《IEEE Access》：Closed-Loop Position Tracking Control of a Continuum Robot Using Magnetic Localization
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针对开环控制下连续体机器人存在显著位置误差的问题，本文报道了研究人员利用磁定位反馈实现连续体机器人精准位置跟踪控制的最新成果。研究团队为双节缆驱连续体机器人开发了一种基于被动永磁体定位的闭环控制方法，在末端嵌入永磁体，通过磁传感器阵列测量其磁场，利用扩展卡尔曼滤波器估算位置，并设计了结合磁定位反馈与微分逆运动学的比例-积分控制器。实验结果表明，该方法在矩形和五角星轨迹上实现了约5毫米的高精度位置控制，验证了磁定位系统约3毫米的小位置误差，为无需在机器人上安装有线传感器或供电电子设备的连续体机器人提供了实时、精确的位置估计与跟踪控制方案。
想象一下，未来的手术中，医生操作的机器人能够像章鱼的触手一样灵活，在人体狭小的腔道内安全、精准地移动，切除病灶或进行精细操作。这种机器人被称为连续体机器人，它们凭借连续的弯曲能力、固有的柔顺性和易于进入受限空间等优势，在制造、设备检测，尤其是微创手术（Minimally Invasive Surgeries, MIS）领域展现出巨大潜力。然而，通往精准医疗的路上横亘着一道技术难题：如何让这些“柔性触手”的末端执行器精确地到达并稳定停留在预定位置？
目前，主流的控制方法是基于运动学模型（如Cosserat杆模型、分段恒定曲率模型）进行开环控制，即通过反解模型直接计算出驱动指令。但现实是骨感的，机器人驱动机构和柔性本体的非线性特性，以及未知的外部作用力，都使得模型无法完美覆盖真实世界的复杂性，从而导致显著的控制误差。这好比试图仅凭一张地图和罗盘在复杂的城市小巷中盲行，难免会迷失方向。为了补偿模型误差和外界干扰，实现精确的位置跟踪控制，闭环控制成为必需，而实现闭环控制的关键在于为机器人“装上眼睛”——能够实时、准确地感知其末端位置。
为此，传感器定位技术应运而生。典型的方法包括基于视觉、光纤和磁跟踪的方法。基于视觉的方法虽然精度高，但在人体内部等视线受阻的环境中无法使用。基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings, FBG）传感器的方法易受累积积分误差和温度干扰的影响，且光纤在循环弯曲下易折断。磁跟踪方法则因其无需视距即可探测，在遮挡环境下优势明显。其中，基于永磁体的定位方法仅在机器人末端嵌入一个无源的永磁体，通过附近的磁传感器阵列测量其磁场来估算位置，无需在机器人上安装任何有线传感器或供电电子设备，极大地简化了机器人的结构。尽管永磁体定位方法已被用于监测和导航各种连续体机器人，但将其作为位置反馈用于闭环轨迹跟踪控制的研究却非常有限。
为了探索这一无线、无创、结构简单的解决方案在精准控制中的潜力，本文的研究团队在《IEEE Access》期刊上发表了一项研究，开发并实验验证了一种基于永磁体定位的双节缆驱连续体机器人闭环跟踪控制方法。为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：1. 设计并构建了一个双节缆驱连续体机器人，并基于分段恒定曲率假设对其进行了运动学建模。2. 开发了一套永磁体定位系统，在机器人末端安装永磁体，利用磁传感器阵列测量其磁场，并采用扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter, EKF）实时估算机器人末端的三自由度位置。3. 基于该磁定位反馈和机器人的微分逆运动学，设计了一个闭环控制框架，以实现对机器人末端位置的精确跟踪控制。4. 搭建了实验平台，通过在矩形和五角星轨迹上开展位置控制实验，评估了所提出的闭环控制方法与开环控制方法的性能。研究结果如下：
A. 双节缆驱连续体机器人
研究构建了一个由两段柔软空心骨架组成的双节连续体机器人。每段骨架由四根缆绳驱动，通过两个伺服电机控制其双向弯曲，从而使机器人末端能够在三维工作空间内运动。机器人末端嵌入了一个小型永磁体，用于磁定位。
B. 缆驱连续体机器人的运动学模型
研究采用分段恒定曲率模型来描述机器人的正向运动学。该模型假设每个柔性段在弯曲时形成完美的圆弧，同时保持中心线不可伸长，从而简化了建模复杂度。通过推导缆绳长度变化与弯曲角度之间的映射关系，建立了从驱动空间（缆绳伸缩）到任务空间（末端位置）的数学模型，为后续的微分逆运动学控制提供了基础。
C. 基于永磁体的定位系统
开发了一套永磁体定位系统。该系统将机器人末端的永磁体建模为磁偶极子，利用附近的磁传感器阵列测量其磁场强度。基于磁偶极子模型建立了磁场测量与永磁体位置、姿态之间的非线性关系。为实现实时、鲁棒的位置估计，研究者采用了扩展卡尔曼滤波算法，将恒速运动学模型与多磁传感器的测量数据相融合，有效地抑制了传感器噪声。该系统能够同时估计永磁体的三自由度位置和两自由度姿态，但闭环控制器仅使用了其位置信息作为反馈。
D. 使用磁定位的闭环控制方法
基于前述的运动学模型和磁定位反馈，设计了一个闭环控制框架。核心是采用比例-积分控制器，根据磁定位系统提供的实时末端位置与期望目标位置之间的误差，通过机器人的微分逆运动学计算所需的缆绳控制输入（即驱动量的变化），从而生成控制指令，驱动机器人运动以减小位置误差，实现精准的轨迹跟踪。
III. 实验设置与结果
为了验证所提出的闭环控制方法，研究者搭建了包含双节缆驱连续体机器人、伺服电机驱动系统、永磁体、磁传感器阵列和数据采集控制单元的完整实验平台。位置跟踪控制实验在矩形和五角星两种轨迹上进行，以同时评估水平和垂直平面上的跟踪性能。实验将所提出的基于磁定位的闭环控制方法与传统的开环控制方法进行了对比。
实验结果明确显示，所提出的闭环控制方法显著优于开环控制。 在两种轨迹上，闭环控制都实现了大约5毫米的高位置控制精度，而开环控制则出现了显著的跟踪误差。同时，对所开发的永磁体定位系统的独立验证表明，其位置估计误差约为3毫米，证明了该定位系统能够为闭环控制器提供足够精确的反馈信号。
综上所述，本研究的主要结论和创新意义在于：1. 成功构建并运动学建模了一个双节缆驱连续体机器人。2. 开发了一套无线、无创、抗遮挡的被动永磁体定位系统，适用于微创医疗等应用场景。3. 创新性地将磁定位反馈与微分逆运动学相结合，设计并实现了一种高效的闭环控制框架。4. 通过对比实验，有力证明了该闭环控制方法能够实现高精度（约5毫米）的机器人末端位置跟踪控制，性能远超传统的开环控制方法。这项研究的意义在于，它为解决连续体机器人因模型不准确和外部干扰导致的开环控制误差问题，提供了一种切实可行且结构简化的解决方案。所采用的基于被动永磁体的无线定位技术，避免了在机器人本体上集成电子线路的复杂性和空间占用，使其在微创手术等对器械尺寸、灵活性和无菌性有严格要求的领域具有独特的应用前景，为实现连续体机器人的实时、精确、可靠控制迈出了关键一步。
