External Steering of Vine Robots via Magnetic Actuation

📄 arXiv: 2409.01319v1 📥 PDF

作者: Nam Gyun Kim, Nikita J. Greenidge, Joshua Davy, Shinwoo Park, James H. Chandler, Jee-Hwan Ryu, Pietro Valdastri

分类: cs.RO

发布日期: 2024-09-02

备注: 13 pages, 10 figures

💡 一句话要点

提出磁驱动藤蔓机器人，实现内窥镜应用中的高曲率转向与导航

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 藤蔓机器人 磁驱动 腔内导航 微创手术 机器人控制

📋 核心要点

  1. 传统藤蔓机器人缺乏主动转向能力，限制了其在复杂环境下的应用。
  2. 利用外部磁场控制集成磁性顶端舱的藤蔓机器人，实现精确转向和导航。
  3. 实验验证了该方法在腔内应用中的有效性，实现了高曲率转向和无剪切导航。

📝 摘要（中文）

本文探索了藤蔓机器人的外部磁控制概念，旨在实现其高曲率转向和导航，以用于腔内应用。藤蔓机器人受到自然生长和运动策略的启发，具有独特的形状适应能力，允许其在障碍物周围进行被动变形。然而，在没有额外转向机制的情况下，它们缺乏主动选择所需生长方向的能力。本文讨论了磁转向生长机器人的原理，并通过实验结果展示了所提出的磁驱动方法的有效性。我们展示了一个直径为25毫米的藤蔓机器人，它集成了磁性顶端舱、包括6自由度（DOF）定位和摄像头，并展示了在30 kPa的内部压力下，最小弯曲半径为3.85厘米。此外，我们评估了该机器人通过复杂的导航任务形成紧密曲率的能力，磁驱动允许扩展的自由空间导航而不会发生屈曲。磁性顶端的悬挂也使用6自由度定位系统进行了验证，以确保藤蔓机器人的无剪切特性得到保持。此外，通过利用顶端的磁力扳手，我们展示了藤蔓回缩的初步结果。这些发现有助于开发用于腔内应用的可控藤蔓机器人，提供高顶端力和无剪切导航。

🔬 方法详解

问题定义：藤蔓机器人虽然具有良好的形状适应性，但缺乏主动转向能力，难以在复杂腔道内进行精确导航。现有方法通常依赖于内部驱动或外部机械引导，存在体积大、控制复杂或易损伤腔道壁等问题。因此，需要一种能够实现高曲率转向、无剪切导航且控制方式简洁的藤蔓机器人。

核心思路：利用外部磁场对集成在藤蔓机器人顶端的磁性舱进行控制，通过调节磁场强度和方向，实现对藤蔓机器人生长方向的精确控制。这种方法无需复杂的内部驱动机构，避免了对腔道壁的剪切力，同时具有较高的控制灵活性。

技术框架：该藤蔓机器人系统主要包括：1)藤蔓机器人本体，由可膨胀材料制成；2)集成在顶端的磁性舱，包含磁铁、摄像头和6自由度定位系统；3)外部磁场控制系统，用于产生和调节磁场；4)图像处理和控制算法，用于根据摄像头图像和定位信息，计算所需的磁场控制参数。整个流程为：摄像头采集图像 -> 定位系统提供位置信息 -> 控制算法计算磁场参数 -> 磁场控制系统调节磁场 -> 磁场驱动藤蔓机器人转向。

关键创新：该论文的关键创新在于将外部磁场控制技术应用于藤蔓机器人，实现了高曲率转向和无剪切导航。与传统的内部驱动或外部机械引导方法相比，该方法具有控制方式简洁、体积小、避免剪切力等优点。此外，集成的6自由度定位系统能够精确测量顶端的位置和姿态，为精确控制提供了保障。

关键设计：磁性舱的设计是关键。需要选择合适的磁铁材料和尺寸，以保证足够的驱动力，同时避免对周围组织产生过大的磁场影响。6自由度定位系统需要具有较高的精度和实时性。控制算法需要能够根据摄像头图像和定位信息，精确计算所需的磁场控制参数，并实现对藤蔓机器人的稳定控制。内部压力控制在30kPa，最小弯曲半径达到3.85cm。

📊 实验亮点

实验结果表明，该磁驱动藤蔓机器人能够在30 kPa的内部压力下实现3.85厘米的最小弯曲半径，证明了其高曲率转向能力。通过复杂的导航任务，验证了磁驱动在自由空间导航中防止屈曲的有效性。6自由度定位系统验证了磁性顶端的悬挂，确保了藤蔓机器人的无剪切特性。此外，初步实验展示了利用顶端磁力实现藤蔓回缩的可能性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于微创手术、腔内诊断和治疗等领域。例如，可以利用磁驱动藤蔓机器人进行消化道肿瘤的早期筛查和治疗，或在血管内进行药物输送和血栓清除。该技术具有潜在的临床应用价值，有望提高手术精度、降低患者创伤。

📄 摘要（原文）

This paper explores the concept of external magnetic control for vine robots to enable their high curvature steering and navigation for use in endoluminal applications. Vine robots, inspired by natural growth and locomotion strategies, present unique shape adaptation capabilities that allow passive deformation around obstacles. However, without additional steering mechanisms, they lack the ability to actively select the desired direction of growth. The principles of magnetically steered growing robots are discussed, and experimental results showcase the effectiveness of the proposed magnetic actuation approach. We present a 25 mm diameter vine robot with integrated magnetic tip capsule, including 6 Degrees of Freedom (DOF) localization and camera and demonstrate a minimum bending radius of 3.85 cm with an internal pressure of 30 kPa. Furthermore, we evaluate the robot's ability to form tight curvature through complex navigation tasks, with magnetic actuation allowing for extended free-space navigation without buckling. The suspension of the magnetic tip was also validated using the 6 DOF localization system to ensure that the shear-free nature of vine robots was preserved. Additionally, by exploiting the magnetic wrench at the tip, we showcase preliminary results of vine retraction. The findings contribute to the development of controllable vine robots for endoluminal applications, providing high tip force and shear-free navigation.