在相同磁場(chǎng)下，協(xié)同控制多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人編隊(duì)運(yùn)動(dòng)是困難的，因?yàn)檩斎氲拇艌?chǎng)控制變量遠(yuǎn)小于協(xié)同控制多機(jī)器人編隊(duì)位置與隊(duì)形的輸出自由度，導(dǎo)致了系統(tǒng)嚴(yán)重欠驅(qū)動(dòng)。
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團(tuán)隊(duì)針對(duì)控制系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)領(lǐng)航-跟隨法的多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人編隊(duì)控制方法，首次實(shí)現(xiàn)了2個(gè)和3個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的編隊(duì)自主導(dǎo)航和路徑跟隨控制。研究成果以Leader–Follower Formation Control of Magnetically Actuated Millirobots for Automatic Navigation為題，發(fā)表在機(jī)電工程論域權(quán)威期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics （JCR一區(qū)，影響因子：6.4）。智能仿生中心徐天添課題組博士研究生黃晨陽(yáng)為第一作者，徐天添研究員為通訊作者。
多個(gè)微型機(jī)器人可以協(xié)同執(zhí)行單個(gè)機(jī)器人無(wú)法完成的復(fù)雜任務(wù)，從而增加系統(tǒng)的冗余度和擴(kuò)展性，提高任務(wù)的執(zhí)行效率。然而，不同于傳統(tǒng)多機(jī)器人系統(tǒng)中每個(gè)智能體可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，由外界全局磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人接收到相同磁場(chǎng)，從而造成耦合的運(yùn)動(dòng)速度。協(xié)同控制多個(gè)具有耦合速度的磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人編隊(duì)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致了系統(tǒng)嚴(yán)重欠驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檩斎氲拇艌?chǎng)控制變量遠(yuǎn)小于協(xié)同控制多機(jī)器人編隊(duì)位置與隊(duì)形的輸出自由度。
研究團(tuán)隊(duì)提出一種多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人全自動(dòng)編隊(duì)導(dǎo)航控制框架，包括了基于增強(qiáng)RRT*編隊(duì)路徑與隊(duì)形規(guī)劃單元、基于改進(jìn)虛擬領(lǐng)航-跟隨法的多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人協(xié)作控制單元和電磁驅(qū)動(dòng)單元。規(guī)劃單元中，提出的基于增強(qiáng)RRT*路徑規(guī)劃算法綜合考慮了避碰、路徑長(zhǎng)度、搜索效率和電磁場(chǎng)分布特性，與其他RRT*及衍生算法相比，規(guī)劃路徑更趨向于電磁均勻分布區(qū)域。協(xié)作控制單元中包含一個(gè)具有擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器的無(wú)模型跟隨者控制器，應(yīng)用于編隊(duì)隊(duì)形控制；一個(gè)基于模糊邏輯的領(lǐng)導(dǎo)者控制器，用于編隊(duì)路徑跟隨控制；一個(gè)基于耦合速度的協(xié)作控制器，用于控制多機(jī)器人的速度狀態(tài)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由2個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人組成的編隊(duì)可以在保持編隊(duì)隊(duì)形約束下和變換編隊(duì)隊(duì)形約束下，實(shí)現(xiàn)高精度魯棒的路徑跟蹤控制。此外，由3個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人組成的編隊(duì)，可以通過(guò)自主隊(duì)形變換實(shí)現(xiàn)穿越狹窄障礙通道。最后，多機(jī)器人編隊(duì)通過(guò)提出的優(yōu)化路徑與隊(duì)形規(guī)劃算法，以及編隊(duì)協(xié)作控制方法，實(shí)現(xiàn)了障礙物區(qū)域自主避障和路徑跟蹤。本研究成果為多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人編隊(duì)控制提供了新理論。在未來(lái)的工作中，我們期望通過(guò)提出的策略，多微型機(jī)器人團(tuán)隊(duì)將能夠高效地協(xié)同工作，用于體內(nèi)靶向藥物遞送、傳感和微組裝應(yīng)用。
該系列研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然基金、廣東省、中科院青促會(huì)、深圳市等科技項(xiàng)目資助。
圖1：兩個(gè)磁化異構(gòu)的微型機(jī)器人具有耦合運(yùn)動(dòng)速度
圖2：多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人編隊(duì)控制問(wèn)題描述
圖3：多磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人編隊(duì)控制框架
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