[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

说明书

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种主、被动双半球结构胶囊机器人借助空间万向旋转磁矢量驱动在胃肠道内姿态任意调整和在沿弯曲肠道滚动行走的基本控制方法，前者是借助施加胃肠道接触面上方的旋转磁矢量驱动主动半球体相对被动半球体空转状态下与相应方位角旋转磁矢量的随动效应实现机器人在胃肠道内的姿态任意调整；后者是参考胶囊机器人前端摄像头无线传出图像分别调整旋转磁矢量方位角使机器人轴线与各段肠道弯曲方向基本一致，并在水平面内分别施加与肠道各段弯曲方向垂直的滚动旋转磁矢量驱动轴线处于水平面内并与肠道接触的主动半球体带动机器人分别沿肠道各段弯曲方向滚动行走。

背景技术

依靠肠道蠕动被动行走的胶囊内窥镜已经临床应用，由于姿态与运动不可控，依然存在视觉检测盲区，一般胶囊内窥镜的漏检率在百分之二十左右，因此，胶囊内窥镜姿态与行走的主动控制非常重要，并极具挑战性。由于磁控胶囊机器人可靠性好、安全性高，磁场非接触控制已经成为国内外研究热点。

美国Sehyuk Yim等人采用一块外部大型永磁体产生磁场驱动体内一种软胶囊内窥镜来实现胃部诊疗。胶囊内窥镜头部和尾部分别安装两块永磁体，外壳软弹性体可避免损伤肠道，外磁场作用下增加一个轴向伸缩自由度用以释放和注射药物，并在外部永磁体旋转磁场的驱动下实现机器人在胃肠表面的滚动。缺点是永磁体磁场存在梯度，若采用外部永磁体驱动机器人到达指定位置，必须维持内、外永磁体间距离恒定，由于胶囊机器人在肠道中的精确位置无法实时监测，因此无法精确控制外部永磁体的磁力，机器人位置控制不精确，运动不连续、稳定性差，可能出现磁力过大现象，甚至出现磁力冲击而损伤胃肠组织的危险，采用外部永磁体改变磁场方向操作复杂、灵活性差，机器人在胃肠道内姿态调整与转弯滚动行走控制不灵便。

意大利比萨大学Federico Carpi等人提出采用美国St.Louis公司研制的一种磁导航系统来定位胶囊机器人在体内的位置，即采用两个大型磁体分别放在胶囊内窥镜的两侧产生均匀的静态磁场，胶囊机器人由以色列M2A胶囊内窥镜表面覆盖两片磁性外壳构成，安装在病床两侧的两块大型同轴永磁体可在区域内控制产生最大强度为0.08T的均匀磁场。透视扫描仪对人体模型的测试结果表明磁导航定位系统可实现胶囊内窥镜在三维空间内的方位控制。但采用该均匀磁场驱动胶囊机器人无法精确控制磁感应强度，因而无法控制机器人的旋转磁力矩；可以实现机器人的定位，由于磁场空间转向操作不便，不能实现机器人的移动行走。

本课题组研究结果表明大型单块转动磁铁的旋转磁场为大梯度静态磁场，梯度磁场与胶囊机器人内嵌径向磁化钕铁硼磁铁的磁耦合过程中，内嵌径向磁化钕铁硼的姿态具有非稳定性和非唯一性，即采用转动磁铁进行调姿的方法不能准确控制内嵌径向磁化钕铁硼胶囊机器人的姿态，不能实现肠道内部的全景观察；梯度磁场与胶囊机器人内嵌轴向磁化钕铁硼磁铁的磁耦合过程中，机器人姿态具有唯一性，但磁力难以控制，磁铁会将胶囊机器人拉到紧贴肠壁状态而使通过旋转磁铁调姿发生困难。机器人在肠道内姿态调整与滚动转弯行走控制稳定性差，磁铁距离的较大变化会引起磁力冲击肠壁的危险。理论分析与试验表明采用体外磁铁的静态梯度磁场控制内嵌钕铁硼胶囊机器人姿态与运动控制的方法可操作性差、局限性大。

为了实现胶囊机器人在弯曲肠道中自由行走，减少对人体肠道的损伤，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)，提出了旋转轴线可调的空间万向均匀旋转磁场驱动控制方法。

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)，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向在空间坐标系各个象限内的唯一性控制，为实现机器人姿态的调整与定向驱动行走奠定了基础。

研究发现均匀空间万向旋转磁场与静态梯度磁场截然不同，它是利用内嵌径向磁化钕铁硼磁铁胶囊机器人轴线与空间万向旋转磁场旋转轴线的随动效应实现机器人姿态控制，胶囊机器人相当于旋转的磁陀螺，稳定性好。随动效应是一种动态磁效应，处于旋转磁场中机器人的姿态具有唯一性，因此，空间万向旋转磁场可以克服静态旋转磁场的缺陷，准确控制胶囊机器人在胃肠道内的姿态调整，使胃肠道内的全景观察成为可能。