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OctoMag: An Electromagnetic System for 5-DOF Wireless Micromanipulation
OctoMag: 一个5自由度无线电磁微操作系统
我们演示了完全不受约束的五自由度微机器人（3自由度位置和2自由度指向方向）的无线磁控制。微型机器人可以在大型工作空间中移动，并且在旋转自由度中完全无限制。 我们使用称为OctoMag的电磁系统来实现这种层级的无线控制。OctoMag的独特能力是由于它利用了复杂的非均匀磁场，这种磁场是利用了多个软磁芯电磁铁的耦合场线性组合。OctoMag主要用于控制眼内微型机器人进行精细的视网膜手术，但它也可用于其他医学应用或光学显微镜下的微观操作。
术语：磁性，医用，微操作，微型机器人，微创手术，无约束，无线。
- 介绍
微机器人无线控制的一种方法是通过外部施加磁场。这些无约束设备可以在体液中导航，从而实现许多新的微创治疗和诊断医疗程序。我们对眼内微型机器人特别感兴趣，它们有可能用于眼科手术，如药物输送和遥感。玻璃体视网膜外科医生执行的一个特别困难的过程是视网膜静脉插管，将血栓溶解（例如血栓爆破）药物注射到微小的静脉中，这是人类能力的极限。一些研究小组已经提出用于玻璃体视网膜手术的机器人辅助解决方案，以减轻外科医生的手颤。 在这些提出的机器人解决方案中，纤弱的视网膜仍然存在操作工具带来的风险。
OctoMag的设计始于如下几个基本目标。
选择固定式电磁铁是因为它们的安全性能：它们不需要移动部件来控制磁场强度，它们在断电时是失效的，并且它们在发生故障时是安全的，因为在发生电源故障时微型机器人在自身重量下简单地向下滑移。选择软磁铁芯而不是空芯，因为它们产生的磁场强度约为20倍。与空心电磁铁相反，它们的各个磁场不会线性叠加，这使得建模和控制变得复杂。然而，正如我们将要展示的那样，由高性能软磁材料制成的磁芯如果在其线性磁化区域内运行，则对建模和控制施加的限制非常小，并且该磁化区域在实际能量限制下也足够大。超导电磁铁的使用被排除在外，因为超导不能接受快速变化的高带宽实时控制所需的电流。
虽然所需的电磁铁的数量或配置是未知的，但最终的设计需要尊重人体头部，颈部和肩部的几何形状。微机器人控制通常依赖于完全环绕工作空间的系统，例如电磁线圈对的正交布置，这在技术上难以扩展到体内设备所需的尺寸。
为了验证理论结果，需要建立一个足够大的原型系统，在人工和离体眼睛试验后，可用于活猫和兔子的动物试验。这需要一个可用的工作空间，其大小为25毫米直径的球体，与人眼的内部体积一致，并且电磁铁间需要有合适的开放空间来容纳小型动物头部。可以确定直径为130毫米的球体就足够了。
工作区应该是接近于各向同性的，能够在任何方向上产生足够的磁力，并且具有任何微观目的。这个决定是因为，对于目标眼内微机器人应用，需要向上的力来抵消其自身重量而使微机器人悬浮，在视网膜手术过程中需要向下和侧向力。
- 固定电磁铁的控制
目标是对静止的世界参照系执行磁力微机器人的5自由度无线控制。我们假设要控制的微机器人是由磁矩M（以安培乘平方米为单位）表述的磁化体。对于永磁体，假设磁矩M具有恒定的大小并且刚性地连接到主体的框架。对于软磁体，磁矩取决于所施加的磁场，并且不能假设刚性地附着在主体上，即磁矩可以相对于身体旋转，并且其大小可以随着外加场变化而变化很大。在先前的工作中，我们已经建立了轴对称体的场依赖磁矩的精确模型，其包括椭圆体和球体，以及这里使用的组装微机电系统（MEMS）结构。
磁体上的力矩，单位是牛顿·米，表示如下
其中B是特斯拉中M位置处施加的磁场的磁感应强度值。扭矩倾向于使磁矩与施加的磁场对齐。 在软磁体的情况下，扭矩倾向于使主体的最长轴（称为易磁化轴）与场对齐。 如果我们假设整个主体均匀磁化，这是对小椭圆形状的合理假设，则难以使用（1）中的简单模型来控制绕M轴的扭矩，这就是我们的目标是实现5-DOF的控制而不是6-DOF控制的原因。在软磁体中，这意味着我们无法围绕身体的长轴进行旋转。 为了表示矢量叉积，应使用矢量的斜对称矩阵形式。
其中x，y和z明确指代表示所有向量的世界框架的基础方向。 磁矩上的力（以牛顿为单位）表示如下。
由于没有电流流过主体占据的区域，因此麦克斯韦方程式提供约束.这使得我们可以在一些简化之后以更直观的形式表达。
在给定的静电电磁铁布置中，每个电磁铁在整个工作空间中产生可预先计算的磁场。 在工作空间P中的任何给定点处，由导体B e（P）表达的磁场导致电磁体的磁场强度，其大小随着通过电磁体的电流线性变化，因此，可以描述为每安培特斯拉的单位电流矢量乘以标量电流值（安培）。
下标e表示由第e个电磁铁而产生的贡献。然而，尽管场B e (P)是由于电流只流过电磁铁e而形成的场，但它是由于每一个电磁铁网络的软磁芯而形成的。利用空心电磁铁，将各磁场的相互作用解耦，并对各磁场分别进行预置和线性叠加。软磁芯电磁铁则不是这样。然而，如果假设一种理想的软磁材料具有负磁滞特性，并且系统由磁芯在其线性磁化区内运行，那么该假设仍然有效，即单个电流(每一个电流都会影响每个磁芯的磁化)的场效应是线性叠加的。因此，如果一个给定电磁铁的磁场的贡献率是就地预先计算的，则可以假定工作区中某一点的磁场是各个电流的作用之和。
3、电磁铁配置设计
一旦配备使用n个固定电磁铁的通用控制系统，就可以在电磁铁配置的设计中使用该控制器。驱动矩阵的奇异值提供关于工作空间条件的信息（即，点和配置的控制权限在某些方向上丢失）。 扭矩和力的单位，磁通密度和力的单位都不相同; 因此，很难用基于奇异值的条件数来表征系统。 考虑到控制系统的实际要求，精确控制力比扭矩更重要。 需要精确的力控制以使微型机器人在重力作用下抵抗其自身重量或者以特定的力推动物体。另一方面，扭矩仅需要旋转微机器人 ，并且在正确方向上施加的低扭矩将最终导致正确的控制工作，仅控制器的上升时间受到影响。 对于指定磁场而不是扭矩的控制系统，同样的论证也是如此。 考虑到这个设计规范，可以考虑修改的驱动矩阵，其中假设场方程的真实值被一些因子alpha;lt;lt; 1衰减。
当alpha;趋近于0，奇异值和输出奇异向量分解为纯力和纯场方向。由于alpha;，sigma;4，sigma;5和sigma;6变小，并且列U 4，U 5和U 6趋向于几乎沿着纯场方向。这使得sigma;1，sigma;2和sigma;3对应于几乎纯力方向，并且比率sigma;3/sigma;1可以用作系统的力条件数，如果系统具有各向同性力的特性，则该值接近于1。保持alpha;gt; 0并确保sigma;6不等于0将确保在每个期望的方向上也可以产生场，微机器人定向也是如此。力条件数可能不是判断系统性能的最佳度量，因为在每个方向上生成的力的相同性较差系统也将返回良好的力条件数。因此，作为在最坏情况方向上产生力的度量的sigma;3被用作设计期间的性能度量。目标是在整个工作空间中具有足够的力生成能力，而不管微机器人的方向，使得微机器人的控制能力永远不会丧失。
上述优化程序的结果是图中所示的OctoMag配置。 在图1- 3中我们发现，对于永磁和微磁微机器人，m = 4，theta;= pi/4，phi;upper ==pi/4和phi;lower= pi/4的配置产生了最佳性能。 系统性能对这些标称值的微小变化不敏感。
尽管允许参数在不考虑潜在碰撞的情况下发生变化，但最佳配置在物理上是可实现的。在从m = 3增加到4（即从6到8个电磁铁）后，在最坏情况下的微机器人姿势中发现了近似的高度改进。直觉可能导致人们相信电磁铁必须均匀地围绕工作空间以产生各向同性行为，但事实并非如此。使用OctoMag配置，可以向下推动并向上和向侧面拉动，同时保持任何微机器人行进方向。
- 系统实现
每个电磁铁由线圈组成，其尺寸为d i = 44 mm，d o = 63 mm，l = 210 mm，其中d i，d o和l分别为内径，外径和长度。 线圈带有712个直径为1.6毫米的绝缘铜线绕包。电磁铁芯由VACOFLUX 50制成，VACOFLUX 50(高饱和磁感应强度软磁合金)是VACUUMSCHMELZE的CoFe合金。其饱和磁化强度约为2.3T，矫顽力为0.11mT，最大磁导率为4500H / m。 芯的直径为42mm，长度为210mm。 组装好的电磁铁的电感为89 mH，电阻为1.3Omega;。
该系统的电源是一个SM 70-90由德尔塔Elektronica BV。该电源能够为系统提供6千瓦功率，并使所有8个通道同时驱动20A电流。为了降低电子电路的功耗，电磁线圈的电流通过定制设计的转换放大器获得。这些放大器的开关频率为150kHz，高于会影响微机器人控制的频率。转换放大器通过两张14位分辨率的Sensoray 626 DAC卡进行控制。
- 系统特征
A线性假设证明
OctoMag的概念设计基于这样的假设：在磁芯中使用高性能软磁材料将导致系统行为与输入电流成线性关系。目标是表明这种假设确实有效。图4显示了在工作空间中心测量的电场，因为电流在单个电磁铁（线圈0）中变化。使用Metrolab THM1176三轴霍尔磁力计测量该场。我们发现在18 A以下没有可感知的滞后现象，并且线性区域非常线性。在图5中，示出了在工作空间的中心处测量的场，其中两个电磁铁（线圈3和6）每一个中的电流单独地然后同时变化。我们发现两个线圈产生的场确实是各个线圈产生的场的总和。回顾一下，单个电磁铁的磁场贡献是由于通过该电磁铁的电流以及所有的软磁芯。针对线圈的多种组合验证了上述过程。
B创建场映射
如前所述，为了使用第II节的控制系统，必须为每个电磁铁构建单位电流场图。在本文中，点偶极模型的分析模型适用于从最终系统的FEM模型获得的每个单位电流贡献的场数据。对于上部和下部电磁体的情况，如图6所示 （a）和（b）分别考虑，有限元模型沿着电磁铁轴线在20 mmtimes;20 mm垂直方向上估算的数据，使用位于工作空间中心的平面区域。该数据如图6（c）和（d）所示。 使用MATLAB的fmincon函数将点偶极子拟合到该数据集，以最小化拟合中的均方根误差。每个点P {m}处的理论磁点偶极子Gamma; {A·m 2}的场由相对简单的点偶极方程定义。
C校准
为了校准OctoMag，首先使用线性拟合校准八个电流放大器。接下来，执行单点磁场校准以将生成的实际磁场与利用第五章第二节的点偶极子场图的模型预测和实际磁场进行比较。执行该校准是为了解决磁芯中的缺陷，线圈缠绕和电磁铁的对准问题。在工作空间的中心测量场，流过每个线圈的电流为6A，且一次测量一个。结果值在表I中给出，并且还给出了两个矢量之间的幅度和角度的误差。幅度误差用作换算系数，以使使生成的场与控制算法计算的场匹配，该算法使用点偶极子模型。角度误差未得到补偿，并且在缩放后不会改变，但可以看出，期望场和实际场之间的不重合值很小。这种校准提供的证据表明，我们可能依赖于控制系统中的两个点偶极模型，而不是必须单独测量和存储这8个电磁铁中每个电磁铁的单位电流查找表。利用各自电磁铁的测量标定值，可以通过上电磁铁或下电磁铁参考点偶极子模型的齐次变换来计算其场贡献。
- 实验证明
Earnshaw定理告诉我们，使用铁磁性不存在稳定的静态平衡，即为了保持微机器人的稳定位置，必须使用反馈控制。然而，一旦实施了重力补偿，我们实际上发现微机器人在静态场中的漂移非常缓慢。对于各种微机器人朝向，静态场中工作空间中心的最大漂移对于CoNi微机器人来说是150mu;m/ s而对于较小的Ni微机器人来说是50mu;m/ s。在工作空间的边界处，这些值分别增加到720和140（mu;m/ s）。使用微机器人的位置进行场生成，CoNi和Ni微机器人的工作空间边界处的漂移分别降低到550和60（mu;m/ s）。人们看到，随着机器人缩小比例，漂移的影响减小，因为磁力与体积成比例，并且粘性阻力与表面积成比例，并且微机器人的反应和可控性得到改善。我们发现人工操作员只需使用视觉反馈就可很好地调节位置，但不能像使用计算机视觉跟踪器进行闭环控制那样精确度，如下所述。
我们还发现，当微型机器人接触表面时，引起漂移的非预期力小于摩擦力。 即使是放在玻璃表面上的大型微型机器人也不会在静态场中出现漂移。由于在使用无位置反馈时产生的方向误差小（在第五章第四部分中讨论过），这表明OctoMag有可能无需位置反馈。
7、体外实验
外科微型机器人的一个有针对性的医学应用是用以刺穿视网膜静脉并且注射溶栓药物，或锚定药物包覆剂，以进行有针对性的、扩散的药物运送。论文【43】表明发育中的鸡胚CAM上的血管是研究人类视网膜血管穿刺的有效试验台。根据[2]中的实验步骤，将一个放置在培养皿中的5日龄鸡胚涂上一层AK350硅油，以提供一种可以供分子运动的透明培养基。硅油层覆盖整个鸡胚，在实验期间，该层留在胚胎顶部。由两个具有边长800mu;m（正负100mu;m）立方体和1.2mm长，30规格的胶合皮下针尖的NdFeB永磁立方体组成的穿刺剂将被置于硅油悬浮液中。培养皿然后放入OctoMag设置。仅使用顶部相机的反馈，如图13所示，可用纯粹的开环控制方式刺穿CAM的较大血管（约220mu;m外径）。使用记录的电流进行图13中的穿刺实验，当使用相对大的针尖时，计算在穿刺时施加在CAM
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资料编号：[958]
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