混合磁驱动系统在磁控连续体介入机器人中的设计与实现：解决高调控能力与强励磁功率矛盾的创新方案

《Sensors and Actuators A: Physical》：Design and Implementation of a Hybrid Magnetic Actuation System for Magnetic Continuum Intervention Robots

本文提出一种集成电磁-永磁混合磁驱动系统（HMAS），结合粗调（机器人臂）与微调（电流调节）双阶段驱动策略，解决了磁控连续体介入机器人（MCI-Robots）高调控能力与强励磁功率间的矛盾。通过遗传算法优化磁源拓扑结构，在满足调控需求和机械臂负载限制下最大化磁场生成。实验表明，机器人偏转比可在-32.35%至22.81%范围内动态调整，在2D叶脉和3D血管模型中验证了快速路径选择和动态偏转调整能力，为血管介入手术提供了更安全、精准的机器人操作平台。

　　

亮点

混合磁驱动系统的设计

图2展示了一种混合磁源，其特点是在空心螺线管结构中心放置永磁体。为提供双向对称磁场，混合磁体采用对称结构。所提出的混合磁体的几何设计没有唯一的确定解。通常存在以下几种可能的结构：(i) 单个整体线圈（电磁线圈上表面等于或低于永磁体上表面）

MCI-Robots的制备

为保留机器人原有的机械性能，我们分别制备了磁导丝头端，并通过热缩管（TPU）将其与原始导丝连接，形成完整的磁介入机器人。

具体制备过程如下（图8），部分基于Y. Kim等人提出的方法。首先，对钕铁硼（NdFeB）颗粒（MQP-15-7, Magnequench）进行二氧化硅包覆以减少其腐蚀性。弹性基体材料

功能演示与验证

传统的连续体介入机器人转向严重依赖预成形和旋转，难以实现高精度的运动路径控制。我们开发的系统包括HMAS、MCI-Robots、机器人臂（AUBO-i10, 遨博（北京）机器人技术有限公司）、导丝驱动器、控制器、摄像头和电源（SP300VAC5000W, 北京泉天科技有限公司），如图9所示。机器人臂控制混合磁驱动系统的空间位置和方向

结论

在这项工作中，我们介绍了一种用于微创血管内介入的集成电磁-永磁驱动系统。这种混合磁体使磁控连续体介入机器人能够实现粗调方向调整和偏转角的微调，在血管环境中提供了更好的控制和导航精度。在此基础上，我们开发了磁源的拓扑优化模型，重点关注磁场等关键因素