[发明专利]空间万向旋转磁场方位误差的直线极化相位校正方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种三轴正交亥姆霍兹线圈所叠加空间万向旋转磁场方位误差的校正方法，具体以大线圈的电压相位为测量基准，借助于两相正交谐波信号叠加的直线极化特性，分别测出小线圈和中间线圈的输入电压相位差，并对输入电压进行数字化补偿，使三组正交亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度严格满足叠加理想旋转磁场的相位要求，消除三组亥姆霍兹线圈电学参数(电阻、电感)不一致以及线圈之间互感对空间万向旋转磁场方位精度的影响。

背景技术

随着科学技术的不断进步，机器人被越来越多的应用到医疗领域当中，可以完成对患者的诊断、治疗、手术和康复等工作。其中，胶囊机器人的发展和应用就是一个鲜明例子。胶囊机器人实际上是把药物、微型摄像头、微驱动器等装置装入胶囊大小的可食用的外壳内，帮助医生进行人体胃肠道的检查、诊断以及微创手术等工作。胶囊机器人可以实现人体胃肠道的遍历检查，克服了传统检查方式无法到达的盲区，同时可以避免传统内窥镜机械式插入对人体组织造成的损伤，达到无创的治疗目的，消除病人的痛苦，因此具有重要的应用价值。

目前，以色列Given Imaging公司生产的M2A、Pillcam SB、Pillcam ESO和Pillcam Colon胶囊机器人以及我国重庆金山公司生产的OMOM胶囊机器人都已相继投入临床应用，并取得了显著的医疗效果。然而，现有胶囊机器人的行走都是依靠胃肠道自身的蠕动，无法实现机器人姿态的主动控制，检查过程中存在视觉盲区。因此，寻求胶囊机器人安全、有效的驱动控制方法成为国内外的研究热点。

近年来，由于磁驱动能够有效地解决能量供应问题，并且操作简单，无缆磁控胶囊机器人的发展成为主流。意大利比萨大学Federico Carpi等人采用由圆环形磁铁旋转产生的均匀外磁场驱动胶囊机器人，但实现磁场旋转轴的改变不够灵便；日本K.Ishiyama等人提出采用三轴亥姆霍兹线圈提供旋转磁场，与机器人内部的永磁体产生磁耦合力矩驱动胶囊机器人，但其旋转磁场的轴线无法改变。中国科学院机械研究所提出用梯度线圈轴向拉动机器人前进，但该方式容易造成人体肠道组织的损伤。

为了满足胶囊机器人在人体蜿蜒曲折的肠道环境中自由行走，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旋转磁场驱动控制方法，并设计、加工了如附图1所示的空间万向旋转磁场发生装置及控制系统。

下面结合附图1，对三轴正交方形亥姆霍兹线圈叠加的空间万向旋转磁场进行简单介绍。将小线圈组(1)、中间线圈组(2)和大线圈组(3)三组方形亥姆霍兹线圈相互正交嵌套安装，向DSP28335数字化控制系统操作界面(5)中输入与机器人轴线方位角相关的电流幅值和电压相位，从而通过控制器(4)控制三组线圈中分别产生严格满足公式(1)的磁感应强度交变分量，最终在三轴正交亥姆霍兹线圈装置包围的一定空间内叠加合成相应方位角旋转轴线的理想旋转磁场。

式中，

为了使胶囊机器人在行走过程中具有较好的方向性和稳定性，磁场的磁感应强度B必须始终位于与向量n垂直的旋转平面中，即其末端轨迹为一个近似圆，如附图2所示。空间单位向量n表示胶囊机器人的运动方向，也是要求叠加旋转磁场旋转轴线的方向，其中α、β、γ分别为n与空间笛卡尔坐标系的X、Y、Z轴的夹角。

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。专利中提到可以采用幅值与相位补偿的电压信号通过数字化驱动叠加旋转磁场来消除线圈电学参数(电阻、电感)对叠加磁场的影响，然而要想使用专利中给出的方法进行补偿需要分别计算或者测量出三组线圈的电阻R₁、R₂、R₃和组合电感值L₁、L₂、L₃。其中组合电感的计算比较复杂，现结合附图3介绍单组亥母亥姆霍兹线圈的组合电感值的计算。