一種空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)人機(jī)交互控制方法
【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，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(chǎng)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(hào)電流形式的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)疊加公式，并通過(guò)兩個(gè)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(dú)掃描的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，參照主被動(dòng)雙半球形膠囊機(jī)器人前端攝像 頭無(wú)線傳輸圖像由兩個(gè)操縱桿分別調(diào)整磁場(chǎng)軸線側(cè)擺與俯仰方位角，實(shí)現(xiàn)空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)軸線方位的人機(jī)交互控制，使機(jī)器人軸線姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)細(xì)長(zhǎng)管道內(nèi)待測(cè)區(qū)域，或者與各段細(xì) 長(zhǎng)管道彎曲方向基本一致并在水平面內(nèi)實(shí)加垂直磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)的基本控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微型醫(yī)療機(jī)器人的工作環(huán)境是體內(nèi)的細(xì)長(zhǎng)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(jī)器人主動(dòng)控制和操作帶來(lái)了很大難度。為 了不對(duì)柔彈性軟組織造成創(chuàng)傷，要求微型機(jī)器人W無(wú)電纜驅(qū)動(dòng)方式可靠進(jìn)入和退出體內(nèi)深 處，并能安全精細(xì)地實(shí)現(xiàn)診斷、介入治療等工作。體內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人無(wú)纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)提高人類 壽命與生活質(zhì)量，避免外部手術(shù)對(duì)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(shí)間，降低醫(yī)療費(fèi)用，必將對(duì)醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。
[0003] 無(wú)纜驅(qū)動(dòng)方式可顯著提高膠囊機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境內(nèi)的通過(guò)性、安全性與可靠性， 因此無(wú)纜驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為國(guó)際上的主要發(fā)展趨勢(shì)。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(chǎng)，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(jìn)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)方案，但該文獻(xiàn)未提及磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線的任意調(diào)整的具體實(shí)施途徑，不 能實(shí)現(xiàn)體內(nèi)彎曲環(huán)境內(nèi)的驅(qū)動(dòng)。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)膠囊機(jī)器人在彎曲細(xì)長(zhǎng)管道中自由行走，減少對(duì)人體細(xì)長(zhǎng)管道的損傷， 本課題組在已獲得的國(guó)家發(fā)明專利"體內(nèi)醫(yī)療微型機(jī)器人萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控制方法"中 (專利授權(quán)號(hào):ZL 200810011110.2)，提出了磁場(chǎng)軸線可調(diào)的空間萬(wàn)向均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控 制方法，并給出僅適合于空間第一象限的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)電流的幅值， ?為電流的角頻率，疊加磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。
[0007] 為了應(yīng)用于空間其它屯個(gè)象限，在已獲得的國(guó)家發(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)中，通過(guò)W空間 某一固定軸線=個(gè)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(hào)的各種反 相位電流的組合驅(qū)動(dòng)方式與=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 向在空間坐標(biāo)系各個(gè)象限內(nèi)的唯一性控制，在理論上解決了通過(guò)"數(shù)字化軟驅(qū)動(dòng)"實(shí)現(xiàn)空間 萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁矢量方位、旋向、強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速的任意調(diào)整與控制問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整 與定向驅(qū)動(dòng)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(wàn)向性，避免調(diào)姿時(shí)球形機(jī)器人在細(xì)長(zhǎng) 管道內(nèi)滾動(dòng)并保證機(jī)器人軸線在原地與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步隨動(dòng)，解決機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整與轉(zhuǎn)彎行 走兩種運(yùn)動(dòng)相互分離運(yùn)一難題，課題組又申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利"一種主被動(dòng)雙半球形膠囊 機(jī)器人及其姿態(tài)調(diào)整與轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)控制方法"（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01510262778.4)，借助空間萬(wàn)向 旋轉(zhuǎn)磁矢量控制，可望實(shí)現(xiàn)主、被動(dòng)雙半球結(jié)構(gòu)膠囊機(jī)器人在細(xì)長(zhǎng)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(shuō)明一種主被動(dòng)雙半球形膠囊機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，它包括主動(dòng) 半球體和被動(dòng)半球體兩部分，將徑向磁化欽鐵棚圓環(huán)內(nèi)驅(qū)動(dòng)器7和攝像頭與圖像傳輸裝置8 過(guò)盈裝配，將階梯軸6也與攝像頭與圖像傳輸裝置8過(guò)盈裝配，最后將攝像頭與圖像傳輸裝 置8組件再與主動(dòng)半球殼1過(guò)盈配合構(gòu)成主動(dòng)半球體;軸承定位套筒3與被動(dòng)半球殼2過(guò)盈配 合構(gòu)成被動(dòng)半球體，主動(dòng)半球體和被動(dòng)半球體由軸承4懸浮連接的過(guò)程如下:將軸承4安裝 在主動(dòng)半球體組件的階梯軸6上，再將主動(dòng)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(tái)階實(shí)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(dòng)半球轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng) 圓螺母5與細(xì)長(zhǎng)管道接觸影響姿態(tài)調(diào)整。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與徑向磁化欽鐵棚圓環(huán)內(nèi)驅(qū)動(dòng)器7的禪合 磁矩帶動(dòng)包括攝像頭與圖像傳輸裝置8的主動(dòng)半球體繞被動(dòng)半球體相對(duì)空轉(zhuǎn)，主動(dòng)半球體 處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，被動(dòng)半球體在配重作用下始終處于下方，處于欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，與細(xì)長(zhǎng)管道接觸 的摩擦力約束下的被動(dòng)半球體處于靜止?fàn)顟B(tài)，可防止機(jī)器人調(diào)姿時(shí)發(fā)生滾動(dòng)，主動(dòng)半球處 于上方不與細(xì)長(zhǎng)管道接觸或者與細(xì)長(zhǎng)管道接觸區(qū)域較小，主動(dòng)半球體相對(duì)位于下面靜止的 被動(dòng)半球體空轉(zhuǎn)，調(diào)整姿態(tài)時(shí)在細(xì)長(zhǎng)管道接觸面上方施加旋轉(zhuǎn)磁矢量，主動(dòng)半球體相對(duì)被 動(dòng)半球體空轉(zhuǎn)，隨動(dòng)效應(yīng)使主被動(dòng)雙半球形膠囊機(jī)器人軸線一直追隨相應(yīng)方位角旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 的軸線實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)管道內(nèi)的姿態(tài)任意調(diào)整與全景觀察。參考機(jī)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(chǎng)軸線方位角使機(jī)器人軸線與各段細(xì)長(zhǎng)管道彎曲方向基本一 致，并在水平面內(nèi)分別施加與細(xì)長(zhǎng)管道各段彎曲方向垂直的滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁矢量驅(qū)動(dòng)軸線處于 水平面內(nèi)并與細(xì)長(zhǎng)管道接觸的主動(dòng)半球體帶動(dòng)機(jī)器人分別沿細(xì)長(zhǎng)管道各段彎曲方向滾動(dòng) 行走。盡管該申請(qǐng)發(fā)明專利提出磁場(chǎng)方位改變與機(jī)器人無(wú)線視覺(jué)相融合的控制方案，但沒(méi) 有給出空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線人機(jī)交互控制的具體實(shí)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(xì)長(zhǎng)管道的彎曲方向，空 間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)，可望實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人轉(zhuǎn)彎行走，可是，由于細(xì)長(zhǎng)管道存在重疊現(xiàn)象，復(fù)雜細(xì)長(zhǎng)管道=維影像重構(gòu)技術(shù)難W實(shí) 現(xiàn)。
[0011] 基于磁場(chǎng)與視覺(jué)相結(jié)合的姿態(tài)控制方法，如果通過(guò)操縱桿控制不斷檢測(cè)出機(jī)器人 在細(xì)長(zhǎng)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(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置提供旋轉(zhuǎn)姿態(tài) 方位角驅(qū)動(dòng)參量，由公式（I)可知，該方法需檢測(cè)和控制軸線在笛卡爾坐標(biāo)系中的3個(gè)姿態(tài) 方位角，且無(wú)法分離，因?yàn)?個(gè)方位角度相互關(guān)聯(lián)，因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制其中的一個(gè)方 位角，顯然，依據(jù)公式（1)控制磁場(chǎng)方位與旋向過(guò)程復(fù)雜，可操作性差，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互性困 難，應(yīng)該另辟曖徑。
[0012] 解決途徑是實(shí)現(xiàn)空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)人機(jī)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(gè)姿態(tài)角度為輸入變量的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)疊加公式，使方位控制變 量由=個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，將空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的=維疊加問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)的兩維疊加問(wèn)題， 并通過(guò)兩個(gè)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(chǎng)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(dú)立控制的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)低維度可分離變 量交互磁場(chǎng)軸線控制，借助膠囊機(jī)器人的攝像頭無(wú)線傳輸圖像實(shí)現(xiàn)側(cè)擺與俯仰兩個(gè)方向的 獨(dú)立掃描，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線方位的人機(jī)交互控制。通過(guò)人機(jī)交互實(shí)時(shí)不斷調(diào)整操縱桿輸 入側(cè)擺與俯仰角數(shù)據(jù)，使機(jī)器人的軸線方向?qū)?zhǔn)細(xì)長(zhǎng)管道內(nèi)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行診療或者始終與 細(xì)長(zhǎng)管道不同彎曲階段的方向一致，便能實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)雙半球形膠囊機(jī)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(dòng)。
[0013] 目前，尚未有人提出基于膠囊機(jī)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(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)基本電流疊加公式和通過(guò)兩個(gè)操縱桿分別將側(cè)擺與俯仰角度分離控制的 與膠囊機(jī)器人無(wú)線傳輸圖像相融合的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線方位的人機(jī)交互控制方案，其顯著優(yōu)點(diǎn) 是姿態(tài)角度控制變量少，由=個(gè)姿態(tài)角度變?yōu)閮蓚€(gè)，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)角度變量的降維，在空間八 個(gè)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(gè)象限），疊加磁場(chǎng)方向 具有唯一性，人機(jī)交互操作簡(jiǎn)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(gè)姿 態(tài)角度為輸入變量的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電流形式疊加公式，W及通過(guò)兩個(gè)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(dú)控制的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，借助參考膠囊機(jī)器人前端攝像頭 無(wú)線傳出圖像分別調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線側(cè)擺與俯仰方位角，實(shí)現(xiàn)空間萬(wàn)向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸線方位 與無(wú)線傳出圖像相互融合的人機(jī)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(chǎng)疊加裝置C，其空間區(qū)域包圍平臺(tái)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(chǎng)疊加裝置C疊加空間萬(wàn)向旋