在医疗规模麻豆 夏晴子，低强度磁场无线脱手的磁性小型机器东谈主展现出繁多的应用出息。这些机器东谈主不错在面向医疗场景的短促空间中通晓，并完成复杂功课任务， 如靶向药物寄递、微操作、微创手术等。
但是，磁性小型机器东谈主的实质应用也面对一些挑战。环节挑战之一即是如何欺诈可移动的磁脱手系统在东谈主体模范空间内生成认知、高效的动态磁场，同期幸免磁脱手系统与东谈主体或其他医疗成立的潜在碰撞安全问题。
图1. 可移动多线圈磁脱手系统齐备磁性小型机器东谈主通晓收敛默示图。辩论到线圈与东谈主体之间可能发生碰撞以及磁场需求，不同场景需要不同的线圈构型（coil configuration）以提高脱手效能。
针对这一挑战，多电磁线圈系统不错通过高频收敛系统中每个线圈的电流生成复杂的磁场漫衍，这对多解放度操控或多模态磁场操控任务具有进军的兴趣。但现存可移动磁控系统虽能遮掩较大的使命空间，却在磁场的各向同性优化方面仍存在空缺，且在实质部署时易受外界环境成分的制约。
此外，现存究诘方法大多聚焦于空间单一主张点的磁场构建，而惨酷了主张区域内磁场漫衍的平衡性，这一局限性可能导致在特定空间方进取产生非预期的梯度力，进而影响小型机器东谈主的精确操控，成为制约其泛泛应用的一大忙绿。
▍提倡新战术，齐备空间局部区域内磁场各向同性收敛
近日，来自中国科学院深圳先进工夫究诘院徐天添究诘员团队与香港华文大学张立教养团队强强和解就东谈主体空间模范内各向同性磁场调控这一问题进行了深刻究诘。通过引入各向同性磁场的评价规画，并详确分析线圈数目和漫衍对于磁场漫衍的影响，究诘团队提倡了一种基于性能辅导的磁场多主张优化战术，齐备了在拘谨使命空间中生成具有各向同性的动态磁场。
此外，究诘团队还研发了一套基于三台六解放度机械臂组成的可重构电磁线圈脱手系统(REMA)。为了考据所提方法的实用性与灵验性，究诘团队欺诈REMA系统产生的旋转场，得手在小型机器东谈主上完成了联系实验应用。
现在该究诘效果的联系论文已刊登在机器东谈主规模顶级期刊IEEE Transactions on Robotics上，题为《Performance-Guided Rotating Magnetic Field Control in Large Workspaces with Reconfigurable Electromagnetic Actuation System》，论文的第一作家为中国科学院深圳先进工夫究诘院蔡明学副究诘员。
那么该究诘具体内容是怎么的呢？接下来，沿路来和机器东谈主大讲堂深刻探索！
▍基于性能辅导的磁场多主张优化战术：厘清线圈构型与磁场漫衍
电磁线圈构型，即线圈的数目和空间漫衍，对产生的磁场漫衍起着至关进军的作用。对于欺诈高频变化的磁力矩推动的小型机器东谈主而言，为了确保机器东谈主在各种化场景下的通晓认知性和精确性，常需禁受不同的线圈构型来擢升磁场的各向同性，从而打消特定主张磁场强弱变化对机器东谈主通晓的影响，同期裁减线圈能量破费。
收获于究诘团队所提倡的基于性能辅导的磁场多主张优化战术，究诘东谈主员概况齐备帕累托最优线圈构型，从而使磁场在保证各向同性的同期，提高磁场的效能。
为了对这一优化效果进行实证进修并推动其实质应用，究诘团队领先构建了一套全面的规画体系，该体系挑升用于在空间区域内对不同线圈构型所产生的磁场性能进行量化评估。这一规画体系不仅支执各向同性磁场评价规画的概述瞎想，还为线圈构型的深刻分析提供了有劲器具。为了进一步擢升磁场生成的活泼度与精确度，团队还草创性地引入了一种性能脱手的优化经过，通过对线圈配置的概述调校，得手生成了具有高度各向同性特征的旋转磁场，为小型机器东谈主的精确操控与认知通晓提供了坚实的工夫撑执。
详确而言：线圈配置的灵验性紧密关联于应用场景，举例，在图2情景I中，三个线圈紧邻机器东谈主叮属，以便在能量破费较低的情况下生成较大磁场。但是，鉴于潜在的碰撞风险，相似的线圈构型在情景III中可能不会产生最好效果。针对保管认知的各向同性磁场以及线圈耗能的挑战，究诘东谈主员斥地了一套在空间区域内评估不同线圈构型所产生磁场性能的规画体系，包括磁场漫衍的各向同性规画以及磁场脱手矩阵的各向同性规画。具体来说麻豆 夏晴子，领先在3D空间中界说不同主张的盼愿单元磁场，基于所采样的线圈构型，规画在空间区域内实质生成的磁场评价规画弧线。此外，还充分辩论了线圈与东谈主体之间的避碰拘谨。究诘东谈主员通过分析发现，存在某个特定的线圈构型，能使所瞎想的评价规画达到比较理思的效果。
图2. 各向同性磁场评价规画瞎想及线圈构型分析
鉴于不同的线圈构型不错齐备不同的局部磁场漫衍，因此，探索在指定空间内寻找最好线圈构型以齐备各向同性磁场收敛的方法显得尤为进军。值得注重的是，天然让线圈尽可能围聚主张区域，可能会提高磁场强度与电流的比率，但磁场漫衍的各向同性可能会降。这标明：优化一个性能规画可能会以糟跶另一个规画为代价。因此必须凭据应用需求作念出量度。
基于瞎想的四个评价规画和界定的线圈构型空间，究诘东谈主员将寻找最好线圈构型的过程构建为一个多主张优化问题，主张是最大化性能模范。为确保所生成磁场的各向同性和高效性，究诘团队提倡了一种性能辅导的优化方法。如图3所示。
领先，凭据实质场景的法例，瞎想出可行的线圈构型空间，以退守操作时发生碰撞。然后，基于上述的评价规画，瞎想了对应的优化主张函数。在优化过程中，通过规画每一个线圈构型所生成磁场的评价规画，系统概况自适合转化线圈构型和电流，最终身成帕累托最优线圈构型。该线圈构型不仅在大使命空间内幸免了线圈碰撞，还确保了磁场具有各向同性和高效性，增强了在复杂环境下的磁场操控身手。
图3. 基于性能辅导的磁场多主张优化方法
为了解释帕累托最优线圈构型的灵验性，究诘东谈主员从可行空间中采样了两个不同的线圈配置，并规画了对应的磁场评推断划。图4终局标明，帕累托最优线圈构型在性能上优于线圈构型#1和线圈构型#2。同期，为了评估线圈耗能问题，究诘东谈主员针对旋转磁场，规画了一个周期内每个线圈的累计电流，并发现帕累托最优线圈构型的电流破费远低于其他两种线圈构型。此外，这三种线圈构型中轻易两个线圈之间的最大电流破费各异分辨为5.2 A（线圈构型#1）、6.9 A（线圈构型#2）和2.6 A（帕累托最优线圈构型）。
图4. 帕累托最优线圈构型和非优化线圈构型性能对比
▍可重构电磁线圈脱手系统REMA：考据应用出息
为了考据所提算法的可行性、灵验性过头在不同磁脱手场景中的适用性，究诘东谈主员尽头斥地了一种可重构电磁脱手系统。该系统通过在三个悠闲的机械臂末端装配三个电磁线圈，不仅概况在较大使命空间内解放移动，还概况产生不同线圈构型，为考据提倡的线圈配置优化战术提供了强有劲的实验支执。如图5所示。此外，究诘东谈主员基于ROS框架构建了总共这个词系统的软件架构和仿真环境，大大提高了算法的调试和实验程度。
图5. 可重构电磁线圈系统
为了深刻探索并考据应用后劲，究诘团队依托REMA平台全心瞎想并实验了一系列实验，这些实验遮掩了多种复杂环境，具体包括在2D tube环境、3D tube环境和3D解放空间环境中脱手小型机器东谈主。
1、碰撞拘谨场景下的不同帕累托最优线圈构型磁场收敛究诘
为了考据所提方法在不同场景中的适合性，究诘团队尽头景色了线圈构型与东谈主体之间的碰撞拘谨问题。图6展示了小型机器东谈主在东谈主体模子中不同深度位置时，优化得到的不同的帕累托最优线圈构型。不错昭彰看出，在两种不同深度下，线圈构型存在权臣各异，这是因为在优化过程中辩论了线圈与东谈主体之间可能发生的碰撞。实验终局标明，在两种不同的构型下，机器东谈主均展现出考究的通晓性能，从而解释了该方法在磁场收敛中的灵验性。
图6. 辩论碰撞拘谨下的帕累托最优线圈构型脱手小型机器东谈主
2、帕累托最优线圈构型对梯度力影响的松开作用究诘
非优化线圈构型可能会在机器东谈主通晓的反主张或者侧面产生较大梯度力，进而遮盖其闲居通晓。为了解释这一影响是由梯度力引起的，究诘东谈主员生成了两种线圈构型：非优化线圈构型和帕累托最优线圈构型，况兼配置了调换的主张磁场参数来脱手机器东谈主在三维解放空间中通晓。从图7中的实验终局不错发现：非优化线圈构型在机器东谈主的通晓反主张产生了较大的梯度力(94.3 mN)，导致在0秒到12秒的三维空间中莫得产生灵验位移(即stalling状况)。比较之下，帕累托最优线圈构型由于概况保执磁场的各向同性，最大法例的打消梯度力(5.3mN)的影响，机器东谈主概况齐备闲居通晓。
图7. 不同线圈构型所产生的梯度力对机器东谈主通晓的影响
3、帕累托最优线圈构型下机器东谈主在3D空间中旅途追踪收敛究诘
为了进一步考据帕累托最优线圈构型在精确脱手小型机器东谈主齐备3D旅途追踪任务上的身手，究诘东谈主员欺诈双目立体视觉及时追踪机器东谈主在3D空间中的位置信息，并借助纯旅途追踪的收敛方法来调控磁场参数，使机器东谈主在3D空间中完成了精确旅途追踪。如图8所示的终局标明，机器东谈主概况较好追踪预设的三维旅途，追踪误差保执在较小范围。
图8. 帕累托最优线圈构型下机器东谈主在3D空间中旅途追踪收敛
色色淫4、及时生成帕累托最优线圈构型打消3D管谈环境中梯度力影响的究诘
在之前的实验过程中，线圈构型一直保执不变，而在本实验中，究诘团队展示了在机器东谈主收敛过程中如何从非优化线圈构型切换到帕累托最优线圈构型，以打消梯度力的影响。为了进行对比，在实验前半段（图9（a），案例I和案例II中使用了调换的线圈构型来脱手机器东谈主。图9（b）表现，在这两种案例下，机器东谈主齐受到了梯度力的影响，但在案例II中，当线圈构型变换到帕累托最优线圈构型时，梯度力权臣裁减(从61.4 mN下跌到4.2 mN)，这种裁减是因为优化的线圈构型灵验地减轻了巧合梯度力的影响，机器东谈主收复闲居通晓，如图9（c）所示。
图9. 帕累托最优线圈构型在3D管谈环境中打消梯度力对机器东谈主影响的对比实验
上述各项实验终局均有劲地解释，究诘团队所提倡的优化战术及斥地的系统在磁掌握规模展现出了荒芜的性能，同期展现出了极强的适合性和可推广性，概况浮松应酬各种化的可变环境挑战。
▍对于明天
尽管究诘团队也曾得回了权臣效果，但现存的方法仍面对一些局限性，尤其是在生物流体环境等生理要求下的应用亟待深刻究诘和科罚。团队将持续推动磁脱手机器东谈主过头脱手系统在更复杂、更多变场景中的应用，积极探索更动方法，聚焦于斥地基于东谈主工智能脱手的磁控机器东谈主系统，确保其在生物医学过头他前沿规模中齐备愈加精确、可靠的通晓收敛，并进一步拓展应用出息。
参考著述
https://ieeexplore.ieee.org/document/10663932