看過《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》的小伙伴們,還記得電影中這個(gè)微型磁力機(jī)器人嗎?這個(gè)機(jī)器人有著高度的靈活性,能組合成各種形狀完成各種高難度的任務(wù),可以說是純純的“黑科技”了。
在近年來,微型機(jī)器人已經(jīng)成為一個(gè)牽動(dòng)眾多領(lǐng)域向縱深發(fā)展的新興學(xué)科,它們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人在體內(nèi)操作的精確性和高效性現(xiàn)如今正是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
過去15年里,研究人員已經(jīng)發(fā)明了多種微型機(jī)器人,它們依賴化學(xué)反應(yīng)、磁力或振動(dòng)提供能量,但這些微型機(jī)器人經(jīng)常無法穩(wěn)定運(yùn)行。目前,這項(xiàng)技術(shù)有了新的突破!
(資料圖)
近日,來自江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器(ESO)的魯棒控制方法,實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的精確路徑跟蹤控制。該項(xiàng)研究以論文(Robust Control Strategy of Gradient Magnetic Drive for Microrobots Based on Extended State Observer)為題發(fā)表在中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊Cyborg and Bionic Systems(類生命系統(tǒng))上。
微型機(jī)器人有許多驅(qū)動(dòng)方法。其中基于磁場的驅(qū)動(dòng)方法在操作生物體內(nèi)的磁性微型機(jī)器人具有很大的優(yōu)勢,這是因?yàn)橄啾扔谄渌?qū)動(dòng)方式(光驅(qū)、電驅(qū)),磁場基本不會(huì)對生物體產(chǎn)生傷害!這種磁性微型機(jī)器人在目前廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如靶向給藥、細(xì)胞微操作、血管疏通等。
微型機(jī)器人的磁場驅(qū)動(dòng)方式一般分為旋轉(zhuǎn)磁場、振蕩磁場和梯度磁場,此次研發(fā)團(tuán)隊(duì)將針對一種梯度磁場驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展磁性微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)參數(shù)的不確定性和外界環(huán)境干擾視為總擾動(dòng)并通過設(shè)計(jì)的ESO觀測得到。然后將滑??刂婆c擾動(dòng)補(bǔ)償策略相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種路徑跟蹤控制器,以消除系統(tǒng)的總擾動(dòng)并實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人快速準(zhǔn)確跟蹤路徑。
▍微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制
由于微型機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中會(huì)受到各種干擾,影響其運(yùn)動(dòng)控制的精度。針對微型機(jī)器人路徑跟蹤控制過程中的擾動(dòng)問題,團(tuán)隊(duì)需要考慮兩個(gè)方面:
(1)微型機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置可以通過機(jī)器視覺獲得,但系統(tǒng)總擾動(dòng)無法直接測量,因此需要構(gòu)建ESO來觀測得到。
(2)設(shè)計(jì)一種結(jié)合滑??刂坪蛿_動(dòng)補(bǔ)償?shù)目刂破?,以消除總擾動(dòng)并抑制跟蹤誤差,保證路徑跟蹤的魯棒性。
微型機(jī)器人路徑跟蹤控制
微型機(jī)器人的路徑跟蹤過程,可以簡單地概括為:首先設(shè)計(jì)一條期望路徑,然后通過CCD相機(jī)獲取微型機(jī)器人的實(shí)際位置。微機(jī)器人的位置偏差由位置控制器處理并控制通入電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流來控制微機(jī)器人運(yùn)動(dòng),直至微機(jī)器人到達(dá)期望位置。
考慮到電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有二維工作空間,系統(tǒng)由兩對正交放置且參數(shù)相同的電磁線圈組成。因此,微型機(jī)器人在二維工作空間中的運(yùn)動(dòng)控制可以簡單地分為兩個(gè)方向上的獨(dú)立控制。微型機(jī)器人的位置誤差可以分解為x方向和y方向的誤差,如圖中所示。
路徑跟蹤分析
x軸上的位置誤差由x軸上的電磁線圈處理,產(chǎn)生x方向上的磁力驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人到達(dá)期望位置xr。同理,y軸上的位置誤差由y軸上的電磁線圈處理,產(chǎn)生y方向上的磁力驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人到達(dá)期望位置yr。
最后,就可以利用兩個(gè)方向的電磁線圈相互作用實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的路徑跟蹤啦。
你以為這樣就結(jié)束了?
上面介紹的是微型機(jī)器人的一般路徑跟蹤過程,最后要在此基礎(chǔ)之上添加團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的ESO和滑??刂破?,這樣微型機(jī)器人才能運(yùn)動(dòng)的更加“絲滑”。
微型機(jī)器人的魯棒控制
▍三次實(shí)驗(yàn),反復(fù)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所提控制方法的有效性,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中對磁性微型機(jī)器人進(jìn)行了路徑跟蹤控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如下↓↓↓
電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四個(gè)正交放置且參數(shù)相同的電磁線圈組成,工作空間大小為16 mm×16 mm。電磁線圈由軟磁鐵芯和線圈組成。研究人員們采用自行設(shè)計(jì)的軟磁鐵芯來增強(qiáng)磁通密度和磁場梯度。電磁線圈由可編程直流電源供電。
當(dāng)最大輸出電流為5 A時(shí),可在工作空間中心產(chǎn)生73.93 mT的磁通密度和8.68 T/m的梯度。實(shí)驗(yàn)選取直徑為300 μm、密度為1.3×103 kg/m3的球形磁性微型機(jī)器人作為驅(qū)動(dòng)對象。微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)介質(zhì)為硅油溶液。利用CCD工業(yè)攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取微型機(jī)器人的位置,并實(shí)現(xiàn)視覺反饋。在計(jì)算機(jī)上用Python語言編寫控制算法,計(jì)算機(jī)通過485總線與直流電源通信。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)在模擬血管結(jié)構(gòu)中設(shè)定了三種不同的實(shí)驗(yàn)路徑,為了突顯跟蹤效果,將提出的控制方法與傳統(tǒng)PID控制做了對比。
實(shí)驗(yàn)一:微型機(jī)器人跟蹤路徑1
(a)
微機(jī)器人路徑1的跟蹤結(jié)果:(a)跟蹤過程;(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(c)跟蹤誤差
實(shí)驗(yàn)二:微型機(jī)器人跟蹤路徑2
(a)
微機(jī)器人路徑2的跟蹤結(jié)果:(a)跟蹤過程;(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(c)跟蹤誤差
實(shí)驗(yàn)三:微型機(jī)器人跟蹤圓形路徑
(a)
微型機(jī)器人圓形路徑的跟蹤結(jié)果:(a)跟蹤過程;(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(c)跟蹤誤差
▍實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研發(fā)團(tuán)隊(duì)所提出的控制方法能夠成功地實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的路徑跟蹤控制,與傳統(tǒng)PID控制方法相比,表現(xiàn)出更好的跟蹤性能。該方法對復(fù)雜環(huán)境中的未知干擾和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性。
在接下來的研究中,團(tuán)隊(duì)希望在具備活體成像的硬件條件下,他們可以嘗試將這種控制方法應(yīng)用到真實(shí)的活體生物血管上。
關(guān)鍵詞: 江南大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出新方法 讓微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確路徑跟蹤控