Independent Control of Two Magnetic Robots using External Permanent Magnets: A Feasibility Study

要約

同一作業空間内で複数の磁気ロボットを独立に動作させることができれば、協調動作が可能な本システムの臨床的可能性が高まる。本研究では、外部永久磁石を用いて、同一作業空間内で動作する2台の磁気ロボットを作動させることの実現可能性を検討した。電磁コイルを用いたアクチュエーションシステムとは異なり、複数の永久磁石を用いることで、広いワークスペースが得られるという利点があり、より臨床に適したシステムとなる。本研究では、2台のマグネットロボットの位置と姿勢を制御するために、外部マグネットに必要なポーズを生成することができる最適化ルーチンを紹介します。直径5mm、長さ5mmのNdFeB磁石を内蔵した磁気ロボットは、15cmの距離で最小限の結合（クロストーク3.9％）を達成することができた。さらに距離が離れると、ロボットのトルクを独立に制御する能力は低下しますが、ロボットの位置が揃っていても、力を独立に制御できることが確認できました。開発した制御システムを、あらかじめ計画した軌道に沿った2台のマグネットロボットを近接（60mm）させたシミュレーションでテストしたところ、平均位置誤差は8.7mm、平均角度誤差は16.7度でした。

要約(オリジナル)

The ability to have multiple magnetic robots operate independently in the same workspace would increase the clinical potential of these systems allowing collaborative operation. In this work, we investigate the feasibility of actuating two magnetic robots operating within the same workspace using external permanent magnets. Unlike actuation systems based on pairs of electromagnetic coils, the use of multiple permanent magnets comes with the advantage of a large workspace which better suits the clinical setting. In this work, we present an optimization routine capable of generating the required poses for the external magnets in order to control the position and orientation of two magnetic robots. We show that at a distance of 15cm, minimal coupling between the magnetic robots can be achieved (3.9\% crosstalk) each embedded with 5mm diameter, 5mm length NdFeB magnets. At smaller distances, we observe that the ability to independently control the robot torques decreases, but forces can still achieve independent control even with alignment of the robots. We test our developed control system in a simulation of two magnetic robots following pre-planned trajectories in close proximity (60 mm) showing a mean positional error of 8.7 mm and mean angular error of 16.7 degrees.

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