毫米級磁驅動軟體微型機器人3D任意路徑的跟隨控制

　　近日，機器人與智能系統領域頂級學術會議——IEEE智能機器人與系統國際會議（International Conference on Intelligent Robots and Systems，IROS）在中國澳門舉行。中國科學院深圳先進技術研究院集成所智能仿生中心團隊發表的論文"Visual servoing of miniature magnetic film swimming robots for 3D arbitrary path following"，從2494篇投稿的文章中，經過文章和報告兩次評選，獲得最佳應用論文獎（IROS ICROS Best Application Paper Award）。副研究員徐天添和研究員吳新宇為論文共同通訊作者，徐天添課題組碩士研究生黃晨陽為論文第一作者，論文其余兩位作者為吳新宇的博士生劉佳、Laliphat Manamanchaiyaporn。這是中國大陸地區近十年來第一次獲得IROS的最佳論文獎項。

　　由外部磁場驅動的不受束縛的軟體微型機器人因其軟而靈活的身體結構，在微裝配、微創診斷、靶向送藥等方面都有著巨大的應用前景。論文報道了一種以硅膠為基質的帶磁性顆粒的軟體薄膜微型機器人，可以在外界旋轉磁場作用下自動形成螺旋形狀，并在粘性液體中游動。與剛性機器人相比，軟體薄膜機器人可與周圍環境發生柔性接觸，在未來生物醫學應用中，可以避免給組織器官造成損傷。磁驅動軟體薄膜微型機器人在靶向給藥，例如針對消化道內的腫瘤的靶向給藥方面有非常大的應用潛力。

　　論文提出了一種基于向量場的路徑跟隨控制算法并實現了毫米級磁驅動軟體微型機器人3D任意路徑的跟隨控制。三維路徑由關鍵點序列表示，相鄰點之間連接成的線段作為路徑子段。三維路徑跟隨控制任務可以看作是多個子段任務的組合，是一個迭代的過程。基于該控制算法設計的交互系統中，用戶可以通過3D繪圖鼠標繪制任意曲率的3D參考路徑。在整個閉環控制系統中，外環控制器為路徑跟隨控制器，通過向量場的方法計算出下一時刻機器人的理想前進方向。內環控制器為轉向控制器，針對參數不確定運動模型設計的控制算法計算下一時刻驅動線圈的驅動角向量。基于滑窗濾波和最小二乘設計的3D雙目視覺測量系統用于實時定位和估計機器人前進方向。該方法在未來的微型機器人遠程外科手術中具有非常重要的意義，外科手術醫生可以很方便地遠程繪制路徑，從而讓微型機器人自動完成路徑跟隨任務。