IEEE TRO | 多個磁驅(qū)動軟體微型機器人的獨立控制
近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團隊在微型機器人領(lǐng)域取得新進展。針對相同磁場下多個磁驅(qū)動軟體微型機器人接收相同磁場而難以獨立控制的問題，團隊提出了一種完全解耦的多磁驅(qū)動軟體微型機器人獨立控制策略，首次實現(xiàn)了4個磁性軟體微型機器人的獨立位置控制和3個磁性軟體微型機器人的獨立路徑跟隨控制。
研究成果以“Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following”為題，發(fā)表在機器人領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Robotics（JCR 一區(qū)，影響因子：5.567）。智能仿生中心徐天添研究員為第一作者，吳新宇研究員為通訊作者。其他作者中，博士生黃晨陽完成了算法實現(xiàn)及實驗驗證，碩士生賴證宇協(xié)助完成實驗。IEEE Transactions on Robotics是IEEE旗下機器人與自動化協(xié)會的匯刊，是國際機器人領(lǐng)域頂級期刊之一，每年收錄論文僅一百余篇。
論文上線截圖
多個微型機器人可以協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，從而增加系統(tǒng)的冗余度和擴展性，提高任務(wù)的執(zhí)行效率。然而，獨立控制多個由外界磁場驅(qū)動的微型機器人是具有挑戰(zhàn)的，因為全局磁場中的多個微型機器人受到的磁場信號是相同的，難以實現(xiàn)選擇性地獨立驅(qū)動多個微型機器人中的某一個。因此，如何實現(xiàn)相同磁場下獨立解耦地控制多個微型機器人運動，使得每個機器人可以獨立地被選擇驅(qū)動，是非常具有挑戰(zhàn)的工作。
圖1:多個磁驅(qū)動軟體微型機器人獨立控制示意圖
研究團隊提出了一種新穎的多個磁驅(qū)動微型機器人完全解耦的獨立控制策略，可以實現(xiàn)獨立控制四個微型機器人分別去往不同目標(biāo)位置，以及控制三個微型機器人分別跟蹤不同的參考路徑。首先，研究團隊設(shè)計了一種毫米級軟體微機器人，可以被外界振蕩磁場驅(qū)動，并在平面上進行爬行運動。其次，設(shè)計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)軟體微型機器人，這些不同磁化方向的軟體微型機器人對振蕩磁場的速度響應(yīng)曲線相同，但相位不同。然后，基于異構(gòu)機器人的速度響應(yīng)模型，設(shè)計了最優(yōu)獨立驅(qū)動控制算法，可以針對微機器人群期望的速度矩陣計算出相應(yīng)的最優(yōu)驅(qū)動磁場策略，實現(xiàn)如被選擇的一個機器人速度非零，其他的近似為零。
圖2: 多個磁矩異構(gòu)的軟體微型機器人在相同振蕩磁場中具體不同的速度響應(yīng)
圖3:多個磁驅(qū)動軟體微型機器人完全解耦的獨立控制策略框圖
通過仿真及實驗驗證了多個磁驅(qū)動微型機器人完全解耦的獨立控制策略。實驗結(jié)果表明，2 ~ 4個異構(gòu)軟體微型機器人的完全解耦獨立控制是可行的，且當(dāng)機器人數(shù)量不斷增加時，可能存在步態(tài)不穩(wěn)定、速度耦合的情況，但通過反饋控制得到優(yōu)化。實驗中采用了基于視覺的伺服控制方法，實現(xiàn)了最多4個微型機器人的位置控制和3個毫微米機器人的路徑跟蹤控制，控制誤差小于身體長度的三分之一。論文中還討論了最多可被獨立控制的微型機器人數(shù)量，并探討了增加最大數(shù)量可能的方法。
圖4: 多個磁驅(qū)動軟體微型機器人被獨立控制前往不同目標(biāo)位置
圖5: 多個磁驅(qū)動軟體微型機器人被獨立控制跟隨不同參考路徑
未來，通過本研究提出的獨立控制策略，多個微型機器人有望在生物醫(yī)學(xué)、微操作等領(lǐng)域協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)。
該系列研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然基金、廣東省、中科院青促會、深圳市等科技項目資助。
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9740251
T. Xu, C. Huang, Z. Lai and X. Wu, "Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following," in IEEE Transactions on Robotics, doi: 10.1109/TRO.2022.3157147.
