Trajectory Planning and Control for Robotic Magnetic Manipulation

要約

ロボットによる磁気操作は、カプセル内視鏡による胃腸検査への低侵襲アプローチを提供します。
ただし、外部永久磁石 (EPM) を使用してこのようなシステムを制御することは、特に敏感な組織の回避などの複雑なナビゲーション要件がある場合、非線形磁気相互作用のため困難です。
この研究では、ロボット アームに固定された単一の EPM を使用して内部永久磁石 (IPM) を操作する、ダイナミクスとナビゲーション要件を組み込んだ新しい軌道計画および制御方法を紹介します。
私たちのアプローチでは、IPM のダイナミクスを考慮して EPM と IPM の両方に最適な軌道を生成する、制約付き反復線形 2 次レギュレーターを採用しています。
カプセル内視鏡操作を動機とした広範なシミュレーションと現実世界の実験は、この方法の堅牢性を実証し、外乱に対する回復力とさまざまな条件下での正確な制御を示しています。
実験結果は、IPM が最大平均誤差 0.18 cm、標準偏差 0.21 cm で目標位置に到達することを示しています。
この研究では、磁気操作における制約付き軌道の最適化のための統一フレームワークを導入し、IPM のダイナミクスと EPM の操作性の両方を直接組み込んでいます。

要約(オリジナル)

Robotic magnetic manipulation offers a minimally invasive approach to gastrointestinal examinations through capsule endoscopy. However, controlling such systems using external permanent magnets (EPM) is challenging due to nonlinear magnetic interactions, especially when there are complex navigation requirements such as avoidance of sensitive tissues. In this work, we present a novel trajectory planning and control method incorporating dynamics and navigation requirements, using a single EPM fixed to a robotic arm to manipulate an internal permanent magnet (IPM). Our approach employs a constrained iterative linear quadratic regulator that considers the dynamics of the IPM to generate optimal trajectories for both the EPM and IPM. Extensive simulations and real-world experiments, motivated by capsule endoscopy operations, demonstrate the robustness of the method, showcasing resilience to external disturbances and precise control under varying conditions. The experimental results show that the IPM reaches the goal position with a maximum mean error of 0.18 cm and a standard deviation of 0.21 cm. This work introduces a unified framework for constrained trajectory optimization in magnetic manipulation, directly incorporating both the IPM’s dynamics and the EPM’s manipulability.

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