一种具有人体尺度可达性与正交四电磁铁阵列的磁导航系统，用于多模式驱动及理论指导的场建模

《IEEE Robotics & Automation Magazine》：A Magnetic Navigation System With Human-Scale Reachability and an Orthogonal Four-Electromagnet Array for Multi-Mode Actuation and Theory-Guided Field Modeling

　　

摘要：

微创和血管内干预的磁导航系统需要人体尺度的可达性、本地多模式驱动能力以及适用于面向控制的分析的紧凑场模型，而现有系统难以同时满足这些要求。本文提出了一种基于四电磁铁阵列的磁导航系统（MNS），该阵列由两对正交电磁铁组成。在相同的硬件配置下，该阵列能够实现三种本地驱动模式：磁梯度力、由近均匀横向静磁场产生的静态磁扭矩，以及由近均匀旋转磁场产生的动态磁扭矩。借助机械臂辅助重定位，可将这种本地多模式能力扩展至人体尺度的可达范围。在面向控制的场分析方面，我们提出了一种理论引导的磁残差网络（TGMRN），该网络采用具有空间变化增益校正和电流门控弱残差项的空气核基函数来建模铁芯电磁铁的磁场。基于TGMRN，通过结合场合成与模式相关的正空间增益，构建了阵列参考场模型（ARFM），用于预测不同电流符号向量下的参考场的幅度和方向。TGMRN在域内测试集上的矢量均方根误差（VRMSE）为0.12?mT，L₂相对误差为0.52%。仅使用3 A下稀疏有限元法（FEM）数据拟合的空间增益，校准后的ARFM在其他18个电流水平上的平均VRMSE为0.219?mT，平均三维方向误差为0.895°。三模式驱动和脑血管体模导航实验验证了所提出的MNS和建模框架。