【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在醫(yī)療領(lǐng)域，低強(qiáng)度磁場(chǎng)無(wú)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的磁性微型機(jī)器人展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。這些機(jī)器人可以在面向醫(yī)療場(chǎng)景的狹小空間中運(yùn)動(dòng)，并完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù), 如靶向藥物遞送、微操作、微創(chuàng)手術(shù)等。
 

　　然而，磁性微型機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一便是如何利用可移動(dòng)的磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在人體尺度空間內(nèi)生成穩(wěn)定、高效的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，同時(shí)避免磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與人體或其他醫(yī)療設(shè)備的潛在碰撞安全問(wèn)題。
 

　　圖1. 可移動(dòng)多線(xiàn)圈磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磁性微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制示意圖。考慮到線(xiàn)圈與人體之間可能發(fā)生碰撞以及磁場(chǎng)需求，不同場(chǎng)景需要不同的線(xiàn)圈構(gòu)型(coil configuration)以提高驅(qū)動(dòng)效率。
 

　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，多電磁線(xiàn)圈系統(tǒng)可以通過(guò)高頻控制系統(tǒng)中每個(gè)線(xiàn)圈的電流生成復(fù)雜的磁場(chǎng)分布，這對(duì)多自由度操控或多模態(tài)磁場(chǎng)操控任務(wù)具有重要的意義。但現(xiàn)有可移動(dòng)磁控系統(tǒng)雖能覆蓋較大的工作空間，卻在磁場(chǎng)的各向同性?xún)?yōu)化方面仍存在空白，且在實(shí)際部署時(shí)易受外界環(huán)境因素的制約。
 

　　此外，現(xiàn)有研究方法大多聚焦于空間單一目標(biāo)點(diǎn)的磁場(chǎng)構(gòu)建，而忽視了目標(biāo)區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)分布的均衡性，這一局限性可能導(dǎo)致在特定空間方向上產(chǎn)生非預(yù)期的梯度力，進(jìn)而影響微型機(jī)器人的精確操控，成為制約其廣泛應(yīng)用的一大障礙。
 

　　提出新策略，實(shí)現(xiàn)空間局部區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)各向同性控制
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐天添研究員團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)合作，就人體空間尺度內(nèi)各向同性磁場(chǎng)調(diào)控這一問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。通過(guò)引入各向同性磁場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并詳細(xì)分析線(xiàn)圈數(shù)量和分布對(duì)于磁場(chǎng)分布的影響，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于性能引導(dǎo)的磁場(chǎng)多目標(biāo)優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了在約束工作空間中生成具有各向同性的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。該研究成果的相關(guān)論文以題為“Performance-Guided Rotating Magnetic Field Control in Large Workspaces with Reconfigurable Electromagnetic Actuation System”刊登在IEEE Transactions on Robotics期刊上。
 

論文上線(xiàn)截圖
 

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一套基于三臺(tái)六自由度機(jī)械臂構(gòu)成的可重構(gòu)電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(REMA)。為了驗(yàn)證所提方法的實(shí)用性與有效性，研究團(tuán)隊(duì)利用REMA系統(tǒng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，成功在微型機(jī)器人上完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。
 

　　中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院蔡明學(xué)副研究員為論文的第一作者、吳新宇研究員為共同作者。徐天添研究員和張立教授為該論文的通訊作者。
 

　　基于性能引導(dǎo)的磁場(chǎng)多目標(biāo)優(yōu)化策略：厘清線(xiàn)圈構(gòu)型與磁場(chǎng)分布
 

　　電磁線(xiàn)圈構(gòu)型，即線(xiàn)圈的數(shù)量和空間分布，對(duì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于利用高頻變化的磁力矩推進(jìn)的微型機(jī)器人而言，為了確保機(jī)器人在多樣化場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和精確性，常需采用不同的線(xiàn)圈構(gòu)型來(lái)提升磁場(chǎng)的各向同性，從而消除特定方向磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，同時(shí)降低線(xiàn)圈能量消耗。
 

　　得益于研究團(tuán)隊(duì)所提出的基于性能引導(dǎo)的磁場(chǎng)多目標(biāo)優(yōu)化策略，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型，從而使磁場(chǎng)在保證各向同性的同時(shí)，提高磁場(chǎng)的效率。
 

　　為了對(duì)這一優(yōu)化成果進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)并推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了一套全面的指標(biāo)體系，該體系專(zhuān)門(mén)用于在空間區(qū)域內(nèi)對(duì)不同線(xiàn)圈構(gòu)型所產(chǎn)生的磁場(chǎng)性能進(jìn)行量化評(píng)估。這一指標(biāo)體系不僅支持各向同性磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的精細(xì)設(shè)計(jì)，還為線(xiàn)圈構(gòu)型的深入分析提供了有力工具。為了進(jìn)一步提升磁場(chǎng)生成的靈活度與精確度，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)創(chuàng)性地引入了一種性能驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化流程，通過(guò)對(duì)線(xiàn)圈配置的精細(xì)調(diào)校，成功生成了具有高度各向同性特征的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，為微型機(jī)器人的精確操控與穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。
 

　　線(xiàn)圈配置的有效性緊密關(guān)聯(lián)于應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在圖2情景I中，三個(gè)線(xiàn)圈緊鄰機(jī)器人布置，以便在能量消耗較低的情況下生成較大磁場(chǎng)。然而，鑒于潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，同樣的線(xiàn)圈構(gòu)型在情景III中可能不會(huì)產(chǎn)生最佳效果。針對(duì)維持穩(wěn)定的各向同性磁場(chǎng)以及線(xiàn)圈耗能的挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一套在空間區(qū)域內(nèi)評(píng)估不同線(xiàn)圈構(gòu)型所產(chǎn)生磁場(chǎng)性能的指標(biāo)體系，包括磁場(chǎng)分布的各向同性指標(biāo)以及磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)矩陣的各向同性指標(biāo)。
 

　　具體來(lái)說(shuō)，首先在3D空間中定義不同方向的期望單位磁場(chǎng)，基于所采樣的線(xiàn)圈構(gòu)型，計(jì)算在空間區(qū)域內(nèi)實(shí)際生成的磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線(xiàn)。此外，還充分考慮了線(xiàn)圈與人體之間的避碰約束。研究人員通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，存在某個(gè)特定的線(xiàn)圈構(gòu)型，能使所設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到比較理想的效果。
 

圖2. 各向同性磁場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)及線(xiàn)圈構(gòu)型分析
 

　　鑒于不同的線(xiàn)圈構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)不同的局部磁場(chǎng)分布，因此，探索在指定空間內(nèi)尋找最佳線(xiàn)圈構(gòu)型以實(shí)現(xiàn)各向同性磁場(chǎng)控制的方法顯得尤為重要。值得注意的是，雖然讓線(xiàn)圈盡可能靠近目標(biāo)區(qū)域，可能會(huì)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流的比率，但磁場(chǎng)分布的各向同性可能會(huì)降。這表明：優(yōu)化一個(gè)性能指標(biāo)可能會(huì)以犧牲另一個(gè)指標(biāo)為代價(jià)。因此必須根據(jù)應(yīng)用需求做出權(quán)衡。
 

　　基于設(shè)計(jì)的四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和界定的線(xiàn)圈構(gòu)型空間，研究人員將尋找最佳線(xiàn)圈構(gòu)型的過(guò)程構(gòu)建為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)是最大化性能標(biāo)準(zhǔn)。為確保所生成磁場(chǎng)的各向同性和高效性，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種性能引導(dǎo)的優(yōu)化方法(如圖3)。
 

　　首先，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的限制，設(shè)計(jì)出可行的線(xiàn)圈構(gòu)型空間，以防止操作時(shí)發(fā)生碰撞。然后，基于上述的評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算每一個(gè)線(xiàn)圈構(gòu)型所生成磁場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)整線(xiàn)圈構(gòu)型和電流，最終生成帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型。該線(xiàn)圈構(gòu)型不僅在大工作空間內(nèi)避免了線(xiàn)圈碰撞，還確保了磁場(chǎng)具有各向同性和高效性，增強(qiáng)了在復(fù)雜環(huán)境下的磁場(chǎng)操控能力。
 

圖3. 基于性能引導(dǎo)的磁場(chǎng)多目標(biāo)優(yōu)化方法
 

　　為了證明帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型的有效性，研究人員從可行空間中采樣了兩個(gè)不同的線(xiàn)圈配置，并計(jì)算了對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)評(píng)估指標(biāo)。圖4結(jié)果表明，帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型在性能上優(yōu)于線(xiàn)圈構(gòu)型#1和線(xiàn)圈構(gòu)型#2。同時(shí)，為了評(píng)估線(xiàn)圈耗能問(wèn)題，研究人員針對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，計(jì)算了一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)線(xiàn)圈的累計(jì)電流，并發(fā)現(xiàn)帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型的電流消耗遠(yuǎn)低于其他兩種線(xiàn)圈構(gòu)型。此外，這三種線(xiàn)圈構(gòu)型中任意兩個(gè)線(xiàn)圈之間的最大電流消耗差異分別為5.2 A(線(xiàn)圈構(gòu)型#1)、6.9 A(線(xiàn)圈構(gòu)型#2)和2.6 A(帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型)。
 

圖4. 帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型和非優(yōu)化線(xiàn)圈構(gòu)型性能對(duì)比
 

　　可重構(gòu)電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)REMA：驗(yàn)證應(yīng)用前景
 

　　為了驗(yàn)證所提算法的可行性、有效性及其在不同磁驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中的適用性，研究人員特別開(kāi)發(fā)了一種可重構(gòu)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在三個(gè)獨(dú)立的機(jī)械臂末端安裝三個(gè)電磁線(xiàn)圈，不僅能夠在較大工作空間內(nèi)自由移動(dòng)，還能夠產(chǎn)生不同線(xiàn)圈構(gòu)型，為驗(yàn)證提出的線(xiàn)圈配置優(yōu)化策略提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持(如圖5)。此外，研究人員基于ROS框架構(gòu)建了整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)和仿真環(huán)境，大大提高了算法的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。
 

圖5. 可重構(gòu)電磁線(xiàn)圈系統(tǒng)
 

　　為了深入探索并驗(yàn)證應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)依托REMA平臺(tái)精心設(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)覆蓋了多種復(fù)雜環(huán)境，具體包括在2D tube環(huán)境、3D tube環(huán)境和3D自由空間環(huán)境中驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人。
 

　　1.碰撞約束場(chǎng)景下的不同帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型磁場(chǎng)控制研究
 

　　
 

　　為了驗(yàn)證所提方法在不同場(chǎng)景中的適應(yīng)性，研究團(tuán)隊(duì)特別關(guān)注了線(xiàn)圈構(gòu)型與人體之間的碰撞約束問(wèn)題。圖6展示了微型機(jī)器人在人體模型中不同深度位置時(shí)，優(yōu)化得到的不同的帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型。
 

圖6. 考慮碰撞約束下的帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人
 

　　可以明顯看出，在兩種不同深度下，線(xiàn)圈構(gòu)型存在顯著差異，這是因?yàn)樵趦?yōu)化過(guò)程中考慮了線(xiàn)圈與人體之間可能發(fā)生的碰撞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩種不同的構(gòu)型下，機(jī)器人均展現(xiàn)出良好的運(yùn)動(dòng)性能，從而證明了該方法在磁場(chǎng)控制中的有效性。
 

　　2.帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型對(duì)梯度力影響的減弱作用研究
 

　　
 

　　非優(yōu)化線(xiàn)圈構(gòu)型可能會(huì)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的反方向或者側(cè)面產(chǎn)生較大梯度力，進(jìn)而阻礙其正常運(yùn)動(dòng)。為了證明這一影響是由梯度力引起的，研究人員生成了兩種線(xiàn)圈構(gòu)型：非優(yōu)化線(xiàn)圈構(gòu)型和帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型，并且設(shè)置了相同的目標(biāo)磁場(chǎng)參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在三維自由空間中運(yùn)動(dòng)。
 

圖7. 不同線(xiàn)圈構(gòu)型所產(chǎn)生的梯度力對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響
 

　　從圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：非優(yōu)化線(xiàn)圈構(gòu)型在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)反方向產(chǎn)生了較大的梯度力(94.3 mN),導(dǎo)致在0秒到12秒的三維空間中沒(méi)有產(chǎn)生有效位移(即stalling狀態(tài))。相比之下，帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型由于能夠保持磁場(chǎng)的各向同性，最大限度的消除梯度力(5.3mN)的影響，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)動(dòng)。
 

　　3.帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型下機(jī)器人在3D空間中路徑跟蹤控制研究
 

　　
 

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型在精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)3D路徑跟蹤任務(wù)上的能力，研究人員利用雙目立體視覺(jué)實(shí)時(shí)追蹤機(jī)器人在3D空間中的位置信息，并借助純路徑跟蹤的控制方法來(lái)調(diào)控磁場(chǎng)參數(shù)，使機(jī)器人在3D空間中完成了精確路徑跟蹤。如圖8所示的結(jié)果表明，機(jī)器人能夠較好跟蹤預(yù)設(shè)的三維路徑，跟蹤誤差保持在較小范圍。
 

圖8. 帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型下機(jī)器人在3D空間中路徑跟蹤控制
 

　　4.實(shí)時(shí)生成帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型消除3D管道環(huán)境中梯度力影響的研究
 

　　
 

　　在之前的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，線(xiàn)圈構(gòu)型一直保持不變，而在本實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)展示了在機(jī)器人控制過(guò)程中如何從非優(yōu)化線(xiàn)圈構(gòu)型切換到帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型，以消除梯度力的影響。為了進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)驗(yàn)前半段(圖9(a)，案例I和案例II中使用了相同的線(xiàn)圈構(gòu)型來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。圖9(b)顯示，在這兩種案例下，機(jī)器人都受到了梯度力的影響，但在案例II中，當(dāng)線(xiàn)圈構(gòu)型變換到帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型時(shí)，梯度力顯著降低(從61.4 mN下降到4.2 mN)，這種降低是因?yàn)閮?yōu)化的線(xiàn)圈構(gòu)型有效地減輕了意外梯度力的影響，機(jī)器人恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)，如圖9(c)所示。
 

圖9. 帕累托最優(yōu)線(xiàn)圈構(gòu)型在3D管道環(huán)境中消除梯度力對(duì)機(jī)器人影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)
 

　　上述各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有力地證明，研究團(tuán)隊(duì)所提出的優(yōu)化策略及開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在磁操縱領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能，同時(shí)展現(xiàn)出了極強(qiáng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，能夠輕松應(yīng)對(duì)多樣化的可變環(huán)境挑戰(zhàn)。
 

　　盡管研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了顯著成果，但現(xiàn)有的方法仍面臨一些局限性，尤其是在生物流體環(huán)境等生理?xiàng)l件下的應(yīng)用亟待深入研究和解決。團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推動(dòng)磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在更復(fù)雜、更多變場(chǎng)景中的應(yīng)用，積極探索創(chuàng)新方法，聚焦于開(kāi)發(fā)基于人工智能驅(qū)動(dòng)的磁控機(jī)器人系統(tǒng)，確保其在生物醫(yī)學(xué)及其他前沿領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、可靠的運(yùn)動(dòng)控制，并進(jìn)一步拓展應(yīng)用前景。