Closed-Loop Magnetic Control of Medical Soft Continuum Robots for Deflection

要約

磁気ソフト連続ロボット (MSCR) は、その超弾性繊維マトリックスと強化された磁気操作性により、血管内介入における強力なデバイスとして登場しました。
テザー磁気デバイスの効果的な閉ループ制御は、自律的な血管ロボット手術の実現に貢献します。
この記事では、単一の回転可能な永久磁石を備えた磁気駆動システムを採用して、MSCR の閉ループ偏向制御を実現します。
この目的を達成するために、不均一な磁場にさらされた MSCR の差動運動学モデルを確立します。
ヤコビアンの存在と一意性とロボット間の幾何学的位置との関係を推定した。
ヤコビアンによって引き起こされる制御方向は、シミュレーションにおいて重要であることが実証されています。
次に、対応する準静的制御 (QSC) フレームワークに線形拡張状態オブザーバーが統合され、モデルの不確実性が推定されます。
最後に、提案された QSC フレームワークの有効性が、外部外乱下での PD コントローラとの比較軌道追跡実験を通じて検証されます。
ヤコビアンは、遠位端位置での経路追従制御にさらに拡張されています。
提案された制御フレームワークは、アクチュエーターがジョイントの限界に達するのを防ぎ、オーバーシュートのない高速かつ低いエラー追跡性能を実現します。

要約(オリジナル)

Magnetic soft continuum robots (MSCRs) have emerged as powerful devices in endovascular interventions owing to their hyperelastic fibre matrix and enhanced magnetic manipulability. Effective closed-loop control of tethered magnetic devices contributes to the achievement of autonomous vascular robotic surgery. In this article, we employ a magnetic actuation system equipped with a single rotatable permanent magnet to achieve closed-loop deflection control of the MSCR. To this end, we establish a differential kinematic model of MSCRs exposed to non-uniform magnetic fields. The relationship between the existence and uniqueness of Jacobian and the geometric position between robots is deduced. The control direction induced by Jacobian is demonstrated to be crucial in simulations. Then, the corresponding quasi-static control (QSC) framework integrates a linear extended state observer to estimate model uncertainties. Finally, the effectiveness of the proposed QSC framework is validated through comparative trajectory tracking experiments with the PD controller under external disturbances. Further extensions are made for the Jacobian to path-following control at the distal end position. The proposed control framework prevents the actuator from reaching the joint limit and achieves fast and low error-tracking performance without overshooting.

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