一種螺旋膠囊機(jī)器人液體阻力矩的非接觸在線測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動(dòng)化工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過(guò)向三軸正交亥姆霍茲線圈輸入以 空間某一固定軸線方位角為輸入變量的相關(guān)幅值和相位及以各自線圈電結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行幅 度補(bǔ)償?shù)耐l率三相正弦電流信號(hào)疊加空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)螺旋膠囊機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng) 過(guò)程中，采取逐漸減小有效驅(qū)動(dòng)電流和磁驅(qū)動(dòng)力矩直到膠囊機(jī)器人出現(xiàn)臨界丟步現(xiàn)象，結(jié) 合磁耦合力矩與臨界驅(qū)動(dòng)電流、丟步轉(zhuǎn)差角的特定關(guān)系和磁耦合力矩與液體阻力矩的平衡 關(guān)系，實(shí)現(xiàn)螺旋膠囊機(jī)器人液體阻力矩的非接觸在線檢測(cè)和任一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度下轉(zhuǎn)差角的 計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 胃腸膠囊內(nèi)窺鏡的臨床應(yīng)用擴(kuò)展了醫(yī)學(xué)診療視野，使體內(nèi)結(jié)腸等盲區(qū)內(nèi)的檢查成 為可能。目前膠囊內(nèi)窺鏡主要依靠胃腸蠕動(dòng)被動(dòng)行走，尚不能實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，統(tǒng)計(jì)研宄表明 膠囊內(nèi)窺鏡在胃腸道內(nèi)的漏檢區(qū)域大約為百分之二十，并存在滯留于腸道的危險(xiǎn)。若能實(shí) 現(xiàn)膠囊姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)主動(dòng)控制，消化道遍歷時(shí)間會(huì)縮短，可望提高診療效率，降低漏檢區(qū)域， 改善診療安全性。主動(dòng)控制對(duì)擴(kuò)展膠囊功能十分重要，如檢測(cè)胃腸道PH值生理參數(shù)，消化 道內(nèi)釋放藥物、甚至微手術(shù)等操作，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 體內(nèi)醫(yī)療膠囊機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境是體內(nèi)的腸道、泌尿系統(tǒng)、血管等，其環(huán)境特點(diǎn)是 周?chē)扇釓椥越M織封閉、內(nèi)部充有體液的狹小空間。為了避免對(duì)柔彈性軟組織造成創(chuàng)傷，要 求機(jī)器人以無(wú)纜方式驅(qū)動(dòng)，目前，通過(guò)磁場(chǎng)控制膠囊機(jī)器人已經(jīng)成為研宄的主流，并認(rèn)為是 最有可能應(yīng)用的技術(shù)途徑，通過(guò)控制游動(dòng)，可靠的進(jìn)入和退出體內(nèi)深處，并采用簡(jiǎn)單、易于 微型化的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)在線作業(yè)。
[0004] 機(jī)器人在人體內(nèi)部封閉、充滿體液的狹小空間中運(yùn)行時(shí)，由于柔彈性軟組織的特 殊性，要求機(jī)器人對(duì)腸道無(wú)損傷，不產(chǎn)生腸道扭曲，并以較低功耗對(duì)全消化道進(jìn)行安全、可 靠的在線檢測(cè)。因此，合理設(shè)計(jì)膠囊機(jī)器人外形，減小機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)的液體阻力矩對(duì)減少或 者避免腸道扭曲十分重要，可是，迄今為止，螺旋膠囊機(jī)器人液體阻力矩的非接觸在線實(shí)時(shí) 檢測(cè)一直是個(gè)難題。該技術(shù)對(duì)廓形的優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果的安全檢測(cè)意義重大。
[0005] 在所申請(qǐng)的發(fā)明專利"空間萬(wàn)向疊加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線方位與旋向的控制方法" 中（專利授權(quán)號(hào)：ZL 201210039753. 4)，通過(guò)以空間某一固定軸線方位角為輸入變量的相 關(guān)幅值和相位的同頻率三相正弦電流信號(hào)的各種反相位電流的組合驅(qū)動(dòng)方式與三軸正交 嵌套亥姆霍茲線圈裝置內(nèi)疊加的空間萬(wàn)向均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)軸方位和旋向的變化規(guī)律 為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線方位與旋轉(zhuǎn)方向在空間坐標(biāo)系各個(gè)象限內(nèi)的唯 一性控制，但沒(méi)有涉及電流幅值的具體補(bǔ)償方法，會(huì)使所疊加的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形狀產(chǎn) 生誤差，進(jìn)而影響膠囊機(jī)器人液體阻力矩的檢測(cè)精度。此外，專利中還存在如下2個(gè)問(wèn)題：
[0006] (1)上述專利已經(jīng)得到了萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)疊加公式：
[0007]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種螺旋膠囊機(jī)器人液體阻力矩的非接觸在線測(cè)量方法，其特征在于： 由沿Z軸方向放置的一組大線圈組、沿y軸方向放置的一組中間線圈組和沿X軸方向 放置的一組小線圈組從大到小組成的三軸正交嵌套亥姆霍茲線圈，其空間區(qū)域包圍膠囊機(jī) 器人；聚苯乙烯空心細(xì)桿、反射圓盤(pán)和有機(jī)玻璃管將聚苯乙烯空心細(xì)桿穿過(guò)有機(jī)玻璃管一 端的孔，確保聚苯乙烯空心細(xì)桿不與孔壁接觸，并使聚苯乙烯空心細(xì)桿的兩端分別連接有 機(jī)玻璃管內(nèi)的膠囊機(jī)器人和反射圓盤(pán)，在管外利用光電轉(zhuǎn)速表對(duì)反射圓盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)， 即為機(jī)器人的實(shí)際轉(zhuǎn)速； 對(duì)電流幅值進(jìn)行補(bǔ)償，消除三軸正交嵌套亥姆霍茲線圈電結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電流幅值的影 響，提高磁場(chǎng)均勻度，然后分別逐漸減小三組線圈的驅(qū)動(dòng)電流幅值，使磁耦合力矩減小，機(jī) 器人與萬(wàn)向磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差角增大，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差角為90°時(shí)，機(jī)器人剛好出現(xiàn)丟步，此時(shí)的電流 即為臨界驅(qū)動(dòng)電流；將測(cè)出的臨界驅(qū)動(dòng)電流和90°轉(zhuǎn)差角代入磁耦合力矩公式求得臨界 磁耦合力矩，即液體阻力矩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺旋膠囊機(jī)器人液體阻力矩的非接觸在線測(cè)量方法，其 特征在于： (1) 疊加幅值為Btl的均勻空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，沿X線圈、沿y線圈、沿z線圈針對(duì)線圈 結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行電流幅值補(bǔ)償后的電流公式為：
(8) 其中，
α、β、γ、分別為空間單位向量η =(cos a，cos β，cos γ )與空間笛卡爾坐標(biāo)系的X，y，ζ軸的方向角，Itl為向ζ軸線圈中 施加電流的幅值，ω為磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角速度，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針；公式（8)即為修正電流關(guān)系 式；
其中，2a為線圈的邊長(zhǎng)，t為方形線圈的厚度，2d為線圈中心點(diǎn)之間的距離，1為線圈寬 度，b為線圈的間距，N為單個(gè)亥姆霍茲線圈的匝數(shù)，Utl= 4π X KT7HAi代表真空磁導(dǎo)率； (2) 疊加幅值為Btl的均勻空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，為了消除三組線圈感抗對(duì)各自電流幅度 的影響，以便疊加出幅值均勻的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而減小液體阻力矩在線測(cè)量誤差，設(shè)置具有電 流反饋?zhàn)饔玫南到y(tǒng)控制器，電流反饋不會(huì)因電流頻率的增加使線圈感抗增大而造成磁場(chǎng)衰 減，而是通過(guò)PID控制調(diào)節(jié)三組線圈電流幅值保持恒定，形成電流閉環(huán)，即利用霍爾電流傳 感器檢測(cè)亥姆霍茲線圈的輸出電流，傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)限流電阻、運(yùn)算放大以及 濾波之后，輸出的放大電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入至DSP中，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算模塊對(duì)電流設(shè)定值和測(cè) 量值的誤差進(jìn)行修改整定，最終實(shí)現(xiàn)電流反饋控制； (3) 空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)膠囊機(jī)器人在充滿大粘度液體中行走，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線與 機(jī)器人軸線重合，機(jī)器人達(dá)到穩(wěn)態(tài)游動(dòng)狀態(tài)時(shí)，磁驅(qū)動(dòng)力矩與流體阻力矩相等，采用數(shù)字化 控制器逐漸減小對(duì)三組線圈施加的驅(qū)動(dòng)電流，使機(jī)器人剛好出現(xiàn)丟步，通過(guò)轉(zhuǎn)速表測(cè)量機(jī) 器人的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速變化來(lái)判定膠囊機(jī)器人的丟步，當(dāng)?shù)陀谠摲€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)表示機(jī)器人已經(jīng)失 穩(wěn)，機(jī)器人出現(xiàn)丟步，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差角為90°，此時(shí)電流即為臨界驅(qū)動(dòng)電流，最后，由磁耦合力 矩公式可得出液體阻力矩； T = B〇msin δ = KzI〇msin δ (9) 其中，Btl為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，m為永磁體磁矩矢量，δ為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量與機(jī)器人內(nèi)嵌永 磁體磁矩矢量的轉(zhuǎn)差角。 (4) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率不變時(shí)同步旋轉(zhuǎn)的機(jī)器人角速度也保持不變，磁耦合力矩與流體阻 力矩達(dá)到平衡狀態(tài)，即磁耦合力矩恒等于液體阻力矩，根據(jù)磁耦合力矩公式（9)即可求得 任一磁感應(yīng)強(qiáng)度下機(jī)器人的轉(zhuǎn)差角。 (5) 三軸亥姆霍茲線圈是由三組線圈正交嵌套組合而成，利用畢奧薩法爾定律在線圈 中心疊加出的空間萬(wàn)向均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不會(huì)因線圈的形狀不同有本質(zhì)差別，所以，方形亥姆 霍茲線圈和圓形亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)疊加原理都是相同的，僅有的區(qū)別就是線圈的結(jié)構(gòu)參 數(shù)不同。電流幅值補(bǔ)償修正公式、電流反饋控制和基于磁耦合力矩臨界驅(qū)動(dòng)電流的液體阻 力矩檢測(cè)方法對(duì)圓形亥姆霍茲線圈甚至其它形狀的亥姆霍茲線圈均適用。單組圓形亥姆霍 茲線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)V為：
其中，R為線圈內(nèi)部半徑，其它參數(shù)的意義與方形亥姆霍茲線圈相同。
【專利摘要】一種螺旋膠囊機(jī)器人液體阻力矩的在線測(cè)量方法和轉(zhuǎn)差角的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)三組線圈分別加載以空間某一固定軸線方位角為輸入變量的相關(guān)幅值和相位及以各自線圈電結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行幅度補(bǔ)償?shù)耐l率三相正弦電流信號(hào)使線圈內(nèi)部產(chǎn)生均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)膠囊機(jī)器人旋進(jìn)；逐漸減小修正驅(qū)動(dòng)電流，使機(jī)器人剛好出現(xiàn)丟步，對(duì)應(yīng)的電流即為臨界驅(qū)動(dòng)電流，并由磁耦合力矩公式得到液體阻力矩。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了膠囊機(jī)器人在液體中受到液體阻力矩的實(shí)時(shí)非接觸檢測(cè)和轉(zhuǎn)差角的計(jì)算，提高了液體阻力矩測(cè)量準(zhǔn)確性，為進(jìn)行廓形優(yōu)化減小對(duì)腸道的液體扭曲阻力矩與有效提高能源利用率奠定了基礎(chǔ)。
【IPC分類】G01M10-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104764586
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510157709
【發(fā)明人】張永順, 遲明路, 王殿龍, 蘇忠侃, 張林霞
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月3日