[发明专利]一种空间万向旋转磁场的三维空间电压矢量控制方法

说明书

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种用于驱动胶囊机器人的空间万向旋转磁场的三维空间电压矢量控制方法。本发明通过对三轴正交亥姆霍兹线圈上的三维电压空间矢量末端轨迹进行控制，产生空间万向旋转磁场，可便利地通过参数的调整实现对不同频率、幅值、轴线方向的旋转磁场的控制。在旋转一周等分的每一个控制周期中，取瞬时电压矢量来进行合成，保证每个控制周期内所合成的磁场变化与目标轨迹的趋近，提升了旋转磁场的精度，为日后空间万向旋转磁场控制胶囊机器人的临床应用奠定了坚实的基础。

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种用于驱动胶囊机器人的空间万向旋转磁场的三维空间电压矢量控制方法。

背景技术

当今社会，越来越多的人们生活在一种亚健康状态，容易使人体滋生许多慢性疾病，其中属胃肠道疾病最为常见。大多数胃肠道疾病如果能够在早期阶段及时诊断发现并治愈，以防止进一步恶化甚至癌变。因此，胃肠道疾病的诊疗在医疗领域的地位便显得十分重要。绝大多数医疗机构目前采用电子内窥镜作为诊断胃肠道疾病的主要手段。然而，内窥镜的导管会对患者造成不适与痛感，甚至会对胃肠道组织造成伤害，另一方面，导管的长度也限制了内窥镜的检查范围，无法遍历到整个胃肠道。

为解决上述问题，研究发现无缆驱动方式可显著提高胶囊机器人在复杂的胃肠道环境内的通过性，并且在无缆驱动方式中，磁控型胶囊机器人以其非接触控制方式具有可靠性高、安全性好等优点，称为了国内外学者们的研究热点。

美国Sehyuk Yim等人采用外部永磁体产生梯度磁场来对一种软胶囊机器人进行控制。胶囊机器人的头部和尾部分别装有两块永磁体，在外磁场作用下可以产生轴向伸缩以释放胶囊机器人内部装载的药物，实现靶向施药。通过对外部永磁体的控制产生旋转磁场进而控制胶囊机器人的运动。由于外部永磁体的磁场存在梯度，无法精确控制外部永磁体的磁力，使得该方式存在操作复杂，灵活性差，机器人位置控制稳定性差，精度低的缺点，并有磁力过大损伤胃肠道表面的风险。

日本K.Ishiyama等人采用三轴亥姆霍兹线圈产生空间旋转磁场，内嵌径向磁化钕铁硼永磁体的胶囊机器人在旋转磁场的控制下旋转，利用机器人表面的螺纹产生旋进运动，但并未提及任意调整旋转磁场轴线的方法，不能实现在肠道弯曲环境内的驱动。

为实现胶囊机器人在弯曲肠道环境中自由行走，本课题组在已授权的国家发明专利“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：ZL200810011110.2)，提出了旋转轴线可调的空间万向旋转磁场控制方法，并给出适用于空间第一象限的旋转磁场基本电流叠加公式。

为了实现旋转磁场轴线的万向可调，将基本电流叠加公式扩展到空间另七个象限，在已授权的国家发明专利“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，在理论上解决通过数字化控制实现空间万向旋转磁矢量方位、旋向、强度、转速的任意调整的问题，为实现机器人的姿态调整与定向驱动行走奠定了基础。如附图1所示，通过在计算机控制平台2中输入旋转磁场的强度幅值、轴线方位、转速等，计算机控制平台通过基本电流叠加公式计算出三轴亥姆霍兹线圈中通入的电流幅值与相位参数，将其传入DSP控制系统1，由控制系统驱动三轴正交方形亥姆霍兹线圈4，产生旋转磁场实现对胶囊机器人3的控制。

为解决胶囊机器人在胃肠道中诊察时的姿态调整与行走两种运动方式相互分离的问题，在已授权的国家发明专利“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”(专利授权号：ZL 201510262778.4)中，利用球形结构的灵活性与万向性，避免了调姿时球形机器人发生滚动运动，结合空间万向旋转磁场的控制，可实现主、被动双半球结构胶囊机器人在体内自由进行姿态调整与转弯行走，研究表明，空间万向旋转磁场的方位与末端圆形轨迹误差直接影响机器人的控制精度。