IEEE TRO | 多个磁驱动软体微型机器人的独立控制
近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所智能仿生中心团队在微型机器人领域取得新进展。针对相同磁场下多个磁驱动软体微型机器人接收相同磁场而难以独立控制的问题，团队提出了一种完全解耦的多磁驱动软体微型机器人独立控制策略，首次实现了4个磁性软体微型机器人的独立位置控制和3个磁性软体微型机器人的独立路径跟随控制。
研究成果以“Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following”为题，发表在机器人领域权威期刊IEEE Transactions on Robotics（JCR 一区，影响因子：5.567）。智能仿生中心徐天添研究员为第一作者，吴新宇研究员为通讯作者。其他作者中，博士生黄晨阳完成了算法实现及实验验证，硕士生赖证宇协助完成实验。IEEE Transactions on Robotics是IEEE旗下机器人与自动化协会的汇刊，是国际机器人领域顶级期刊之一，每年收录论文仅一百余篇。
论文上线截图
多个微型机器人可以协同执行复杂的任务，从而增加系统的冗余度和扩展性，提高任务的执行效率。然而，独立控制多个由外界磁场驱动的微型机器人是具有挑战的，因为全局磁场中的多个微型机器人受到的磁场信号是相同的，难以实现选择性地独立驱动多个微型机器人中的某一个。因此，如何实现相同磁场下独立解耦地控制多个微型机器人运动，使得每个机器人可以独立地被选择驱动，是非常具有挑战的工作。
图1:多个磁驱动软体微型机器人独立控制示意图
研究团队提出了一种新颖的多个磁驱动微型机器人完全解耦的独立控制策略，可以实现独立控制四个微型机器人分别去往不同目标位置，以及控制三个微型机器人分别跟踪不同的参考路径。首先，研究团队设计了一种毫米级软体微机器人，可以被外界振荡磁场驱动，并在平面上进行爬行运动。其次，设计并制作了一系列具有相同几何形状但磁化方向不同的异构软体微型机器人，这些不同磁化方向的软体微型机器人对振荡磁场的速度响应曲线相同，但相位不同。然后，基于异构机器人的速度响应模型，设计了最优独立驱动控制算法，可以针对微机器人群期望的速度矩阵计算出相应的最优驱动磁场策略，实现如被选择的一个机器人速度非零，其他的近似为零。
图2: 多个磁矩异构的软体微型机器人在相同振荡磁场中具体不同的速度响应
图3:多个磁驱动软体微型机器人完全解耦的独立控制策略框图
通过仿真及实验验证了多个磁驱动微型机器人完全解耦的独立控制策略。实验结果表明，2 ~ 4个异构软体微型机器人的完全解耦独立控制是可行的，且当机器人数量不断增加时，可能存在步态不稳定、速度耦合的情况，但通过反馈控制得到优化。实验中采用了基于视觉的伺服控制方法，实现了最多4个微型机器人的位置控制和3个毫微米机器人的路径跟踪控制，控制误差小于身体长度的三分之一。论文中还讨论了最多可被独立控制的微型机器人数量，并探讨了增加最大数量可能的方法。
图4: 多个磁驱动软体微型机器人被独立控制前往不同目标位置
图5: 多个磁驱动软体微型机器人被独立控制跟随不同参考路径
未来，通过本研究提出的独立控制策略，多个微型机器人有望在生物医学、微操作等领域协作完成复杂的任务。
该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然基金、广东省、中科院青促会、深圳市等科技项目资助。
原文链接：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.
