[发明专利]磁场与视觉相结合的医疗微型机器人体内姿态定位方法

摘要

本发明属于医学工程技术领域，公开了一种分别向三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置施加方位角可调整的直流叠加磁场，借助体内微型机器人嵌入无线视觉传输系统与磁检测相结合的途径实现内嵌径向磁化钕铁硼磁体螺旋旋进医疗微型机器人在体内姿态定位的基本方法。其特征是借助机器人嵌入无线视觉系统观察到小磁针随外磁场转动到与机器人轴线重合时，便能将复杂的姿态方位角检测问题转化为外加直流磁场方位角数值可直接读取的已知变量。本发明的有益效果是避免了传统方法需要多个传感器进行检测和复杂的运算过程，以非接触方式快捷的检测出机器人在体内的姿态方位角，为产生相应方位角的旋转磁场提供位姿参数，提高了机器人在弯曲环境内的可操作性。

主权项

1、磁场与视觉相结合的医疗微型机器人体内姿态定位方法，其特征在于：(1)规划三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈组围成的空间，以便包容人体与病床；将三组亥姆霍兹线圈组从大到小的顺序相互正交嵌套的安装方案，完成匹配设计，使三组亥姆霍兹线圈施加同一直流电流时，在三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈组围成的边长为最大方形亥姆霍兹线圈边长三分之二的中心立体区域内产生的静态磁场强度相等；(2)通过摇杆手柄(e)的倾角传感器(f)采集到的空间三轴倾角数据去驱动三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置(c)，在其中心区域叠加形成的均匀直流磁场的方位角与摇杆手柄(e)轴线方向角一致；(3)借助机器人内嵌检测系统(d)的无线视频传送与姿态检测系统控制器(g)图像接收系统观察到万向小磁针(6)与机器人内部特定标记(7)重合时，即实现了外磁场方位角与机器人轴线重合，将姿态方位角检测问题转化为外加直流磁场方位角数值直接读取的已知变量；(4)调节摇杆手柄(e)，改变外加磁场矢量的方位角，当小磁针(6)旋转到跟机器人轴线重合时，如果机器人本体载有内嵌径向磁化钕铁硼驱动器(4)，则机器人轴线的姿态角要通过公式(3)修正求得机器人轴线的姿态方位角α、β、γ；$\left\{\begin{array}{c}{b}_x=\cos \phi \sin \alpha B_X^{\prime }+(\cos \phi \frac{\cos \alpha \cos \beta }{\sin \alpha }-\sin \phi \frac{\cos \gamma }{\sin \alpha })B_Y^{\prime }+(\cos \phi \frac{\cos \alpha \cos \gamma }{\sin \alpha }+\sin \phi \frac{\cos \beta }{\sin \alpha })B_Z^{\prime }\\ 0=\sin \phi \sin \alpha B_X^{\prime }+(\sin \phi \frac{\cos \alpha \cos \beta }{\sin \alpha }+\cos \phi \frac{\cos \gamma }{\sin \alpha })B_Y^{\prime }+(\sin \phi \frac{\cos \alpha \cos \gamma }{\sin \alpha }-\cos \phi \frac{\cos \beta }{\sin \alpha })B_Z^{\prime }\\ B_z^{\prime }=-\cos \alpha B_X^{\prime }+\cos \beta B_Y^{\prime }+\cos \gamma B_Z^{\prime }\\ {\cos }^2\alpha +\mathrm{co}{s}^2\beta +{\cos }^2\gamma =1\end{array}\right.---\left(3\right)式中：B\prime X、B\prime Y、B\prime Z为外加磁矢量B\prime 在固定坐标系OXYZ的X、Y、Z三个轴上的投影，为已知量，$ B^{\prime }=\left[\begin{array}{c}{B}_X^{\prime }\\ B_Y^{\prime }\\ B_Z^{\prime }\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{c}{\cos \alpha }^{\prime }\\ \cos {\beta }^{\prime }\\ \cos {\gamma }^{\prime }\end{array}\right]外施加磁场方向角为$ \left[\begin{array}{c}{\alpha }^{\prime }\\ {\beta }^{\prime }\\ {\gamma }^{\prime }\end{array}\right]bx为内驱动器(4)在小磁针(6)处产生的大小已知的静磁场，\alpha 、\beta 、\gamma 为机器人轴线在固定坐标系OXYZ内的待求姿态方位角，\phi 为坐标变换时动坐标系oxnyz绕Z轴的待求旋转角。$$$