基于 Zernike 场建模和非线性 MPC 的放射线导向下磁性机器人控制
机器人学
2026-02-18 v1
摘要
磁力致动使外科机器人能够在复杂解剖通路中导航，从而减少组织创伤并提高手术精度。然而，临床部署受限于在放射线导向下控制此类系统的挑战——该系统提供的姿态反馈具有低帧率和噪声。本文提出一种控制框架，通过结合直接输出线圈电流的非线性模型预测控制（NMPC）框架、基于 Zernike 多项式的解析可微磁场模型，以及用于估计机器人状态的卡尔曼滤波器，实现在此类条件下保持高精度和稳定性。通过在两个磁性机器人中进行实验验证（一个是 3D 打印的流体工作空间，另一个是复制放射线导向下药物输送的脊椎模拟器），实验结果表明，所提出的控制方法在反馈降采样至 3 Hz 并加入高斯噪声（sigma=2 mm）的条件下仍保持高度精度，模拟临床放射线导。 在脊椎模拟器实验中，所提出的方法成功执行了 RMS 位置误差为 1.18 mm 的药物输送轨迹，同时保持了对关键解剖边界的安全间隙。
引用
@article{arxiv.2602.15357,
title = {Fluoroscopy-Constrained Magnetic Robot Control via Zernike-Based Field Modeling and Nonlinear MPC},
author = {Xinhao Chen and Hongkun Yao and Anuruddha Bhattacharjee and Suraj Raval and Lamar O. Mair and Yancy Diaz-Mercado and Axel Krieger},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.15357},
year = {2026}
}