一種空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場人機交互控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動化工程技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種分別向=軸正交嵌套的亥姆霍茲線圈 裝置施加 W磁場軸線在經(jīng)締坐標(biāo)系內(nèi)的側(cè)擺與俯仰角為輸入變量的相關(guān)幅值和相位的同 頻率正弦信號電流形式的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場疊加公式，并通過兩個操縱桿分別將側(cè)擺與俯 仰角分離控制，在=軸相互正交嵌套的亥姆霍茲線圈裝置包圍的均勻區(qū)域內(nèi)疊加形成軸線 可分別沿側(cè)擺與俯仰方向單獨掃描的旋轉(zhuǎn)磁場，參照主被動雙半球形膠囊機器人前端攝像 頭無線傳輸圖像由兩個操縱桿分別調(diào)整磁場軸線側(cè)擺與俯仰方位角，實現(xiàn)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁 場軸線方位的人機交互控制，使機器人軸線姿態(tài)對準(zhǔn)細長管道內(nèi)待測區(qū)域，或者與各段細 長管道彎曲方向基本一致并在水平面內(nèi)實加垂直磁場實現(xiàn)滾動的基本控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微型醫(yī)療機器人的工作環(huán)境是體內(nèi)的細長管道，管狀柔彈性壁環(huán)境組織內(nèi)形復(fù) 雜，婉艇曲折，空間狹小，復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境給機器人主動控制和操作帶來了很大難度。為 了不對柔彈性軟組織造成創(chuàng)傷，要求微型機器人W無電纜驅(qū)動方式可靠進入和退出體內(nèi)深 處，并能安全精細地實現(xiàn)診斷、介入治療等工作。體內(nèi)醫(yī)療機器人無纜驅(qū)動技術(shù)對提高人類 壽命與生活質(zhì)量，避免外部手術(shù)對人體造成創(chuàng)傷甚至致殘具有重要的科學(xué)意義，能減輕使 用者痛苦，縮短康復(fù)時間，降低醫(yī)療費用，必將對醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。
[0003] 無纜驅(qū)動方式可顯著提高膠囊機器人在復(fù)雜環(huán)境內(nèi)的通過性、安全性與可靠性， 因此無纜驅(qū)動已經(jīng)成為國際上的主要發(fā)展趨勢。日本K. Ishiyama等人提出了利用=軸亥姆 霍茲線圈提供空間旋轉(zhuǎn)磁場，作用于膠囊內(nèi)嵌徑向磁化欽鐵棚永磁體，在膠囊表面螺紋作 用下旋進驅(qū)動的技術(shù)方案，但該文獻未提及磁場旋轉(zhuǎn)軸線的任意調(diào)整的具體實施途徑，不 能實現(xiàn)體內(nèi)彎曲環(huán)境內(nèi)的驅(qū)動。
[0004] 為了實現(xiàn)膠囊機器人在彎曲細長管道中自由行走，減少對人體細長管道的損傷， 本課題組在已獲得的國家發(fā)明專利"體內(nèi)醫(yī)療微型機器人萬向旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動控制方法"中 (專利授權(quán)號:ZL 200810011110.2)，提出了磁場軸線可調(diào)的空間萬向均勻旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動控 制方法，并給出僅適合于空間第一象限的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場基本電流疊加公式：
Cl)
[0006] 其中：
，a、e、丫分別為空間單位 向量n = (cosa，cos0，cos 丫）與空間笛卡爾坐標(biāo)系x，y，z軸的方向角，Io為驅(qū)動電流的幅值， ?為電流的角頻率，疊加磁場旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。
[0007] 為了應(yīng)用于空間其它屯個象限，在已獲得的國家發(fā)明專利"空間萬向疊加旋轉(zhuǎn)磁 場旋轉(zhuǎn)軸線方位與旋向的控制方法"中（專利授權(quán)號:ZL 201210039753.4)中，通過W空間 某一固定軸線=個方向角為輸入變量的基本電流疊加公式中=相正弦電流信號的各種反 相位電流的組合驅(qū)動方式與=軸正交嵌套亥姆霍茲線圈裝置內(nèi)疊加的空間萬向均勻旋轉(zhuǎn) 磁場的旋轉(zhuǎn)軸方位和旋向的變化規(guī)律為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)軸線方位與旋 向在空間坐標(biāo)系各個象限內(nèi)的唯一性控制，在理論上解決了通過"數(shù)字化軟驅(qū)動"實現(xiàn)空間 萬向旋轉(zhuǎn)磁矢量方位、旋向、強度、轉(zhuǎn)速的任意調(diào)整與控制問題，為實現(xiàn)機器人姿態(tài)的調(diào)整 與定向驅(qū)動行走奠定了基礎(chǔ)。
[0008] 為了結(jié)合球形結(jié)構(gòu)調(diào)姿與轉(zhuǎn)彎的靈活性與萬向性，避免調(diào)姿時球形機器人在細長 管道內(nèi)滾動并保證機器人軸線在原地與旋轉(zhuǎn)磁場同步隨動，解決機器人姿態(tài)調(diào)整與轉(zhuǎn)彎行 走兩種運動相互分離運一難題，課題組又申請了國家發(fā)明專利"一種主被動雙半球形膠囊 機器人及其姿態(tài)調(diào)整與轉(zhuǎn)彎驅(qū)動控制方法"（專利【申請?zhí)枴?01510262778.4)，借助空間萬向 旋轉(zhuǎn)磁矢量控制，可望實現(xiàn)主、被動雙半球結(jié)構(gòu)膠囊機器人在細長管道內(nèi)的姿態(tài)調(diào)整與轉(zhuǎn) 彎行走。
[0009] 結(jié)合附圖l(b)、（c)說明一種主被動雙半球形膠囊機器人的總體結(jié)構(gòu)，它包括主動 半球體和被動半球體兩部分，將徑向磁化欽鐵棚圓環(huán)內(nèi)驅(qū)動器7和攝像頭與圖像傳輸裝置8 過盈裝配，將階梯軸6也與攝像頭與圖像傳輸裝置8過盈裝配，最后將攝像頭與圖像傳輸裝 置8組件再與主動半球殼1過盈配合構(gòu)成主動半球體;軸承定位套筒3與被動半球殼2過盈配 合構(gòu)成被動半球體，主動半球體和被動半球體由軸承4懸浮連接的過程如下:將軸承4安裝 在主動半球體組件的階梯軸6上，再將主動半球體組件階梯軸6上的軸承4 一并裝入軸承定 位套筒3中，軸承定位套筒3內(nèi)部有一臺階實現(xiàn)軸承4外圈軸向定位，圓螺母5裝入階梯軸6上 W將軸承4內(nèi)圈軸向定位，圓螺母5不能突出到球面W外，W防止主動半球轉(zhuǎn)動過程中帶動 圓螺母5與細長管道接觸影響姿態(tài)調(diào)整。旋轉(zhuǎn)磁場與徑向磁化欽鐵棚圓環(huán)內(nèi)驅(qū)動器7的禪合 磁矩帶動包括攝像頭與圖像傳輸裝置8的主動半球體繞被動半球體相對空轉(zhuǎn)，主動半球體 處于驅(qū)動狀態(tài)，被動半球體在配重作用下始終處于下方，處于欠驅(qū)動狀態(tài)，與細長管道接觸 的摩擦力約束下的被動半球體處于靜止?fàn)顟B(tài)，可防止機器人調(diào)姿時發(fā)生滾動，主動半球處 于上方不與細長管道接觸或者與細長管道接觸區(qū)域較小，主動半球體相對位于下面靜止的 被動半球體空轉(zhuǎn)，調(diào)整姿態(tài)時在細長管道接觸面上方施加旋轉(zhuǎn)磁矢量，主動半球體相對被 動半球體空轉(zhuǎn)，隨動效應(yīng)使主被動雙半球形膠囊機器人軸線一直追隨相應(yīng)方位角旋轉(zhuǎn)磁場 的軸線實現(xiàn)細長管道內(nèi)的姿態(tài)任意調(diào)整與全景觀察。參考機器人的攝像頭與圖像傳輸裝置 8所傳輸?shù)膱D像分別調(diào)整磁場軸線方位角使機器人軸線與各段細長管道彎曲方向基本一 致，并在水平面內(nèi)分別施加與細長管道各段彎曲方向垂直的滾動旋轉(zhuǎn)磁矢量驅(qū)動軸線處于 水平面內(nèi)并與細長管道接觸的主動半球體帶動機器人分別沿細長管道各段彎曲方向滾動 行走。盡管該申請發(fā)明專利提出磁場方位改變與機器人無線視覺相融合的控制方案，但沒 有給出空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)軸線人機交互控制的具體實施方法。
[0010] 人體軟組織環(huán)境婉艇曲折，臨床應(yīng)用的瓶頸是如何確定細長管道的彎曲方向，空 間萬向旋轉(zhuǎn)磁場與顯影技術(shù)結(jié)合，沿著彎曲環(huán)境切線方向不斷施加旋轉(zhuǎn)磁場，可望實現(xiàn)機 器人轉(zhuǎn)彎行走，可是，由于細長管道存在重疊現(xiàn)象，復(fù)雜細長管道=維影像重構(gòu)技術(shù)難W實 現(xiàn)。
[0011] 基于磁場與視覺相結(jié)合的姿態(tài)控制方法，如果通過操縱桿控制不斷檢測出機器人 在細長管道內(nèi)不同彎曲環(huán)境內(nèi)的方位角姿態(tài)參數(shù)，為萬向旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動裝置提供旋轉(zhuǎn)姿態(tài) 方位角驅(qū)動參量，由公式（I)可知，該方法需檢測和控制軸線在笛卡爾坐標(biāo)系中的3個姿態(tài) 方位角，且無法分離，因為=個方位角度相互關(guān)聯(lián)，因此，無法實現(xiàn)單獨控制其中的一個方 位角，顯然，依據(jù)公式（1)控制磁場方位與旋向過程復(fù)雜，可操作性差，實現(xiàn)人機交互性困 難，應(yīng)該另辟曖徑。
[0012] 解決途徑是實現(xiàn)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場人機交互控制，具體方法是采用在經(jīng)締坐標(biāo)系 內(nèi)W側(cè)擺與俯仰角兩個姿態(tài)角度為輸入變量的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場疊加公式，使方位控制變 量由=個變?yōu)閮蓚€，將空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場的=維疊加問題轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)的兩維疊加問題， 并通過兩個操縱桿分別將側(cè)擺與俯仰角度分離控制，在=軸亥姆霍茲線圈裝置磁場均勻區(qū) 域空間內(nèi)疊加軸線可沿側(cè)擺與俯仰角方向分別獨立控制的旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)低維度可分離變 量交互磁場軸線控制，借助膠囊機器人的攝像頭無線傳輸圖像實現(xiàn)側(cè)擺與俯仰兩個方向的 獨立掃描，實現(xiàn)磁場旋轉(zhuǎn)軸線方位的人機交互控制。通過人機交互實時不斷調(diào)整操縱桿輸 入側(cè)擺與俯仰角數(shù)據(jù)，使機器人的軸線方向?qū)?zhǔn)細長管道內(nèi)待測區(qū)域進行診療或者始終與 細長管道不同彎曲階段的方向一致，便能實現(xiàn)主被動雙半球形膠囊機器人在彎曲環(huán)境內(nèi)基 于調(diào)姿的全景觀察與轉(zhuǎn)彎驅(qū)動。
[0013] 目前，尚未有人提出基于膠囊機器人自轉(zhuǎn)軸線在經(jīng)締坐標(biāo)系中側(cè)擺與俯仰角的空 間萬向旋轉(zhuǎn)磁場基本電流疊加公式和通過兩個操縱桿分別將側(cè)擺與俯仰角度分離控制的 與膠囊機器人無線傳輸圖像相融合的磁場旋轉(zhuǎn)軸線方位的人機交互控制方案，其顯著優(yōu)點 是姿態(tài)角度控制變量少，由=個姿態(tài)角度變?yōu)閮蓚€，實現(xiàn)了姿態(tài)角度變量的降維，在空間八 個象限內(nèi)具有相同的疊加電流公式(本專利只應(yīng)用Z軸正方向的四個象限），疊加磁場方向 具有唯一性，人機交互操作簡單。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明要解決的技術(shù)方案是提供一種基于經(jīng)締坐標(biāo)系內(nèi)W側(cè)擺與俯仰角兩個姿 態(tài)角度為輸入變量的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場電流形式疊加公式，W及通過兩個操縱桿分別將側(cè) 擺與俯仰角度分離控制，在=軸相互正交嵌套的亥姆霍茲線圈裝置包圍的均勻區(qū)域內(nèi)疊加 形成軸線可分別沿側(cè)擺與俯仰方向單獨控制的旋轉(zhuǎn)磁場，借助參考膠囊機器人前端攝像頭 無線傳出圖像分別調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場軸線側(cè)擺與俯仰方位角，實現(xiàn)空間萬向磁場旋轉(zhuǎn)軸線方位 與無線傳出圖像相互融合的人機交互控制方法。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0016] 將=組軸線相互正交的亥姆霍茲線圈嵌套在一起，構(gòu)成=軸正交嵌套亥姆霍茲線 圈磁場疊加裝置C，其空間區(qū)域包圍平臺b與使用者a軀干部分，借助=軸正交嵌套亥姆霍茲 線圈磁場疊加裝置C疊加空間萬向旋