多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立控制研究取得進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團(tuán)隊(duì)在微型機(jī)器人研究中取得進(jìn)展，針對(duì)相同磁場(chǎng)下多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人接收相同磁場(chǎng)而難以獨(dú)立控制的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出一種完全解耦的多磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人獨(dú)立控制策略，首次實(shí)現(xiàn)4個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立位置控制和3個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立路徑跟隨控制。

多個(gè)微型機(jī)器人可協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，從而增加系統(tǒng)冗余度和擴(kuò)展性，提高任務(wù)執(zhí)行效率。然而獨(dú)立控制多個(gè)由外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人具有挑戰(zhàn)，因?yàn)槿执艌?chǎng)中的多個(gè)微型機(jī)器人受到的磁場(chǎng)信號(hào)是相同的，難以實(shí)現(xiàn)選擇性地獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多個(gè)微型機(jī)器人中的某一個(gè)。

該研究提出一種新穎的多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人完全解耦的獨(dú)立控制策略，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制4個(gè)微型機(jī)器人分別去往不同目標(biāo)位置，以及控制3個(gè)微型機(jī)器人分別跟蹤不同的參考路徑。首先，設(shè)計(jì)了一種毫米級(jí)軟體微機(jī)器人，可被外界振蕩磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并在平面上進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)。其次，設(shè)計(jì)并制作了一系列具有相同幾何形狀但磁化方向不同的異構(gòu)軟體微型機(jī)器人，這些不同磁化方向的軟體微型機(jī)器人對(duì)振蕩磁場(chǎng)的速度響應(yīng)曲線相同，但相位不同。然后，基于異構(gòu)機(jī)器人的速度響應(yīng)模型，設(shè)計(jì)了最優(yōu)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制算法，可針對(duì)微機(jī)器人群期望的速度矩陣計(jì)算出相應(yīng)的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)策略，實(shí)現(xiàn)被選擇的一個(gè)機(jī)器人速度非零，其他的近似為零。

仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人完全解耦的獨(dú)立控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2至4個(gè)異構(gòu)軟體微型機(jī)器人的完全解耦獨(dú)立控制是可行的，且當(dāng)機(jī)器人數(shù)量不斷增加時(shí)，可能存在步態(tài)不穩(wěn)定、速度耦合的情況，但通過(guò)反饋控制得到優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)中采用了基于視覺(jué)的伺服控制方法，實(shí)現(xiàn)了最多4個(gè)微型機(jī)器人的位置控制和3個(gè)毫微米機(jī)器人的路徑跟蹤控制，控制誤差小于身體長(zhǎng)度的三分之一。研究還討論了最多可被獨(dú)立控制的微型機(jī)器人數(shù)量，探討了增加最大數(shù)量可能的方法。

相關(guān)成果發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Robotics上。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，以及廣東省、中科院、深圳市等科技項(xiàng)目的資助。

多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人獨(dú)立控制示意圖

多個(gè)磁矩異構(gòu)的軟體微型機(jī)器人在相同振蕩磁場(chǎng)中具體不同的速度響應(yīng)

多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人完全解耦的獨(dú)立控制策略框圖

多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人被獨(dú)立控制前往不同目標(biāo)位置

多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人被獨(dú)立控制跟隨不同參考路徑

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

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