一种螺旋胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种通过向三轴正交亥姆霍兹线圈输入以 空间某一固定轴线方位角为输入变量的相关幅值和相位及以各自线圈电结构参数进行幅 度补偿的同频率三相正弦电流信号叠加空间万向旋转磁场驱动螺旋胶囊机器人稳态游动 过程中，采取逐渐减小有效驱动电流和磁驱动力矩直到胶囊机器人出现临界丢步现象，结 合磁耦合力矩与临界驱动电流、丢步转差角的特定关系和磁耦合力矩与液体阻力矩的平衡 关系，实现螺旋胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线检测和任一旋转磁场强度下转差角的 计算方法。
【背景技术】
[0002] 胃肠胶囊内窥镜的临床应用扩展了医学诊疗视野，使体内结肠等盲区内的检查成 为可能。目前胶囊内窥镜主要依靠胃肠蠕动被动行走，尚不能实现姿态控制，统计研宄表明 胶囊内窥镜在胃肠道内的漏检区域大约为百分之二十，并存在滞留于肠道的危险。若能实 现胶囊姿态和运动主动控制，消化道遍历时间会缩短，可望提高诊疗效率，降低漏检区域， 改善诊疗安全性。主动控制对扩展胶囊功能十分重要，如检测胃肠道PH值生理参数，消化 道内释放药物、甚至微手术等操作，具有广阔的应用前景。
[0003] 体内医疗胶囊机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其环境特点是 周围由柔弹性组织封闭、内部充有体液的狭小空间。为了避免对柔弹性软组织造成创伤，要 求机器人以无缆方式驱动，目前，通过磁场控制胶囊机器人已经成为研宄的主流，并认为是 最有可能应用的技术途径，通过控制游动，可靠的进入和退出体内深处，并采用简单、易于 微型化的结构，实现体内在线作业。
[0004] 机器人在人体内部封闭、充满体液的狭小空间中运行时，由于柔弹性软组织的特 殊性，要求机器人对肠道无损伤，不产生肠道扭曲，并以较低功耗对全消化道进行安全、可 靠的在线检测。因此，合理设计胶囊机器人外形，减小机器人旋转时的液体阻力矩对减少或 者避免肠道扭曲十分重要，可是，迄今为止，螺旋胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线实时 检测一直是个难题。该技术对廓形的优化设计与优化结果的安全检测意义重大。
[0005] 在所申请的发明专利"空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法" 中（专利授权号：ZL 201210039753. 4)，通过以空间某一固定轴线方位角为输入变量的相 关幅值和相位的同频率三相正弦电流信号的各种反相位电流的组合驱动方式与三轴正交 嵌套亥姆霍兹线圈装置内叠加的空间万向均匀旋转磁场的旋转轴方位和旋向的变化规律 为基础，实现了空间万向旋转磁场旋转轴线方位与旋转方向在空间坐标系各个象限内的唯 一性控制，但没有涉及电流幅值的具体补偿方法，会使所叠加的空间万向旋转磁场形状产 生误差，进而影响胶囊机器人液体阻力矩的检测精度。此外，专利中还存在如下2个问题：
[0006] (1)上述专利已经得到了万向旋转磁场叠加公式：
[0007]
【主权项】
1. 一种螺旋胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线测量方法，其特征在于： 由沿Z轴方向放置的一组大线圈组、沿y轴方向放置的一组中间线圈组和沿X轴方向 放置的一组小线圈组从大到小组成的三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈，其空间区域包围胶囊机 器人；聚苯乙烯空心细杆、反射圆盘和有机玻璃管将聚苯乙烯空心细杆穿过有机玻璃管一 端的孔，确保聚苯乙烯空心细杆不与孔壁接触，并使聚苯乙烯空心细杆的两端分别连接有 机玻璃管内的胶囊机器人和反射圆盘，在管外利用光电转速表对反射圆盘进行转速检测， 即为机器人的实际转速； 对电流幅值进行补偿，消除三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈电结构参数对电流幅值的影 响，提高磁场均匀度，然后分别逐渐减小三组线圈的驱动电流幅值，使磁耦合力矩减小，机 器人与万向磁场的转差角增大，对应的转差角为90°时，机器人刚好出现丢步，此时的电流 即为临界驱动电流；将测出的临界驱动电流和90°转差角代入磁耦合力矩公式求得临界 磁耦合力矩，即液体阻力矩。
2. 根据权利要求1所述的一种螺旋胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线测量方法，其 特征在于： (1) 叠加幅值为Btl的均匀空间万向旋转磁场，沿X线圈、沿y线圈、沿z线圈针对线圈 结构参数进行电流幅值补偿后的电流公式为：
(8) 其中，
α、β、γ、分别为空间单位向量η =(cos a，cos β，cos γ )与空间笛卡尔坐标系的X，y，ζ轴的方向角，Itl为向ζ轴线圈中 施加电流的幅值，ω为磁场旋转的角速度，旋转方向为逆时针；公式（8)即为修正电流关系 式；
其中，2a为线圈的边长，t为方形线圈的厚度，2d为线圈中心点之间的距离，1为线圈宽 度，b为线圈的间距，N为单个亥姆霍兹线圈的匝数，Utl= 4π X KT7HAi代表真空磁导率； (2) 叠加幅值为Btl的均匀空间万向旋转磁场，为了消除三组线圈感抗对各自电流幅度 的影响，以便叠加出幅值均匀的旋转磁场，进而减小液体阻力矩在线测量误差，设置具有电 流反馈作用的系统控制器，电流反馈不会因电流频率的增加使线圈感抗增大而造成磁场衰 减，而是通过PID控制调节三组线圈电流幅值保持恒定，形成电流闭环，即利用霍尔电流传 感器检测亥姆霍兹线圈的输出电流，传感器输出的电压信号经过限流电阻、运算放大以及 滤波之后，输出的放大电流经A/D转换输入至DSP中，经过PID运算模块对电流设定值和测 量值的误差进行修改整定，最终实现电流反馈控制； (3) 空间万向旋转磁场驱动胶囊机器人在充满大粘度液体中行走，当旋转磁场轴线与 机器人轴线重合，机器人达到稳态游动状态时，磁驱动力矩与流体阻力矩相等，采用数字化 控制器逐渐减小对三组线圈施加的驱动电流，使机器人刚好出现丢步，通过转速表测量机 器人的稳态转速变化来判定胶囊机器人的丢步，当低于该稳态转速时表示机器人已经失 稳，机器人出现丢步，对应的转差角为90°，此时电流即为临界驱动电流，最后，由磁耦合力 矩公式可得出液体阻力矩； T = B〇msin δ = KzI〇msin δ (9) 其中，Btl为磁感应强度幅值，m为永磁体磁矩矢量，δ为旋转磁场矢量与机器人内嵌永 磁体磁矩矢量的转差角。 (4) 旋转磁场频率不变时同步旋转的机器人角速度也保持不变，磁耦合力矩与流体阻 力矩达到平衡状态，即磁耦合力矩恒等于液体阻力矩，根据磁耦合力矩公式（9)即可求得 任一磁感应强度下机器人的转差角。 (5) 三轴亥姆霍兹线圈是由三组线圈正交嵌套组合而成，利用毕奥萨法尔定律在线圈 中心叠加出的空间万向均匀旋转磁场不会因线圈的形状不同有本质差别，所以，方形亥姆 霍兹线圈和圆形亥姆霍兹线圈的磁场叠加原理都是相同的，仅有的区别就是线圈的结构参 数不同。电流幅值补偿修正公式、电流反馈控制和基于磁耦合力矩临界驱动电流的液体阻 力矩检测方法对圆形亥姆霍兹线圈甚至其它形状的亥姆霍兹线圈均适用。单组圆形亥姆霍 兹线圈结构参数V为：
其中，R为线圈内部半径，其它参数的意义与方形亥姆霍兹线圈相同。
【专利摘要】一种螺旋胶囊机器人液体阻力矩的在线测量方法和转差角的计算方法，通过对三组线圈分别加载以空间某一固定轴线方位角为输入变量的相关幅值和相位及以各自线圈电结构参数进行幅度补偿的同频率三相正弦电流信号使线圈内部产生均匀旋转磁场驱动胶囊机器人旋进；逐渐减小修正驱动电流，使机器人刚好出现丢步，对应的电流即为临界驱动电流，并由磁耦合力矩公式得到液体阻力矩。本发明实现了胶囊机器人在液体中受到液体阻力矩的实时非接触检测和转差角的计算，提高了液体阻力矩测量准确性，为进行廓形优化减小对肠道的液体扭曲阻力矩与有效提高能源利用率奠定了基础。
【IPC分类】G01M10-00
【公开号】CN104764586
【申请号】CN201510157709
【发明人】张永顺, 迟明路, 王殿龙, 苏忠侃, 张林霞
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月3日