基于磁驱动的毫米尺度枢轴行走器反馈控制

外部磁场可用于远程控制小尺度机器人，使其成为多种生物医学与工程应用的有前景的候选者。我们已展示所提出的磁驱动毫微型机器人具有高度灵活性，并能在水平面内执行如枢轴行走与翻滚等多种运动任务。此处，我们专注于在枢轴行走模式下控制该毫微型机器人的运动结果。建立了系统数学模型并推导了运动学模型。同时研究了扫掠角与倾斜角在机器人运动中的作用。我们提出两种控制器以调节枢轴行走器的步态。第一种为比例几何控制器，其确定毫微型机器人应使用的正确枢轴点，随后基于毫微型机器人中心与参考轨迹之间的误差按比例调节角速度。第二种控制器基于梯度下降优化技术，将控制作用表述为一个优化问题。这些控制算法使毫微型机器人能够生成稳定步态并跟踪期望轨迹。我们开展了一系列不同实验与仿真运行，以针对跟踪误差确立所提控制器在不同扫掠角与倾斜角下的有效性。两种控制器均表现出良好性能，但观察到基于梯度下降的控制器具有更快收敛时间、更小跟踪误差以及更少步数。最后，我们对扫掠角、倾斜角与步时对跟踪误差的影响进行了广泛的实验参数分析。正如预期，基于优化的控制器优于基于几何的控制器。