[发明专利]一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种分别向三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置施加以磁场轴线在经纬坐标系内的侧摆与俯仰角为输入变量的相关幅值和相位的同频率正弦信号电流形式的空间万向旋转磁场叠加公式，并通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角分离控制，在三轴相互正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置包围的均匀区域内叠加形成轴线可分别沿侧摆与俯仰方向单独扫描的旋转磁场，参照主被动双半球形胶囊机器人前端摄像头无线传输图像由两个操纵杆分别调整磁场轴线侧摆与俯仰方位角，实现空间万向旋转磁场轴线方位的人机交互控制，使机器人轴线姿态对准细长管道内待测区域，或者与各段细长管道弯曲方向基本一致并在水平面内实加垂直磁场实现滚动的基本控制方法。

背景技术

微型医疗机器人的工作环境是体内的细长管道，管状柔弹性壁环境组织内形复杂，蜿蜒曲折，空间狭小，复杂非结构化环境给机器人主动控制和操作带来了很大难度。为了不对柔弹性软组织造成创伤，要求微型机器人以无电缆驱动方式可靠进入和退出体内深处，并能安全精细地实现诊断、介入治疗等工作。体内医疗机器人无缆驱动技术对提高人类寿命与生活质量，避免外部手术对人体造成创伤甚至致残具有重要的科学意义，能减轻使用者痛苦，缩短康复时间，降低医疗费用，必将对医学工程的发展产生极大的影响。

无缆驱动方式可显著提高胶囊机器人在复杂环境内的通过性、安全性与可靠性，因此无缆驱动已经成为国际上的主要发展趋势。日本K.Ishiyama等人提出了利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，作用于胶囊内嵌径向磁化钕铁硼永磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进驱动的技术方案，但该文献未提及磁场旋转轴线的任意调整的具体实施途径，不能实现体内弯曲环境内的驱动。

为了实现胶囊机器人在弯曲细长管道中自由行走，减少对人体细长管道的损伤，本课题组在已获得的国家发明专利“体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法”中(专利授权号：ZL 200810011110.2)，提出了磁场轴线可调的空间万向均匀旋转磁场驱动控制方法，并给出仅适合于空间第一象限的空间万向旋转磁场基本电流叠加公式：

其中，α、β、γ分别为空间单位向量n＝(cosα，cosβ，cosγ)与空间笛卡尔坐标系x，y，z轴的方向角，I₀为驱动电流的幅值，ω为电流的角频率，叠加磁场旋转方向为逆时针。

为了应用于空间其它七个象限，在已获得的国家发明专利“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)中，通过以空间某一固定轴线三个方向角为输入变量的基本电流叠加公式中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向在空间坐标系各个象限内的唯一性控制，在理论上解决了通过“数字化软驱动”实现空间万向旋转磁矢量方位、旋向、强度、转速的任意调整与控制问题，为实现机器人姿态的调整与定向驱动行走奠定了基础。

为了结合球形结构调姿与转弯的灵活性与万向性，避免调姿时球形机器人在细长管道内滚动并保证机器人轴线在原地与旋转磁场同步随动，解决机器人姿态调整与转弯行走两种运动相互分离这一难题，课题组又申请了国家发明专利“一种主被动双半球形胶囊机器人及其姿态调整与转弯驱动控制方法”(专利申请号：201510262778.4)，借助空间万向旋转磁矢量控制，可望实现主、被动双半球结构胶囊机器人在细长管道内的姿态调整与转弯行走。