(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211164823.9 (22)申请日 2022.09.23 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨 浦区四平路1239号 (72)发明人 何斌　张薇　周艳敏　王志鹏　 (74)专利代理 机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 312 25 专利代理师 严玉丹 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于磁场 的微纳米机器人集群多模态行为 调控方法及系统 (57)摘要 本发明涉及基于磁场的微纳米机器人集群 多模态行为调控 方法及系统， 所述的方法包括以 下步骤： S1、 判断微纳米机器人集群是执行单步 简单任务还 是多步复杂任务， 若为单步简单任务 则进入S3， 若 为多步复杂任 务则进入S2； S2、 根据 微纳米机器人集群执行动作和模态行为的顺序， 确定调控的时序组合方案； S3、 确定集群每一步 的动作和模态实现所需的磁场维度和类型； S4、 建立多维度磁感应强度表达式， 实现微纳米机器 人集群多模态行为调控； S5、 实时获取微纳米机 器人集群的位置及状态并实现集群的有效跟踪 及信息反馈。 与现有技术相比， 本发明方法泛化 通用、 鲁棒性强、 适应多类型场景和高精度调控 需求等优点。 权利要求书3页 说明书14页 附图7页 CN 115502973 A 2022.12.23 CN 115502973 A 1.一种基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法， 其特征在于， 所述的方法 包括以下步骤： S1、 根据预先设定的确定性任务， 判断微纳米机器人集群是执行单步简单任务还是多 步复杂任务， 若为单步简单任务则进入步骤S3， 若为多步复杂任务则进入步骤S2； S2、 根据确定性任务所需微纳米机器人集群执行动作和模态行为的顺序， 确定调控的 时序组合方案， 并执 行步骤S3； S3、 根据微纳米机器人集群与外部驱动磁场、 流体阻力场、 边界条件以及单体间相互作 用所揭示的动力学模型， 确定集群 每一步的动作和模态实现所需的磁场维度和类型； S4、 根据所需的磁场维度和类型建立多维度磁感应强度表达式， 实现微纳米机器人集 群多模态行为调控； S5、 根据集群多模态识别与跟踪方法， 实时获取微纳米机器人集群的位置及状态并实 现集群的有效跟踪及信息反馈 。 2.根据权利要求1所述的一种基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法， 其 特征在于， 所述的磁场为多维度磁场， 包括一维磁场、 二维磁场和三维磁场； 所述的一维磁 场包括静磁场和脉冲交变磁场； 所述的二维磁场包括极化旋转场和振荡场； 所述三维磁场 包括圆锥形磁场； 所述的磁感应强度表达式包 含多维度磁场的幅值、 频率和方向角信息 。 3.根据权利要求2所述的一种基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法， 其 特征在于， 所述的一维磁场磁感应强度表达式的建立包括以下步骤： S4011： 确定一维磁场的类型， 如为静磁场， 则磁感应强度表达式为： Bs＝Bsec 其中， Bs为磁感应 强度幅值， ec为静磁场在三维空间的方向； 如为脉冲交变磁场， 则转至 S4012； S4012： 如为脉冲交变 磁场， 则磁感应强度表达式为： Bp＝Bpu(t)ec 其中， Bp为磁感应强度幅值， u(t)为脉冲磁场函数， ec为脉冲交变磁场在三维空间的方 向； 所述的u(t)表示 为： 其中， k∈{0,1,2 …}， DC＝1％～ 99％， f为磁场交变频率； 所述的二维磁场磁感应强度表达式的建立包括以下步骤： S4021： 确定二维磁场的类型， 如为极化旋转场， 则转至S402， 如为振荡场， 则转至 S4023； S4022： 二维极化旋转场磁感应强度表达式的建立， 首先需要建立极化旋转场旋转轴矢 量的空间坐标， 定义旋转平面， 然后根据正交矢量间的关系， 建立绕旋转轴旋转的二 维矢量 表达式， 进一步设定磁感应强度的幅值和频率， 最后将 磁感应强度矢量进 行直角坐标变换， 分解到三维空间坐标系；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115502973 A 2S4023： 二维振荡场磁感应强度表达式的建立， 首先需要建立振荡平面法线的空间坐 标， 定义基线矢量和二维摆角， 由此确定振荡边界， 然后将基线作为纵轴， 与基线垂直的矢 量作为横轴， 分析振荡平面内各矢量间的关系， 建立以基线为中轴线的二维振荡矢量表达 式， 进一步设定磁感应强度幅值， 振荡频率， 最后将磁感应强度矢量进行直角坐标变换， 分 解到三维空间坐标系； 所述的三维磁场磁感应强度表达式的建立， 首先分析磁场的方向， 在三维空间中以坐 标原点为顶点绕任意轴旋转的圆锥形磁场的方向可由圆锥底面的法向即旋转轴矢量及锥 面矢量与旋转轴之间的夹角确定， 建立旋转轴矢量空间坐标， 定义锥面矢量， 以及锥面矢量 与旋转轴之间的夹角， 然后将锥面矢量沿旋转轴和垂直旋转轴 方向分解为两个分矢量， 平 行旋转轴的分矢量并不旋转， 垂直分矢量在圆锥底面绕旋转轴矢量旋转， 根据 空间矢量的 关系， 建立绕旋转轴旋转的三 维圆锥形矢量的表达式， 进一步设定磁感应强度幅值， 旋转频 率， 最后将磁感应强度矢量进行直角坐标变换， 分解到三维空间坐标系。 4.根据权利要求1所述的一种基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法， 其 特征在于， 所述的集群多模态 识别与跟踪方法具体包括以下步骤： S501： 基于微纳米机器人集群单一模态及潜在应用场景图像序列， 手动添加标注， 提取 集群模态的基本特 征； S502： 基于获取的基本特 征进行数据扩充， 构建特 征数据集； S503： 基于目标感知孪生图注意网络实现微纳米机器人集群任务执行过程中的实时动 态追踪， 并获取任务执 行过程中微纳米机器人集群的位置及状态信息 。 5.根据权利要求4所述的一种基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法， 其 特征在于， 所述的目标感知孪生图注意网络包括 特征提取孪生子网络， 用于提取特征模板和搜索图像的特征， 实现目标感知区域选择 机制； 目标信息嵌入图注意子网络， 基于图注意机制， 计算图节点的聚合表达， 将聚合后的特 征和原来的特 征组合， 构成增强的特 征表达， 产生用于分类回归的响应图； 目标定位分类回归子网络， 包括用于预测每个位置集群模态的类别信 息的分类分支和 用于计算该位置的目标边界框的回归分支； 所述的分类分支和回归分支共享由目标信息嵌 入图注意子网络 输出的响应图。 6.一种采用权利要求1所述的基于磁场的微纳米机器人集群多模态行为调控方法的系 统， 其特征在于， 所述的系统包括控制板卡(1)、 功率放大器(2)、 三维交流亥姆霍兹线圈 (3)、 三维移动平台(4)、 显微观测平台(5)、 基座(6)、 龙门式支撑框架(7)、 显微观测系统 (8)、 图像采集系统(9)、 防震平台(10)和上位机控制设备(11)； 所述的控制板卡(1)与功率 放大器(2)连接； 所述的功率放大器(2)与三维交流亥姆霍兹线圈(3)连接； 所述的三 维交流 亥姆霍兹线圈(3)、 三维移动平 台(4)和显微观测平台(5)设置于基座(6)上； 所述的龙门式 支撑框架(7)上搭载显微观测系统(8)和图像采集系统(9)； 所述的防震平 台(10)上搭载基 座(6)和龙门式支撑框架(7)； 所述的上位机控制设备(11)与控制板卡(1)连接， 通过局域网 发送控制信号至控制板卡(1)。 7.根据权利要求6所述的系统， 其特征在于， 所述的功率放大器(2)为三个； 所述的控制 板卡(1)分别与三个所述的功 率放大器(2)连接， 用于将 接收到的数字控制 信号转换为模拟权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115502973 A 3