通过机器人驱动的永磁体和多个电磁铁实现协同磁操控

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：Collaborative Magnetic Manipulation by Robotically Actuated Permanent Magnet and Multiple Electromagnets

本研究提出磁导航混合驱动策略，结合ActPM与EMS以有效操纵大质量磁纳米机器人在非约束低粘度流体中悬浮，通过优化电磁铁配置和设计双PID控制器、扩展状态观测器及卡尔曼滤波，显著提升磁力稳定性与控制鲁棒性，同时降低高频率位置反馈需求。

　　

摘要：

磁力操控在生物医学应用中展现出巨大的潜力。当需要操控质量较大的微型机器人时，通常需要使用大型电磁系统（EMS）或可驱动的永磁体（ActPM）来产生足够的磁力以抵消重力的影响。然而，EMS的能效较低，而ActPM由于永磁体产生的磁力具有非线性特性，在提供稳定控制方面存在困难。在这项研究中，我们提出了一种以ActPM为主要执行器、辅以EMS的磁导航方案。该方法能够使宏观尺度的磁性机器人在无约束、低粘度的牛顿流体中实现有效悬浮，显著提高了磁力的稳定性，并降低了EMS的功耗。此外，我们还设计了一种混合驱动策略，并构建了用于协同磁力操控的磁模型。电磁铁的最小数量和配置已经得到了优化。以胶囊内窥镜为例，我们提出了一种针对受控物体的重量选择方法，确保在工作范围内所有位置和姿态下的完全可控性。进一步地，胶囊的悬浮控制通过一个专门设计的控制框架实现，该框架包括双PID控制器、扩展状态观测器和卡尔曼滤波器。仿真结果表明，混合驱动方法增强了力的稳定性和控制的鲁棒性，同时减少了对高频位置反馈的需求。