Magnetic Levitation for Soft-Tethered Capsule Colonoscopy Actuated With a Single Permanent Magnet: A Dynamic Control Approach

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作者
Giovanni Pittiglio,Lavinia Barducci,James Martin,Joseph C. Norton,Carlo Alberto Avizzano,Keith L. Obstein,Pietro Valdastri
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters 卷期号:4 (2): 1224-1231 被引量:112
标识
DOI:10.1109/lra.2019.2894907
摘要

The present letter investigates a novel control approach for magnetically driven soft-tethered capsules for colonoscopy-a potentially painless approach for colon inspection. The focus of this work is on a class of devices composed of a magnetic capsule endoscope actuated by a single external permanent magnet. Actuation is achieved by manipulating the external magnet with a serial manipulator, which in turn produces forces and torques on the internal magnetic capsule. We propose a control strategy which, counteracting gravity, achieves levitation of the capsule. This technique, based on a nonlinear backstepping approach, is able to limit contact with the colon walls, reducing friction, avoiding contact with internal folds, and facilitating the inspection of nonplanar cavities. The approach is validated on an experimental setup, which embodies a general scenario faced in colonoscopy. The experiments show that we can attain 19.5% of contact with the colon wall, compared to the almost 100% of previously proposed approaches. Moreover, we show that the control can be used to navigate the capsule through a more realistic environment-a colon phantom-with reasonable completion time.
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