一种可重构铁磁流体液滴机器人的自主导航控制系统

本发明涉及适用于医疗手术用途的微纳机器人领域，特别是涉及一种可重构铁磁流体液滴机器人的自主导航控制系统。

背景技术：

1、磁场驱动的微纳机器人具有体积小，可远程操作的显著优势。通过在时间和空间上对外部磁场进行调控，可以实现微纳机器人的精准控制，在药物传送、生物传感、环境修复、活性材料组装等方面具有广阔的应用前景。然而，受限于闭环控制系统，目前微纳机器人只能在二维或者三维空间内沿着预定的路径朝特定的目标点运动，无法适应复杂多变的任务需求；此外，由于磁性材料与全局磁场相互作用的性质，机器人群体的独立控制与协同规划充满着挑战。特别是，具有自适应形态变换能力的可重构液滴机器人的自动化编队协作，更是能将操纵任务的挑战提升到一个新的水平。

2、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术中存在的缺陷，提供一种可重构铁磁流体液滴机器人的自主导航控制系统。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种可重构铁磁流体液滴机器人的自主导航控制系统，包括：

4、多个铁磁流体液滴机器人，具有超顺磁性和液体属性，能够在外部磁场的作用下产生感应磁矩，实现与外部磁场方向对齐，并可通过改变形状以最小化内能，能够在磁场梯度下受到与其体积大小成正相关的磁力；具备可编程重构的能力，包括分离、合并和变换形状；

5、分布式磁场生成单元，其包括按阵列排列的多个电磁铁，用于产生局部非均匀梯度磁场，实现对铁磁流体液滴机器人的可寻址操作和群体协同驱动；

6、环境感知单元，通过视觉系统检测铁磁流体液滴机器人和障碍物的实时位置信息，进行铁磁流体液滴机器人群体的多目标位置检测、跟踪和定位以及环境信息感知；

7、运动规划单元，根据每个铁磁流体液滴机器人的位置和障碍物信息，通过路径规划算法，检测和处理路径冲突，为铁磁流体液滴机器人编队规划无碰撞运动路径；

8、闭环控制器，根据来自所述环境感知单元的反馈信息调整铁磁流体液滴机器人的运动状态，使其按所述运动规划单元规划的路径移动，适应不同的运动需求，并动态控制液滴机器人的形状变化以适应周围环境变化，以实现闭环反馈控制；

9、驱动控制单元，与所述闭环控制器相连，根据其控制信号驱动所述分布式磁场生成单元中的电磁铁，精确操控铁磁流体液滴机器人群体的协同运动。

10、进一步地，所述驱动控制单元包括通讯交互的计算机和嵌入式系统，所述计算机作为系统的中央处理单元，处理控制信号并生成控制指令，所述嵌入式系统接收所述计算机的指令，控制电流驱动板输出电流，以调制分布式局部磁场，实现液滴机器人的可编程运动和变形。

11、进一步地，所述分布式磁场生成单元包括阵列排列的多个电磁铁，每个电磁铁单独连接到电源，通入大小、方向和频率不同的电流时，能够按需产生特定的时变磁场，磁场的大小和作用范围与施加的电流有关，单个电磁铁产生的磁场表示为：

12、

13、其中 µ 0为真空磁导率， n为线圈的总匝数， i为通过线圈的电流， m为铁芯的磁化强度，z为空间中沿z轴方向到电磁铁表面的距离， l为线圈绕组的长度， r为线圈的半径，和 r分别为铁芯的长度和半径；

14、当铁磁流体液滴机器人处于电磁铁产生的非均匀梯度场中时，铁磁流体会被磁化，从而受到外部磁场的影响，磁力表示为：

15、

16、其中 v表示磁流体液滴的体积，m表示磁流体液滴的磁化强度，b表示外部磁场的磁通密度。

17、进一步地，所述分布式磁场生成单元的驱动模式包括单线圈驱动模式和双线圈驱动模式；

18、在所述单线圈驱动模式下，通过激活铁磁流体液滴机器人相邻的线圈，产生一个局部磁场将顺磁性液滴磁化，吸引铁磁流体液滴机器人运动到线圈的中心；

19、在所述双线圈驱动模式下，通过给相邻线圈施加相反的电流，铁磁流体液滴机器人在磁场的作用下首先被拉伸成条形，进而通过改变激活的线圈促使铁磁流体液滴机器人保持流线型移动，同时，通过给相邻线圈施加相同的电流，诱导铁磁流体液滴机器人分裂，从而能够穿越比自身小的狭窄受限空间。

20、进一步地，所述环境感知单元检测工作空间的静态和动态物体，包括障碍物位置、非结构化场景特征以及铁磁流体液滴机器人的运动参数，进行场景识别、地图构建和多目标跟踪定位，具体包括：获取相机的第一帧图像，采用基于支持向量机的机器视觉算法对障碍物、可行域、铁磁流体液滴机器人进行识别分类，提取工作空间中的潜在路径点、障碍物的边界信息以及液滴机器人的数量和每个机器人对应的坐标；将现实地图映射到仿真环境中，构建地图模型；通过多目标跟踪算法进行机器人跟踪并实时更新其位置坐标，并对电磁铁的位置进行标定，用于激活相应的线圈独立驱动液滴机器人。

21、进一步地，根据环境信息感知，控制铁磁流体液滴机器人在运动过程中通过变形或分裂为体积更小的子液滴来适应非结构化环境；所述运动过程分为三种状态：初始状态，铁磁流体液滴机器人在单线圈驱动下进行可控移动；拉伸状态，铁磁流体液滴机器人在多线圈驱动下变形成长条状移动；分裂状态，铁磁流体液滴机器人分裂成多个子液滴移动。

22、进一步地，所述环境感知单元在机器人形态切换过程中对其进行形状检测，包括：

23、图像预处理子单元，用于将相机获取的彩色图像转换为灰度图像，并进行高斯模糊操作以平滑图像，然后采用canny边缘检测算法获取图像中机器人的边缘信息；

24、特征提取子单元，用于采用基于模板匹配的方法将目标形状与已知模板进行匹配，寻找相似度，并利用形状的几何特征进行分类；

25、形状识别子单元，用于根据提取的几何特征识别出铁磁流体液滴机器人的形态。

26、进一步地，所述闭环控制器采用有限状态机构建可重构液滴机器人在各模态之间的相互转换策略，其中，建立相应的状态表和动作查询表，根据触发事件进行状态的切换；其中，当前方路径不存在阻挡时，控制铁磁流体液滴机器人保持初始状态运动；当前方路径存在受限空间时，控制铁磁流体液滴机器人根据空间特征变形为长条状运动或是分裂为子液滴运动。

27、进一步地，所述运动规划单元使用增量式冲突搜索（icbs）路径规划，用于在动态变化的工作环境中进行路径规划，具体包括：

28、冲突信息保留单元，用于在环境或任务发生变化时保留之前的搜索信息，尤其是路径的冲突信息；

29、初始路径规划子单元，用于在初始情况下为所有机器人计算初始路径，并检测冲突，将问题分为高层的冲突检测和低层的单个机器人路径搜索；

30、动态变化检测单元，用于检测环境或任务变化，包括新的障碍物、机器人数量改变以及目标点变化等，并识别出受影响的机器人；

31、增量式冲突处理单元，用于对受影响的机器人路径进行局部调整，最小化冲突区域，以减少路径规划和计算的成本，确保变化后的规划结果仍然无冲突；

32、其中，高层的冲突检测在检测到多机器人路径冲突时，创建约束并将冲突划分为多个分支，而低层的路径搜索使用经典的路径规划算法（如d*）为每个机器人求解路径，同时满足从高层传递的约束条件，直至所有机器人的路径都没有冲突。

33、进一步地，所述运动规划单元进一步包括：

34、静态避障规划子单元，用于在仅存在静态障碍物时，为机器人群体规划无碰撞路径，使机器人满足物理约束并避开障碍物到达目标点；

35、冲突树构建子单元，用于在检测到机器人路径冲突时，在高层构建冲突树，并在冲突树中为每个冲突生成两个子节点，每个子节点分别约束一个冲突机器人的路径，以强制避开冲突；

36、路径更新子单元，用于在低层采用d*路径规划算法更新路径，并在更新后继续检测新的冲突，直至所有冲突解决；

37、环境变化响应子单元，用于在工作空间出现新增障碍物时，接收环境感知单元传递的变化信息，并根据新的环境地图进行局部路径调整，以实现避障；

38、动态路径调整子单元，用于在检测到环境中新增多个障碍物时，根据更新的环境地图重新规划可行路径，使得机器人能够成功到达目标位置；

39、其中，所述静态避障规划子单元确保机器人之间的距离约束设定为两个线圈的长度，以避免相邻线圈磁场的相互干扰，且在存在路径交叉的情况下保证同一时间步内机器人之间无冲突。

40、本发明具有如下有益效果：

41、本发明提供一种可重构铁磁流体液滴机器人的自主导航控制系统，实现了液滴机器人群体的全自动化操作。本发明创新地将机器人环境感知、运动规划、模态转换和驱动控制进行一体化设计。运动规划单元根据感知到的环境信息，为可重构机器人编队计算出最优路径，实时进行动态更新；驱动控制单元根据规划的路径驱动液滴机器人朝着目标点移动，同时在运动过程中根据环境信息进行模态转换。上述设计能够解决传统微机器人系统面临的自适应性差、功能形式单一等问题，为可重构铁磁流体液滴机器人的自主导航控制提供了解决方案。

42、本发明为可重构铁磁流体液滴机器人群体提供了一种高效灵活的操作方案，突破了传统微纳机器人在自适应性和功能多样性方面的局限。系统采用分布式磁场生成平台，结合阵列排列的电磁铁，实现了对液滴机器人的独立可寻址操作和群体协同驱动，使得机器人能够在复杂环境下进行自主导航。通过基于视觉引导的方法，系统能够实现机器人在受限场景下的自适应形态转换，而多机器人运动规划策略则确保了编队在面对动态变化时的有效协作。闭环控制系统利用环境感知单元的实时反馈，动态调整液滴机器人的运动状态和形态，以适应不断变化的任务需求。这种一体化设计不仅提高了操作的精确性和适应性，还扩展了液滴机器人在药物传送、生物传感、环境修复和活性材料组装等领域的应用潜力，展现了高度的创新性和实用性。

43、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。