人沿运行路径运动。

可选地，第一扫描装置包括纳米红外传感器，进一步可选地，该纳米红外传感器为非接触式纳米红外传感器。纳米红外传感器安装在微纳米机器人的头部。

其中，纳米红外传感器可以探测在微纳米机器人前进过程中未知的障碍物。纳米红外传感器包括发射端和接收端，发射端用于发射红外信号，接收端用于接收障碍物反射回的红外信号，并根据红外信号得到障碍物与微纳米机器人之间的距离。

也就是说，在微纳米机器人运动的三维空间中，红外传感器发射的红外信号在探测方向上遇到障碍物时，红外信号经障碍物反射作用返回被接收器接收，纳米红外传感器内部的控制器根据反射光强度即可检测出微纳米机器人与障碍物之间的距离，从而获得障碍物信息。

可选地，第二扫描装置包括场发射型扫描电子显微镜。进一步可选地，该场发射型扫描电子显微镜为GeminiSEM扫描电子显微镜。

在可变压力条件下，该扫描电子显微镜可以在数秒内建立坐标系，即建立三维笛卡尔空间坐标系，获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息。在该扫描电子显微镜下可立即定位到微纳米机器人所在区域，即获得微纳米机器人在该环境的位置信息，从而可以高效地完成图像导航并关联相关数据。

其中，该扫描电子显微镜包括能量选择背散射探测器、二次电子探测器及角度选择背散射探测器等，利用能量选择背散射探测器、二次电子探测器及角度选择背散射探测器可以获取微纳米机器人的材料结构、形体表面等信息，当扫描电子显微镜入射电子束与微纳米机器人作用后，根据微纳米机器人表面逸出的二次电子和背散射电子来表征微纳米机器人，即可获得微纳米机器人的位置信息。

基于此，控制装置即可根据障碍物信息、三维空间信息以及位置信息确定微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的微纳米机器人的运动迹线方程和障碍物信息确定微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向微纳米机器人提供相应的动力，以使微纳米机器人沿运行路径运动。

本发明所提供的微纳米机器人的驱动方法，第一扫描装置获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息，第二扫描装置获得微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及微纳米机器人在环境中的位置信息，控制装置根据障碍物信息、三维空间信息以及位置信息确定微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的微纳米机器人的运动迹线方程和障碍物信息确定微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向微纳米机器人提供相应的动力，以使微纳米机器人沿运行路径运动，从而可以通过第一扫描装置和第二扫描装置实现微纳米机器人的实时监控，通过控制装置和驱动装置实现微纳米机器人运动状态的调节，进而可以满足高精度作业对微纳米机器人的要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (10)

1.一种微纳米机器人的驱动***，其特征在于，包括：

第一扫描装置，用于获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；

第二扫描装置，用于获得所述微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及所述微纳米机器人在所述环境中的位置信息；

控制装置，用于根据所述障碍物信息、所述三维空间信息以及所述位置信息确定所述微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的所述微纳米机器人的运动迹线方程和所述障碍物信息确定所述微纳米机器人所需的运动速度和方向，并控制驱动装置向所述微纳米机器人提供相应的动力，以使所述微纳米机器人沿所述运行路径运动。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一扫描装置包括纳米红外传感器；

所述纳米红外传感器安装在所述微纳米机器人的头部。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述纳米红外传感器包括发射端和接收端，所述发射端用于发射红外信号，所述接收端用于接收障碍物反射回的红外信号，并根据所述红外信号得到所述障碍物信息。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第二扫描装置包括场发射型扫描电子显微镜。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，还包括成像装置和显示装置；

所述成像装置用于将所述第二扫描装置获得的三维空间信息和所述微纳米机器人的位置信息形成图像；

所述显示装置用于显示所述成像装置形成的图像，以使用户观察所述微纳米机器人在所述三维空间中的运动信息。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动装置还用于根据用户的指令控制所述微纳米机器人的动力。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述驱动装置通过电信号或光信号向所述微纳米机器人的微纳米发动机提供动力。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述驱动装置为激光发射装置或无线供电装置。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述微纳米机器人的运动迹线方程是通过纳维-斯托克斯方程和雷诺数得出的控制方程对微纳米机器人的运动环境进行分析得出的。

10.一种微纳米机器人的驱动方法，其特征在于，应用于权利要求1～9任一项所述的微纳米机器人的驱动***，所述方法包括：

第一扫描装置获得微纳米机器人所在路径上的障碍物信息；

第二扫描装置获得所述微纳米机器人所处环境的三维空间信息以及所述微纳米机器人在所述环境中的位置信息；

控制装置根据所述障碍物信息、所述三维空间信息以及所述位置信息确定所述微纳米机器人的运动路径，根据预先建立的所述微纳米机器人的运动迹线方程和所述障碍物信息确定所述微纳米机器人的运动速度和方向，并控制驱动装置向所述微纳米机器人提供相应的动力，以使所述微纳米机器人沿所述运行路径运动。

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