当前，
眼内显微手术
已经从使用传统手持手术工具过渡到采用
机器人辅助系统
，后者能有效减轻手术过程中外科医生的生理颤抖，实现精确的运动缩放，从而显著提高了手术的精度和稳定性。但是，随着与眼后部距离的增加，机器人辅助系统可能会在外科医生的无意控制下将器械放置得过深或施加过大的巩膜力，从而导致视网膜或巩膜损伤，引起出血甚至严重创伤。针对这些问题，
电磁驱动系统
被提出用于在眼后部对微型机器人进行灵活的5自由度磁操控，进而实现精确的靶向给药。这种力控制模式使得微型机器人成为一种更安全的眼内手术器械。然而，在大范围工作空间内产生高强度磁场和磁力具有一定挑战性。因此，优化系统构型和电磁铁参数设计，以提供较高的磁场和磁力生成能力，已成为一个新兴的热点研究方向。
来自天津大学和南方科技大学的研究人员提出了一种新型电磁驱动系统，用于进行面向眼内显微手术的5自由度磁操控。该系统由八个优化的电磁铁按最优构型排列而成，并采用了基于自抗扰控制器(ADRC)和虚拟边界的控制框架。
通过优化系统构型，实现了与其他眼科手术器械更好的兼容性，同时提高了系统在垂直方向产生磁力的能力。此外，优化的电磁铁参数在磁场生成能力和热功率方面提供了更好的综合性能，从而实现了更强的持续工作能力。研究成果以“A Novel Electromagnetic Driving System for 5-DOF Manipulation in Intraocular Microsurgery”为题发表在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems上。
本文提出的5自由度电磁驱动系统由
八个优化的电磁铁组成，所有电磁铁轴线均指向工作空间中心点，其表面距离中心点65mm。
这一设计为提供一个开放空间，以容纳小动物的头部；其内部的可用工作空间可覆盖受试者眼睛的内部体积。此外，
所有电磁铁分为上下两组，每组4个，两组之间的夹角θ设为45°，均匀分布在公共垂直轴线周围
，以避免电磁铁之间的潜在碰撞。每组电磁铁具有不同的俯仰角度，以增强系统磁场与磁力生成能力的各向同性。
通过
调节每个电磁铁的驱动电流
，
可以获得所需的磁场及磁场梯度，从而远程地对微型机器人施加磁力矩和磁力。因此，在系统操纵下，工作空间内的微型机器人能够产生3自由度平移和2自由度转动，但不能绕其磁矩轴旋转。
系统通常采用磁场控制代替力矩控制，
将磁场B(P)和磁力Fm表示为驱动电流I的线性函数，并
以此定义电磁驱动系统的驱动矩阵A(M, P)，可用于分析构型对系统性能的影响。
为了提高电磁驱动系统的磁力生成能力，本文对系统构型进行了优化设计。
对于给定的电磁体构型，在最坏情况下的最小奇异值σmin可用作磁力生成能力的定量度量，并作为目标函数。此外，在优化过程中，对φupper和φlower的角度施加了限制条件，以在工作空间上方分配空间，方便与其他眼科手术器械兼容。
在优化过程中，考虑了微型机器人在不同方位的磁矩向量Mi，以确保系统具有各向同性的力控制权。另外，还引入了两个因子α和kz来修正驱动矩阵
。其中，α用于排除磁场的影响，使修正后的矩阵A’(M, P)仅提供磁力信息。而系数kz则作为补偿因子，用于校正矩阵A(M, P)，以在构型优化期间增加系统垂直方向上磁力生成能力的权重。kz由微型机器人的重力Fg、液体阻力Fr和浮力Fb定义。
通过以上计算和优化，最终确定φupper为6°，φlower为48°。
为了提高电磁铁的磁场生成能力，同时约束其热功率，本文通过基于有限元模型的电磁场仿真对电磁铁参数进行了优化设计。
通过选定优化目标为磁热比，优化过程排除了电流的影响，以确保电磁铁在不同驱动电流下具有一致的最优性能。此外，由于手术空间的限制和不同手术区域无缝协调的必要性，在目标函数中同样考虑了平台体积。通过基于有限元仿真的优化过程找到了可行区域内最大化目标函数的最优电磁铁参数，并为其添加了阶梯轴以改善其装配裕度。
仿真结果显示，优化后的电磁铁在整体性能方面表现出更明显的优势。
本文提出的电磁驱动系统采用了基于自抗扰控制器(ADRC)和虚拟边界的控制框架，以增强系统在眼内显微手术中的鲁棒性和安全性。
ADRC控制器可以有效地对总扰动和重力进行监测与补偿，进而增强系统的鲁棒性。虚拟边界可以通过避免碰撞来显著增强交互中的安全性。一旦微型机器人接近虚拟边界，系统就会自动施加一个斥力以防止碰撞。通过合理设置斥力函数，可以使微型机器人在虚拟边界附近实现平稳过渡。
为了验证所设计电磁铁的优化效果，本文对其进行了磁性能和热性能测试。
测试结果表明，优化后的电磁铁在65mm处施加1A电流时可以产生2.071mT的磁场，性能优越。此外，电磁铁在连续工作三小时后，通过自然散热，温度仅从室温(25°C)升高到46°C，温升较小，保障系统可在眼内显微手术中对微型机器人开展长时间的磁操控。
本文还在类似眼内手术环境的液体中进行了轨迹跟踪实验，以验证所提出控制框架的鲁棒性和安全性
。在不同操作模式下的性能测试中，最大RMS误差均保持在35.8μm以内，为眼内显微手术提供了稳定支持。
本文提出了一种新型电磁驱动系统，用于眼内显微手术中5自由度的磁操纵。该系统通过优化系统构型和电磁铁参数，提高了系统的磁场与磁力生成能力，并限制了热功率，实现了更强的持续工作能力。此外，所采用的控制框架结合了自抗扰控制器和虚拟边界技术，增强了系统的鲁棒性和交互安全性。实验结果验证了该系统的优异性能，表明其能为眼内显微手术提供精确、稳定的支持。
未来，可以在该电磁驱动系统的基础上，进一步开发面向眼内手术的微型机器人，实现自动化、智能化的手术操作。此外，还可以探索将该系统扩展到体腔内其他部位的微创手术，以及与内窥镜等医疗设备的集成应用，提高微创手术的精准度和安全性。这将为广大患者带来更多获益。
