基于非线性 FEA 的 MPC 与 EKF 多感融合的磁驱信使机器人俯仰角控制
机器人学
2026-02-12 v1
摘要
磁驱信使机器人承诺在胃肠道内进行 minimally invasive 的诊断与治疗，但现有系统在控制信使机器人俯仰角时被大大忽视，这一自由度对与倾斜胃壁的接触性交至关重要。本文提出了一个面向磁驱俯仰控制的非线性、基于模型的框架，用于由四线圈电磁阵列驱动的可吞咽型信使机器人。利用三维有限元仿真对嵌入永久磁铁受力矩的角度进行建模，并将其作为查找表嵌入具有滚动接触和执行器动力学的刚体俯仰模型中。设计受硬件电流和升celeration 限制约束的受约束模型预测控制器（MPC），以调节俯仰角。实验在仿制胃壁的柔性表面上进行，结果表明该系统从水平和直立两种初始姿态都能实现稳健的俯仰重定向， settling 时间比开合控制快三到五倍，摆动幅度更小。此外，一种扩展卡尔曼滤波（EKF）融合惯性测量与间歇性视觉测量，使系统在相机更新率从 30 Hz 降至 1 Hz 时仍能实现稳定的闭环控制，模拟了临床实用的成像限制。这些结果表明，基于有限元信息的 MPC 结合传感器融合是实现俯仰调节、受控对接以及未来多自由度信使 locomotion 的可扩展策略。
引用
@article{arxiv.2602.10610,
title = {Pitch Angle Control of a Magnetically Actuated Capsule Robot with Nonlinear FEA-based MPC and EKF Multisensory Fusion},
author = {Chongxun Wang and Zikang Shen and Apoorav Rathore and Akanimoh Udombeh and Harrison Teng and Fangzhou Xia},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.10610},
year = {2026}
}
备注
This version is submitted for review at IEEE/ASME Transactions on Mechatronics