面向靶向治疗的磁驱动螺旋形微型机器人的三维路径跟随视觉伺服控制

Magnetically actuated helical microswimmers are suitable for targeted therapy in eyes. However, the existing control methods for helical microswimmers cannot satisfy the requirements of applications, such as the precision, the repeatability, and the avoidance of dangerous areas. Focus on the two proposed key scientific issues, "image feature and pose of helical microswimmers based on monocular vision systems" and "3D path following of magnetically actuated helical microswimmers using visual servoing", this project develops the basic theories and key technologies of magnetically actuated microswimmers on image processing, pose calculation, motion modelling, motion control, and etc. This project aims to propose a method for image feature extraction and pose calculation of a helical microswimmer based on monocular vision systems, as well as a visual servo control method for 3D path following of the non-holonomic and non-linear motion system of magnetically actuated helical microswimmers, in order to achieve a precise path control of helical microswimmers, and founds the theoretical and experimental basis for microswimmers towards targeted therapy.

磁驱动螺旋形微型机器人是面向眼球内靶向治疗的理想载体，但是现有的针对螺旋形机器人的控制方法无法满足精确、可重复以及有效避开危险区域等技术需求。本项目围绕着“基于单目系统的螺旋形机器人图像特征与其位姿关系”，“磁驱动微型螺旋形机器人的三维路径跟随视觉伺服控制方法”两个关键科学问题，展开磁驱动螺旋形机器人在图像识别、位姿计算、运动建模、运动控制等方向的理论基础与关键技术研究。采用单目视觉反馈系统，针对螺旋形结构的复杂性与不对称行，提出螺旋形微型机器人的图像特征提取以及位姿计算方法，针对螺旋型推进运动的非完整约束的特点，建立非线性的三维路径跟随视觉伺服控制方法，以达到精确地控制螺旋形微型机器人运动轨迹的目的。为面向靶向治疗的微型机器人的发展打下理论与实验基础。

磁驱动螺旋形微型机器人是面向眼球内靶向治疗的理想载体。然而，现有的微型机器人控制精度不高、鲁棒性差和可重复性低等特点，限制了微型机器人走向临床应用。本项目针对螺旋形机器人应用于靶向治疗将面临的难点，围绕着“基于单目系统的螺旋形机器人图像特征与其位姿关系”，“磁驱动微型螺旋形机器人的三维路径跟随视觉伺服控制方法”两个关键科学问题，展开磁驱动螺旋形机器人在图像识别、位姿计算、运动建模、运动控制等方向的理论基础与关键技术研究。本项目提出了螺旋形结构微型机器人基于单目视觉系统的图像特征提取以及位姿计算方法，并建立了基于螺旋形推进非完整运动约束的三维运动模型的。针对磁场驱动的螺旋形微型机器人设计了三维路径跟随视觉伺服控制方法，成功实现了精确、鲁棒和可重复地控制螺旋形微型机器人的运动路径跟随。重要的研究成果为研制面向靶向药物输送，靶向治疗的微型机器人提供基础理论和技术支撑。