Pitch Angle Control of a Magnetically Actuated Capsule Robot with Nonlinear FEA-based MPC and EKF Multisensory Fusion

📄 arXiv: 2602.10610v1 📥 PDF

作者: Chongxun Wang, Zikang Shen, Apoorav Rathore, Akanimoh Udombeh, Harrison Teng, Fangzhou Xia

分类: cs.RO

发布日期: 2026-02-11

备注: This version is submitted for review at IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

💡 一句话要点

提出基于非线性有限元MPC和EKF多传感器融合的磁驱动胶囊机器人俯仰角控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 磁驱动胶囊机器人 俯仰角控制 模型预测控制 有限元分析 扩展卡尔曼滤波

📋 核心要点

  1. 现有磁驱动胶囊机器人系统在胃肠道微创诊断和治疗中应用广泛，但大多忽略了对胶囊俯仰角的控制，这对于与倾斜胃壁的接触至关重要。
  2. 论文提出了一种基于非线性有限元分析的MPC控制方法，并结合EKF多传感器融合，实现了对磁驱动胶囊机器人俯仰角的精确控制。
  3. 实验结果表明，该方法能够实现更快的稳定速度和更少的振荡，即使在相机更新率降低的情况下也能保持稳定的闭环控制。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于模型的非线性控制框架，用于磁驱动可摄入胶囊机器人的俯仰角控制，该机器人由四线圈电磁阵列驱动，旨在解决现有系统对胶囊俯仰角控制的忽略问题，而俯仰角对于与倾斜胃壁的接触式交互至关重要。论文利用三维有限元仿真表征了作用于嵌入式永磁体的角度相关磁力和力矩，并将其作为查找表嵌入到面向控制的刚体俯仰模型中，该模型考虑了滚动接触和执行器动力学。设计了一个约束模型预测控制器（MPC）来调节俯仰角，同时满足硬件施加的电流和转换速率限制。在顺应性胃部模拟表面上的实验表明，与开关控制相比，该方法实现了更快的稳定速度和更少的振荡，实现了从水平和垂直配置的鲁棒俯仰角重定向。此外，扩展卡尔曼滤波器（EKF）将惯性传感与间歇性视觉测量融合，即使相机更新率从30 Hz降低到1 Hz，也能实现稳定的闭环控制，模拟了临床现实的成像约束。这些结果表明，基于有限元信息的MPC与传感器融合是俯仰角调节、受控对接和未来多自由度胶囊运动的可扩展策略。

🔬 方法详解

问题定义：现有磁驱动胶囊机器人系统在进行胃肠道诊断和治疗时，通常忽略了对胶囊俯仰角的精确控制。然而，在与倾斜的胃壁进行接触式交互时，俯仰角是一个至关重要的自由度。因此，需要设计一种能够精确控制胶囊俯仰角的控制方法，以提高胶囊机器人在胃肠道内的操作能力。

核心思路：论文的核心思路是利用有限元分析（FEA）来精确建模磁场作用下胶囊所受的磁力和力矩，并将其嵌入到模型预测控制（MPC）中，从而实现对胶囊俯仰角的精确控制。同时，为了应对临床实际中视觉信息更新频率较低的情况，采用扩展卡尔曼滤波器（EKF）融合惯性传感器和视觉信息，提高控制系统的鲁棒性。

技术框架：整体框架包括以下几个主要模块：1) 基于三维有限元仿真的磁力/力矩建模；2) 建立包含滚动接触和执行器动力学的刚体俯仰模型；3) 设计约束模型预测控制器（MPC）；4) 利用扩展卡尔曼滤波器（EKF）进行多传感器融合。首先，通过有限元仿真得到磁力/力矩的查找表。然后，将查找表嵌入到刚体俯仰模型中。接着，设计MPC控制器，并考虑硬件约束。最后，利用EKF融合惯性传感器和视觉信息，实现闭环控制。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 利用有限元分析精确建模了磁场作用下胶囊所受的磁力和力矩，提高了模型的准确性；2) 将有限元模型嵌入到模型预测控制中，实现了对胶囊俯仰角的精确控制；3) 采用扩展卡尔曼滤波器融合多传感器信息，提高了控制系统的鲁棒性，使其能够适应临床实际中视觉信息更新频率较低的情况。

关键设计：在有限元仿真中，需要精确设置材料属性、磁场参数等。在MPC控制器设计中，需要合理选择预测时域、控制时域、权重系数等参数，以平衡控制性能和计算复杂度。在EKF设计中，需要合理设置过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，以保证滤波器的稳定性和精度。

📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够实现鲁棒的俯仰角重定向，与开关控制相比，稳定速度提高了三到五倍，振荡运动减少。此外，即使在相机更新率从30 Hz降低到1 Hz的情况下，通过EKF多传感器融合，仍能实现稳定的闭环控制，验证了该方法在临床实际应用中的可行性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于胃肠道疾病的微创诊断和治疗，例如靶向药物递送、活检取样等。通过精确控制胶囊机器人的俯仰角，可以使其更好地与胃壁接触，提高操作的准确性和效率。未来，该技术有望扩展到其他腔道，实现更广泛的临床应用。

📄 摘要（原文）

Magnetically actuated capsule robots promise minimally invasive diagnosis and therapy in the gastrointestinal (GI) tract, but existing systems largely neglect control of capsule pitch, a degree of freedom critical for contact-rich interaction with inclined gastric walls. This paper presents a nonlinear, model-based framework for magnetic pitch control of an ingestible capsule robot actuated by a four-coil electromagnetic array. Angle-dependent magnetic forces and torques acting on embedded permanent magnets are characterized using three-dimensional finite-element simulations and embedded as lookup tables in a control-oriented rigid-body pitching model with rolling contact and actuator dynamics. A constrained model predictive controller (MPC) is designed to regulate pitch while respecting hardware-imposed current and slew-rate limits. Experiments on a compliant stomach-inspired surface demonstrate robust pitch reorientation from both horizontal and upright configurations, achieving about three to five times faster settling and reduced oscillatory motion than on-off control. Furthermore, an extended Kalman filter (EKF) fusing inertial sensing with intermittent visual measurements enables stable closed-loop control when the camera update rate is reduced from 30 Hz to 1 Hz, emulating clinically realistic imaging constraints. These results establish finite-element-informed MPC with sensor fusion as a scalable strategy for pitch regulation, controlled docking, and future multi-degree-of-freedom capsule locomotion.