一种磁性微机器人群体协同控制系统

1.本技术涉及微纳操作技术领域，尤其是一种磁性微机器人群体协同控制系统。


背景技术：

2.近年来，磁性微机器人在微纳操作领域表现出巨大潜力，成为研究热点。由于磁性微机器人具有体积小且不受物理约束的特性，因而十分适合工作在相对狭窄的封闭空间。目前，磁性微机器人被广泛应用于生物医疗领域，如血管疏通、靶向给药、生物测定、化学分析等。
3.驱动控制技术是磁性微机器人的研究核心，尤其是在对磁性微机器人群体进行协同控制时，不但提高了微操作任务吞吐量，而且能够完成一些单个微机器人难以实现的复杂任务。传统的驱动控制技术中电磁线圈产生的是全局磁场，然而，由于磁性微机器人与全局磁场相互作用的性质，传统电磁线圈产生的全局磁场难以实现微机器人群体的运动解耦。此外，磁性微机器人之间的相互影响也使得磁性微机器人群体的协同控制变得更加复杂。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种磁性微机器人群体协同控制系统，本技术的技术方案如下：
5.一种磁性微机器人群体协同控制系统，该系统包括控制模块、多个微线圈、视觉反馈模块和多个微机器人；
6.多个微线圈分别沿着x方向和y方向排布形成行列结构的平面二维阵列，多个微机器人设置在多个微线圈形成的工作空间中，且每个微机器人沿着z方向磁化且微机器人的n极沿着z方向朝上放置，x方向、y方向和z方向相互垂直并构成符合右手坐标系的工作空间坐标系；
7.视觉反馈模块朝向工作空间，控制模块连接并控制视觉反馈模块和各个微线圈；
8.控制模块执行的协同控制方法包括：
9.确定各个微机器人在工作空间坐标系中的起始位置和目标位置，并确定求解约束，求解约束包括位移约束和距离约束，位移约束用于约束每个微机器人的运动状态，距离约束用于约束任意两个微机器人之间的位置关系；
10.在求解约束下基于冲突搜索算法进行路径规划，确定各个微机器人从起始位置至目标位置的目标路径；
11.通过视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置，并根据每个微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的微线圈中通入电流以产生局部磁场，以驱动各个微机器人按照各自对应的目标路径从起始位置运动至目标位置。
12.其进一步的技术方案为，各个微线圈的结构相同且均为平面圆形螺旋结构，各个微线圈的外接矩形排布形成二维网格结构，各个微线圈的外接矩形的中心点为中心平衡
点，各个微线圈的外接矩形的顶点为对角平衡点，每个微机器人的目标路径包括若干个可行路径点，每个可行路径点为中心平衡点或对角平衡点。
13.其进一步的技术方案为，位移约束用于约束每个微机器人从一个外接矩形的中心平衡点移动到同一个外接矩形的其中一个对角平衡点，或者用于约束每个微机器人从一个外接矩形的对角平衡点移动到同一个外接矩形的中心平衡点。
14.其进一步的技术方案为，距离约束，用于约束任意两个微机器人之间的距离大于等于第一距离阈值，当两个微机器人之间的距离小于第一距离阈值时产生磁相互作用。
15.其进一步的技术方案为，工作空间中还包括若干个位置已知的障碍物，求解约束还包括避障约束，避障约束用于约束任意一个微机器人与任意一个障碍物的距离大于等于第二距离阈值。
16.其进一步的技术方案为，根据每个微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的微线圈中通入的电流以产生局部磁场，以驱动各个微机器人按照各自对应的目标路径从起始位置运动至目标位置，包括对于每个微机器人：
17.从微机器人的起始位置开始，基于微机器人的实时位置至目标路径的下一个可行路径点的矢量计算所需的总驱动磁力的大小及方向，根据总驱动磁力向微机器人的实时位置周围的目标微线圈通入电流，各个目标微线圈在通入电流后产生的总磁场对所述微机器人产生总驱动磁力，以驱动微机器人从实时位置运动到下一个可行路径点；重新执行基于微机器人的实时位置至目标路径的下一个可行路径点的矢量计算所需的总驱动磁力的大小及方向的步骤，直至到达微机器人的目标位置。
18.其进一步的技术方案为，每个微机器人的实时位置周围的目标微线圈包括：与所述微机器人的实时位置的距离小于预定距离，且与所述微机器人的实时位置之间的连线方向与所述微机器人的总驱动磁力的方向的夹角不等于90度的所有微线圈。
19.其进一步的技术方案为，根据总驱动磁力向微机器人的实时位置周围的目标微线圈通入电流，包括：
20.确定各个目标微线圈与微机器人之间的连线方向；
21.将总驱动磁力分解到各个连线方向上，确定各个连线方向上的目标微线圈的微线圈磁力；
22.向各个目标微线圈通入与微线圈磁力对应的电流，向每个目标微线圈中通入的电流的方向根据微线圈磁力的磁力方向、以及目标微线圈和微机器人的实时位置之间的相对位置关系确定，每个目标微线圈中通入的电流的幅值与微线圈磁力的磁力大小相关。
23.其进一步的技术方案为，确定向每个目标微线圈通入的电流的方向的方法包括：
24.当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是吸引力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的内部时，向目标微线圈中通入逆时针电流；
25.当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是吸引力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的外部时，向目标微线圈中通入顺时针电流；
26.当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是排斥力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的内部时，向目标微线圈中通入顺时针电流；
27.当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是排斥力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的外部时，向目标微线圈中通入逆时针电流；
28.当目标微线圈中通入逆时针电流时，目标微线圈产生的磁场与微机器人的磁矩相同；当目标微线圈中通入顺时针电流时，目标微线圈产生的磁场与微机器人的磁矩相反。
29.其进一步的技术方案为，视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置的方法包括：
30.实时获取工作空间的待检测图像，利用kcf跟踪算法对待检测图像进行图像处理，得到各个跟踪框，每个跟踪框对应一个微机器人；
31.对各个跟踪框内的待检测图像进行二值化处理后，通过轮廓检测算法确定每个跟踪框对应的微机器人的中心坐标作为微机器人的实时位置。
32.本技术的有益技术效果是：
33.本技术公开了一种磁性微机器人群体协同控制系统，该系统通过设置平面行列结构的微线圈阵列，利用控制模块控制微线圈阵列产生离散的局部磁场，实现对多个微机器人同一时段的独立控制。
34.该系统基于冲突搜索算法进行路径规划，通过添加求解约束限制微机器人的运动姿态及距离，为微机器人群体规划出一条满足求解约束的目标路径，使得对磁性微机器人群体的协同控制更加高效有序。
35.该系统改进的多目标跟踪算法实时向控制模块反馈微机器人的位置，能够有效提高微机器人的跟踪精度，有利于改善控制性能。
36.本技术通过将微线圈阵列离散化建模实现对微机器人的独立控制，同时利用改进的路径规划算法对整个微机器人群体的运动进行统筹规划，避免因多个机器人同时运动而产生磁相互作用力影响，使得对微机器人的控制更加简单有序的同时也更加精准快速。
附图说明
37.图1是本技术一种磁性微机器人群体协同控制系统的系统结构框图。
38.图2是本技术协同控制方法的流程示意图。
39.图3是本技术一个实施例中微线圈阵列的排布示意图。
40.图4(a)是本技术一个实例中微线圈在z＝0.5mm处的磁场分布的实测图。
41.图4(b)是本技术一个实例中微线圈在z＝0.5mm处的磁场梯度分布的实测图。
42.图5是本技术一个实例中工作空间离散化模型的平面示意图。
43.图6是本技术一个实例中多个微机器人的路径规划示意图。
44.图7是本技术一个实施例中的反馈闭环控制示意图。
45.图8是本技术一个实例中在微线圈中通入电流控制微机器人的示意图。
46.图9是本技术一个实例中微机器人受到的总驱动磁力分解示意图。
47.图10(a)是本技术一个实例中单个微线圈的结构示意图。
48.图10(b)是本技术一个实例中单个微线圈的等效结构示意图。
49.图11是本技术一个实例中电流元与空间中任意点之间的位移向量示意图。
50.附图标记：1、微线圈；2、微机器人；3、中心平衡点；4、对角平衡点；5、可行路径；6、障碍物；7、目标路径中的路径点；8、目标位置。
具体实施方式
51.下面结合附图对本技术的具体实施方式做进一步说明。
52.如图1所示，本技术公开了一种磁性微机器人群体协同控制系统，该系统包括控制模块、多个微线圈、视觉反馈模块和多个微机器人。
53.多个微线圈分别沿着x方向和y方向排布形成行列结构的平面二维阵列，多个微机器人设置在多个微线圈形成的工作空间中，且每个微机器人沿着z方向磁化且微机器人的n极沿着z方向朝上放置，x方向、y方向和z方向相互垂直并构成符合右手坐标系的工作空间坐标系。
54.视觉反馈模块朝向工作空间，控制模块连接并控制视觉反馈模块和各个微线圈。
55.如图2所示，控制模块执行的协同控制方法包括：
56.步骤s100，确定各个微机器人在工作空间坐标系中的起始位置和目标位置，并确定求解约束，求解约束包括位移约束和距离约束，位移约束用于约束每个微机器人的运动状态，距离约束用于约束任意两个微机器人之间的位置关系。
57.步骤s200，在求解约束下基于冲突搜索算法进行路径规划，确定各个微机器人从起始位置至目标位置的目标路径。
58.步骤s300，通过视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置。
59.步骤s400，根据每个微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的微线圈中通入电流以产生局部磁场，以驱动各个微机器人按照各自对应的目标路径从起始位置运动至目标位置。
60.本技术的磁性微机器人群体协同控制系统通过控制模块控制多个微线圈产生离散的局部磁场，可以实现对多个微机器人的独立控制；同时基于冲突搜索算法进行路径规划，能够为微机器人群体规划出一条满足求解约束的目标路径，使得对磁性微机器人群体的协同控制更加高效有序。
61.为了更清晰地对本技术一种磁性微机器人群体协同控制系统进行说明，下面结合附图对本技术系统实施例展开详述。
62.如图3所示，多个微线圈1分别沿着x方向和y方向排布形成行列结构的平面二维阵列，各个微线圈1的结构相同且均为平面圆形螺旋结构，每个微线圈1的螺纹方向一致，微机器人2位于微线圈构成的阵列中。
63.在一个实施例中，可选择采用标准pcb工艺制造微线圈，每个微线圈有5匝，每匝线圈的宽度为0.15mm，每匝线圈间距为0.1mm，微线圈中心还包括通孔，通孔直径为0.4mm，微线圈的等效直径为3mm。共设置144个微线圈，形成12x12的微线圈平面阵列。考虑到静摩擦力，微机器人需要在微线圈形成的工作空间内，也即微机器人位于微线圈阵列的xy平面范围内，且微机器人与微线圈阵列之间的z方向的距离不超过距离阈值。当微机器人在微线圈阵列形成的工作空间内时，才能保证微线圈阵列可以产生足够的磁驱动力驱动微机器人，且也保证了邻近的微线圈产生的磁场不会相互干扰。在一个实施例中，对微线圈施加0.25a电流后，微线圈在z＝0.5mm处的磁场分布by、bz如图4(a)所示，by是y方向的磁场分量，bz是z方向的磁场分量。沿z方向对by和bz求导，单个微线圈产生的磁场和场梯度分布如图4(b)所示。
64.如图1所示，该系统还包括驱动模块和电源模块。电源模块包括3个12v锂电池和恒
压恒流电路，电源模块调节输出电压为12v，最大输出电流为3a。控制模块包括嵌入式系统和微控制器，在某些实施例中还包括与嵌入式系统相连的计算机，计算机通过modbus协议与嵌入式系统通信，通过写保持寄存器向每一个微线圈发送控制指令，嵌入式系统通过iic总线与驱动模块进行通信，只需要两根线就可以控制所有的微线圈。由于微线圈匝数很少，具有非常低的电感，因此允许快速切换电流，微控制器可选择bang-bang控制器，输出驱动所需的电流对微机器人进行闭环控制。驱动模块受控于控制模块并由电源模块供电，驱动模块包括若干电流驱动板，在一个实例中，微线圈阵列包含144个微线圈，则驱动模块包含9个电流驱动板，每个驱动板可以输出16路电流，每路电流最大可达1a，共可以输出144路电流，每路电流控制一个微线圈，从而满足对每一个微线圈的单独控制。
65.该控制系统在实际应用时，微线圈阵列上可以设置若干个微机器人，不同的微机器人位于微线圈阵列的不同位置处且有不同的目标位移，利用该控制系统可以对各个微机器人实现独立驱动，以满足各个微机器人各自的运动需求。在一个实施例中以任意一个微机器人的驱动过程为例进行说明：
66.为使对微机器人的运动控制更加简化，对工作空间进行离散化建模，如图5所示，将整个工作空间离散划分为若干个网格，每个网格都为一个微线圈的外接矩形。各个微线圈的外接矩形排布形成二维网格结构，各个微线圈的外接矩形的中心点为中心平衡点3，各个微线圈的外接矩形的顶点为对角平衡点4，位于同一个外接矩形中的中心平衡点3和对角平衡点4之间形成可行路径5，如图5中虚线所示。
67.进一步地，在为每个微机器人规划目标路径时，首先为每个机器人添加求解约束，求解约束包括位移约束和距离约束。
68.位移约束用于约束每个微机器人的运动状态，具体用于约束每个微机器人从一个外接矩形的中心平衡点移动到同一个外接矩形的其中一个对角平衡点，或者用于约束每个微机器人从一个外接矩形的对角平衡点移动到同一个外接矩形的中心平衡点，在位移约束的约束作用下，可以保证微机器人始终在平衡点之间运动，从而保证微机器人的运动稳定性，使得对微机器人的控制更加简单规律。微机器人在xy平面内有5种运动形态：当微机器人位于中心平衡点时，可保持静止状态或向该外接矩形的四个对角平衡点移动；当微机器人位于对角平衡点时，可保持静止状态或向该对角平衡点所在的四个外接矩形的中心平衡点移动。距离约束用于约束任意两个微机器人之间的位置关系，具体用于约束任意两个微机器人之间的距离大于等于第一距离阈值，当两个微机器人之间的距离小于第一距离阈值时产生磁相互作用，因此在距离约束的约束作用下，可以保证微机器人之间始终不产生磁相互作用，从而对微机器人群体的协同控制更加有序。在一个实施例中，第一距离阈值可选择15mm。
69.在某些实施例中，工作空间中还包括若干个位置已知的障碍物，求解约束还包括避障约束。避障约束用于约束任意一个微机器人与任意一个障碍物的距离大于等于第二距离阈值，在避障约束的约束作用下，可以保证微机器人不与障碍物发生碰撞，从而避免障碍物等因素的干扰。
70.不管为微机器人添加上述实施例中的哪些求解约束，在求解约束下基于冲突搜索算法进行路径规划，求出各个微机器人从起始位置至目标位置的总耗费最少的路径作为目标路径，得到每个微机器人的目标路径包括若干个可行路径点，微机器人的起始位置和目
标位置也是可行路径点，每个可行路径点都是工作空间中的中心平衡点或对角平衡点，微机器人沿着相邻两个可行路径点之间的可行路径运动，使得对磁性微机器人群体的协同控制更加高效有序。比如在一个实例中如图6所示，该实例中包括三个微机器人1、2、3，圆形序号1、2、3分别表示微机器人1、2、3的起始位置，五角星1、2、3分别表示微机器人1、2、3的目标位置，八边形序号1、2、3分别表示微机器人1、2、3的路径点，八边形序号a表示微机器人1、2重合的路径点，八边形序号b表示微机器人2、3重合的路径点，八边形序号c表示微机器人1、3重合的路径点，图中矩形框为障碍物6，在为各个微机器人添加位移约束、距离约束和避障约束后，求解得到的微机器人1、2、3的目标路径上的各个可行路径点如图6所示。
71.在得到各个微机器人的目标路径后，即可按照各个微机器人的目标路径来控制微线圈阵列，控制方法包括：通过视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置，并根据微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的目标微线圈中通入的电流以产生局部磁场，以驱动微机器人按照其目标路径从起始位置运动至目标位置。进一步地，通过视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置的方法包括：视觉反馈模块朝向工作空间，通过相机实时获取工作空间的待检测图像并选择感兴趣区域，利用kcf跟踪算法对待检测图像进行图像处理，得到各个跟踪框，每个跟踪框对应一个微机器人。对各个跟踪框内的待检测图像进行二值化处理后，通过轮廓检测算法确定每个跟踪框对应的微机器人的中心坐标作为微机器人的实时位置p。
72.从微机器人的起始位置开始，基于微机器人的实时位置p至目标路径的下一个可行路径点pr的矢量计算所需的总驱动磁力f的大小及方向，如图7所示，包括将实时位置p至下一个可行路径点pr的矢量dp输入bang-bang控制器，bang-bang控制器输出总驱动磁力f。按照总驱动磁力f控制电源产生与总驱动磁力f对应的各个目标微线圈的电流i输入微线圈阵列中相应的微线圈，从而根据总驱动磁力f向微机器人的实时位置周围的目标微线圈通入电流i，微机器人周围的各个目标微线圈在通入相应的电流i后，在微机器人处产生的总磁场b对微机器人产生该总驱动磁力f，以驱动微机器人从实时位置p运动到下一个可行路径点pr。重新执行基于微机器人的实时位置至目标路径的下一个可行路径点的矢量计算所需的总驱动磁力的大小及方向的步骤，直至到达微机器人的目标位置。
73.其中，对于每个微机器人，在确定其对应的目标微线圈时，考虑到当微机器人与微线圈的距离大于预定距离时，微线圈对微机器人无法产生磁力。因此，首先要选取与该微机器人的实时位置p的距离小于预定距离的微线圈。其次，总驱动磁力f需要分解到各个目标微线圈与微机器人之间的连线方向上，因此微机器人的目标微线圈的中心点和微机器人的实时位置的连线与总驱动磁力f的方向的夹角不等于90度。最后，为避免单个微线圈中通入的电流过大而发热损耗，可选择尽量多的微线圈通入电流，分担微机器人所需要的总驱动磁力。因此每个微机器人的实时位置周围的目标微线圈包括：与微机器人的实时位置的距离小于预定距离，且与微机器人的实时位置之间的连线方向与微机器人的总驱动磁力的方向的夹角不等于90度的所有微线圈。
74.在微机器人的移动过程中，随着微机器人的实时位置p发生变化，确定的该微机器人周围的目标微线圈也不同，比如如图8所示，以画有箭头的微线圈作为微机器人的目标微线圈，可以看出当微机器人处于ⅰ状态时，其位于中心平衡点，确定的4个目标微线圈分别位于微机器人的上下左右。当微机器人处于ⅱ状态时，确定的4个目标微线圈发生变化；当微
机器人处于ⅲ状态时，微机器人位于对角平衡点，只选取可产生运动方向磁力的两个微线圈作为目标微线圈。当微机器人处于ⅳ状态时，重新选取满足要求的4个目标微线圈；当微机器人处于
ⅴ
状态时，到达目标点，只选取目标点处的微线圈作为目标微线圈。
75.进一步地，按照总驱动磁力f确定向每个目标微线圈通入电流i的幅值的方法为：确定各个目标微线圈的中心点与微机器人的中心点之间的连线方向；将总驱动磁力按照力的分解原理分解到各个连线方向上，确定各个连线方向上的目标微线圈的微线圈磁力；向各个目标微线圈通入与微线圈磁力对应的电流，向每个目标微线圈中通入的电流的方向根据微线圈磁力的磁力方向、以及目标微线圈和微机器人的实时位置之间的相对位置关系确定，每个目标微线圈中通入的电流的幅值与微线圈磁力的磁力大小相关。
76.确定向每个目标微线圈通入电流的方向的方法为：当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是吸引力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的内部时，向目标微线圈中通入逆时针电流；当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是吸引力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的外部时，向目标微线圈中通入顺时针电流；当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是排斥力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的内部时，向目标微线圈中通入顺时针电流；当目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是排斥力，且微机器人的实时位置位于目标微线圈的外部时，向目标微线圈中通入逆时针电流。当目标微线圈中通入逆时针电流时，目标微线圈产生的磁场与微机器人的磁矩相同；当目标微线圈中通入顺时针电流时，目标微线圈产生的磁场与微机器人的磁矩相反。
77.在一个实例中，如图9所示，按照总驱动磁力f确定向每个目标微线圈通入电流i的幅值和方向的方法为：(1)确定实时位置p处的微机器人的目标微线圈9、10、11、12，并确定目标微线圈9、10、11、12与实时位置p的连线方向；(2)将总驱动磁力f分解到四个连线方向上分别得到微线圈磁力f1、f2、f3和f4；(3)根据f1确定目标微线圈9的电流的幅值及方向，根据f2确定目标微线圈10的电流的幅值及方向，根据f3确定目标微线圈11的电流的幅值及方向，根据f4确定目标微线圈12的电流的幅值及方向。
78.进一步地，根据每个目标微线圈对微机器人产生的微线圈磁力的磁力大小确定目标微线圈中通入的电流的幅值的方法包括：
79.微线圈的结构如图10(a)所示，由于平面螺旋结构线圈计算磁力的公式较为复杂，因此在本实施例中将每个微线圈等效为n个具有不同半径的同心圆环路，如图10(b)所示，环路之间不互连，第i个环路的半径为：
[0080][0081]
其中，xi和x
i+1
是第i圈到微线圈中心的最小和最大距离。
[0082]
根据毕奥-萨伐尔定律，半径为xi′
的电流环路在通入幅值为i0的电流后在空间任意点p(x0,y0,z0)处产生的磁感应强度为：
[0083][0084]
其中，c是半径为x
′i的环路的周长，dl是电流元的单位长度，r'是空间坐标为(x,y,z)的电流元i0dl与空间中任意点p(x0,y0,z0)之间的位移向量，如图11所示，μ0是自由空间
的磁导率。
[0085]
因此，半径为x
′i的电流环路在通入幅值为i0的电流后所产生的磁场在空间中任意点p(x0,y0,z0)处的沿x轴的磁感应强度b
xi
(x0,y0,z0)、沿y轴的磁感应强度b
yi
(x0,y0,z0)、沿z轴的磁感应强度b
zi
(x0,y0,z0)为：
[0086][0087]
微线圈中各个环路在点p(x0,y0,z0)处的磁感应强度都可以如上计算，则单个微线圈在点p(x0,y0,z0)处沿x轴、y轴、z轴的磁感应强度为该微线圈中n个环路各磁感应强度分量的叠加，单个微线圈在空间中任意点p(x0,y0,z0)处的沿x轴的磁感应强度b
x
(x0,y0,z0)、沿y轴的磁感应强度by(x0,y0,z0)、沿z轴的磁感应强度bz(x0,y0,z0)为：
[0088][0089][0090][0091]
因此位于点p(x0,y0,z0)处的微机器人在单个微线圈的磁场作用下受到的微线圈磁力f
mag
是磁场梯度的函数，其表达式为：
[0092][0093]
其中，vr是微机器人的体积，m＝m(m
x
,my,mz)是微机器人的磁化强度，是对函数在各个正交方向上求导数，b(b
x
,by,bz)是微线圈产生的磁通密度。
[0094]
对于沿z方向磁化的微机器人，将m＝m(m
x
,my,mz)近似为mz，因此微线圈磁力f
mag
可简化为：
[0095][0096]
其中，mz是微机器人沿z方向的磁化强度，a
x
、ay、az分别是x、y、z方向的单位向量。在目标微线圈和微机器人的空间位置已知的基础上，上述表达式是微线圈磁力f
mag
与通入的电流的幅值i0的函数关系，其他都为已知量，因此在确定每个目标微线圈产生的微线圈磁力f
mag
后，即可通过上述表达式确定相应的目标微线圈中通入的电流的幅值i0。
[0097]
以上的仅是本技术的优选实施方式，本技术不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本技术的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述磁性微机器人群体协同控制系统包括控制模块、多个微线圈、视觉反馈模块和多个微机器人；多个微线圈分别沿着x方向和y方向排布形成行列结构的平面二维阵列，多个微机器人设置在多个微线圈形成的工作空间中，且每个微机器人沿着z方向磁化且所述微机器人的n极沿着z方向朝上放置，x方向、y方向和z方向相互垂直并构成符合右手坐标系的工作空间坐标系；所述视觉反馈模块朝向所述工作空间，所述控制模块连接并控制所述视觉反馈模块和各个微线圈；所述控制模块执行的协同控制方法包括：确定各个微机器人在所述工作空间坐标系中的起始位置和目标位置，并确定求解约束，所述求解约束包括位移约束和距离约束，所述位移约束用于约束每个微机器人的运动状态，所述距离约束用于约束任意两个微机器人之间的位置关系；在所述求解约束下基于冲突搜索算法进行路径规划，确定各个微机器人从起始位置至目标位置的目标路径；通过所述视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置，并根据每个微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的微线圈中通入电流以产生局部磁场，以驱动各个微机器人按照各自对应的目标路径从起始位置运动至目标位置。2.根据权利要求1所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，各个微线圈的结构相同且均为平面圆形螺旋结构，各个微线圈的外接矩形排布形成二维网格结构，各个微线圈的外接矩形的中心点为中心平衡点，各个微线圈的外接矩形的顶点为对角平衡点，每个微机器人的目标路径包括若干个可行路径点，每个可行路径点为中心平衡点或对角平衡点。3.根据权利要求2所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述位移约束用于约束每个微机器人从一个外接矩形的中心平衡点移动到同一个外接矩形的其中一个对角平衡点，或者用于约束每个微机器人从一个外接矩形的对角平衡点移动到同一个外接矩形的中心平衡点。4.根据权利要求1所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述距离约束，用于约束任意两个微机器人之间的距离大于等于第一距离阈值，当两个微机器人之间的距离小于所述第一距离阈值时产生磁相互作用。5.根据权利要求1所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述工作空间中还包括若干个位置已知的障碍物，所述求解约束还包括避障约束，所述避障约束用于约束任意一个微机器人与任意一个障碍物的距离大于等于第二距离阈值。6.根据权利要求1所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述根据每个微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的微线圈中通入的电流以产生局部磁场，以驱动各个微机器人按照各自对应的目标路径从起始位置运动至目标位置，包括对于每个微机器人：从所述微机器人的起始位置开始，基于所述微机器人的实时位置至所述目标路径的下一个可行路径点的矢量计算所需的总驱动磁力的大小及方向，根据所述总驱动磁力向所述微机器人的实时位置周围的目标微线圈通入电流，各个目标微线圈在通入电流后产生的总
磁场对所述微机器人产生所述总驱动磁力，以驱动所述微机器人从实时位置运动到下一个可行路径点；重新执行所述基于所述微机器人的实时位置至所述目标路径的下一个可行路径点的矢量计算所需的总驱动磁力的大小及方向的步骤，直至到达所述微机器人的目标位置。7.根据权利要求6所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，每个微机器人的实时位置周围的目标微线圈包括：与所述微机器人的实时位置的距离小于预定距离，且与所述微机器人的实时位置之间的连线方向与所述微机器人的总驱动磁力的方向的夹角不等于90度的所有微线圈。8.根据权利要求6所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述根据所述总驱动磁力向所述微机器人的实时位置周围的目标微线圈通入电流，包括：确定各个目标微线圈与所述微机器人之间的连线方向；将所述总驱动磁力分解到各个连线方向上，确定各个连线方向上的目标微线圈的微线圈磁力；向各个目标微线圈通入与微线圈磁力对应的电流，向每个目标微线圈中通入的电流的方向根据所述微线圈磁力的磁力方向、以及所述目标微线圈和微机器人的实时位置之间的相对位置关系确定，每个目标微线圈中通入的电流的幅值与微线圈磁力的磁力大小相关。9.根据权利要求8所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，确定向每个目标微线圈通入的电流的方向的方法包括：当所述目标微线圈对所述微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是吸引力，且所述微机器人的实时位置位于所述目标微线圈的内部时，向所述目标微线圈中通入逆时针电流；当所述目标微线圈对所述微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是吸引力，且所述微机器人的实时位置位于所述目标微线圈的外部时，向所述目标微线圈中通入顺时针电流；当所述目标微线圈对所述微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是排斥力，且所述微机器人的实时位置位于所述目标微线圈的内部时，向所述目标微线圈中通入顺时针电流；当所述目标微线圈对所述微机器人产生的微线圈磁力的磁力方向是排斥力，且所述微机器人的实时位置位于所述目标微线圈的外部时，向所述目标微线圈中通入逆时针电流；当所述目标微线圈中通入逆时针电流时，所述目标微线圈产生的磁场与所述微机器人的磁矩相同；当所述目标微线圈中通入顺时针电流时，所述目标微线圈产生的磁场与所述微机器人的磁矩相反。10.根据权利要求1所述的磁性微机器人群体协同控制系统，其特征在于，所述视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置的方法包括：实时获取所述工作空间的待检测图像，利用kcf跟踪算法对所述待检测图像进行图像处理，得到各个跟踪框，每个跟踪框对应一个微机器人；对各个跟踪框内的待检测图像进行二值化处理后，通过轮廓检测算法确定每个跟踪框对应的微机器人的中心坐标作为所述微机器人的实时位置。

技术总结
本申请公开了一种磁性微机器人群体协同控制系统，涉及微纳操作技术领域，该系统包括控制模块、多个微线圈、视觉反馈模块和多个微机器人。该系统通过视觉反馈模块确定各个微机器人的实时位置，控制模块根据每个微机器人的实时位置和目标路径控制向对应的微线圈中通入电流以产生局部磁场，以驱动各个微机器人按照各自对应的目标路径从起始位置运动至目标位置。该系统可以产生离散的局部磁场，实现对多个微机器人的独立控制；通过路径规划使得对磁性微机器人群体的协同控制更加高效有序；同时能够实时反馈微机器人的位置，有效提高微机器人的跟踪精度，有利于改善控制性能。有利于改善控制性能。有利于改善控制性能。


技术研发人员：樊启高 崔光明 刘跃跃 毕恺韬 艾建
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/16