双半球胶囊机器人倾斜环境动力学特性研究

摘要

胶囊机器人，不仅能缓解胃肠道病人的诊断痛苦，而且能通过人机交互系统控制机器人避开诊断视觉盲区。在外磁场的控制下，双半球胶囊机器人可以实现精确的控制，从而在食道、胃、结肠等非结构性宽裕的环境中实现介入治疗和诊断。因其安全性高，体内诊断稳定可靠，具有普遍的临床应用推广价值，同时也是国际小微机器人医疗研究的热门领域。 本文主要研究倾斜环境下双半球胶囊机器人的动力学特性、爬坡性能和运动稳定性。首先，双半球机器人通过两种模态的相互切换，不仅实现了主动模态在倾斜环境下稳定运动和爬坡行走，同时也实现了在被动模态时的悬停调姿作业。倾斜环境下机器人双模态作业的控制分离，为实现食道、胃等非结构宽裕空间内的医疗诊断与遍历检查提供了理论依据。 其次，在研究过程中，发现机器人无论在何种模态下工作，胶囊机器人总是主动半球自传，作为运动主体，跟随磁场运动，被动半球并不绕轴线转动，形成欠驱动状态。深入分析双半球胶囊机器人运动时姿态特征和方位信息，从而引入陀螺定点运动时的坐标系体系。同时利用拉格朗日方程、陀螺力学等相关原理，推导了被动模态下定点“悬停”调姿的动力学模型与主动模态下的滚动动力学模型。根据机器人的“悬停”调姿的稳定条件，确定了机器人能稳定调姿的最大倾斜角和控制参数选参范围；并根据机器人的爬坡性能，确定了机器人的爬坡运动条件和不同参数下最大爬坡角度。 最后，因为双半球机器人运动模型是复杂的时变非线性动力学方程，所以无法得到通用的解析解，只能通过仿真工具进行数值分析。本文主要通过Maple推导了双半球机器人运动模型，并利用Matlab仿真分析了机器人不同运动状态非线性模型的动态特性。通过分析机器人被动模态下姿态角的收敛情况，根据李雅普诺夫稳定性条件验证了机器人在被动条件下“悬停调姿”的稳定性。为了验证机器人的抗干扰能力，对机器人姿态角的时间响应曲线也做了充分分析。此外，机器人具有自站立特性，这确保了机器人的轴线方位始终只有一个，从而对机器人姿态角实现了准确的控制。在一定磁场控制下，机器人通过主被动模态转换，实现了倾斜环境下滚动和爬坡运动，这使得机器人可以按照要求到达指定位置从而进行检查，奠定了机器人在非结构性宽裕空间运动的基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 胶囊机器人发展现况

1.1.1 被动式胶囊内窥镜

1.1.2 主动式电驱动胶囊机器人

1.1.3 磁能驱动型胶囊机器人

1.2 研究现状分析

1.3 研究意义及主要研究内容

2 双半球机器人系统原理

2.1 系统概述

2.2 机器人结构

2.3 倾斜环境双模态切换原理

2.3.1 磁场降维转换机理

2.3.2 倾斜环境被动模态

2.3.3 倾斜环境主动模态

2.4 小结

3 倾斜环境下双半球胶囊机器人动力学建模

3.1 建立倾斜环境下坐标系

3.2 双半球机器人的力矩分析

3.2.1 机器人耦合磁力矩

3.2.2 机器人摩擦力矩

3.2.3 机器人重力矩

3.3 双半球机器人各模态动力学方程

3.3.1 倾斜环境被动模态力学模型

3.3.2 倾斜环境主动模态力学模型

3.3.3 倾斜环境伪被动模态力学模型

3.4 小结

4 系统仿真

4.1 倾斜环境被动模态特性分析

4.2 倾斜环境的主动模态特性分析

4.2.1 双半球机器人倾斜环境下滚动能力仿真

4.2.2 双半球机器人爬坡性能仿真

4.3 倾斜环境伪被动模态特性分析

4.4 小结

结论

参 考 文 献

附录 MATLAB/Simulink系统仿真图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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