可用于医疗的磁场控制柔性机器人

磁力因为其高度的可控性和非接触式的特性,在不同的领域中大有所为,诸如:磁悬浮、磁力传动、磁力吸附等(www.heitudi.cn)。当然,如此强大的磁场在医疗方面也有着巨大的作用。美国Stereotaxis公司的Niobe ES系统在心脏介入和心血管疾病方面处于世界领先地位,这套系统用一对永磁体来产生磁场,使用者可以在远程通过磁场来控制介入装置的工作尖端,从而完成心脏导管的植介入手术。这套系统的优势非常明显,在实现对介入装置更精确控制的同时,还减少了医生、工作人员和患者的X射线暴露时间。

相比于Stereotaxis公司的大型磁性导航系统,美国范德堡大学和犹他大学联合研制了一款了小型化的磁场控制器,这项研究于2017年二月发表在IEEE Transactions on Robotics上,作者为 Krachman,Bruns, Abbott等人。

这个磁场控制器利用单个永磁体来实现紧凑而廉价的磁场源,进而控制微型弹性杆来实现小范围内的灵巧操控。这套系统的控制方法是使用基尔霍夫模型将杆与机器人的运动关联到杆尖端的偏转,并且使用分解速率的方法来反转该模型以跟踪轨迹。在这里,基尔霍夫模型将杆表示为可以弯曲和扭转,但是不能伸长、不可剪切的一维曲线。

这套系统中所使用的弹性杆是一根长10cm,直径0.24mm的玻璃光纤,使用粘合剂将两个磁体同轴地安装到杆的末端。这两个磁体是圆柱形的,每个长1mm,直径0.75mm,并沿圆柱轴磁化。外部磁场源为一块方形钕铁硼磁铁,安装在六自由度机器人上的。通过对机器人的控制来实现磁场源在三维空间内的精确运动,以此来改变外部磁场的方向和位置,从而完成对弹性杆的偏转,配合弹性杆底部的推进装置,便可以实现对杆末端的控制。

为了验证最终的效果,控制弹性杆的末端来实现三维的运动轨迹,并利用立体相机拍摄弹性杆末端的空间位置。那么,结果就是图片中三个边长为2cm的正方形轨迹,其中测量的末端点位置显示为点,计划轨迹显示为旁边的实线。同时还有ZY平面正方形轨迹的40个采样位置构造的复合照片。

这套系统,可以通过机器人来操控单个外部磁体,在没有反馈的情况下获得弹性杆末端的复杂3D轨迹。结合基尔霍夫杆模型、磁场模型和机器人与推进器的运动学,提出了一种轨迹规划方法。最终实验证明三维轨迹可以被精确地执行。

磁力作为一种神秘的“宇宙之力”,它在医疗领域的微型机器人使用方面有着不可估量的作用。

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