基于正交变换控制的胶囊机器人暂态特性研究

摘要

通过外置旋转磁场与胶囊机器人内置永磁体间的电磁耦合作用，磁驱胶囊机器人可实现在人体胃肠道等非结构宽裕环境内的运动和姿态变换，完成对胃肠道等不易检查区域的高效、安全、无创诊疗，近些年来愈发成为了国内外学者们的研究热点。 课题组提出一种通过三轴正交方形亥姆霍兹线圈来产生空间万向旋转磁矢量，驱动花瓣型胶囊机器人在人体胃肠道环境中的新型控制方法。为了提高花瓣型胶囊机器人的磁导航精度和操控稳定性，本文对花瓣型胶囊机器人的自定心性进行了研究探索，并针对机器人在转向及调姿过程中自定心性较差的问题，对空间万向旋转磁矢量的暂态误差和抑制方法进行了深入的理论分析和实验探究。 首先，基于正交变换操作和空间万向旋转磁矢量叠加原理，本文研究了旋转磁矢量产生暂态误差的原因，发现当电流控制参数发生突变时，三组电路系统均会出现电流暂态现象，并进而引发空间均匀磁场的暂态全响应，使三相正弦磁场叠加公式产生新的暂态衰减误差分量，对胶囊机器人的控制精度和运动的稳定性造成不利影响。 其次，分别推导出了磁矢量方位角变换和电流幅值变换时的磁场全响应模型，运用坐标旋转变换原理和微分几何相关知识，分析并发现了当方位角发生变换时，实际磁矢量的末端轨迹是一条空间螺旋线；当电流幅值发生变换时，实际磁矢量的末端轨迹是一条落在旋转平面内的平面螺旋线。 在此分析基础上，分别建立了实际旋转磁矢量的暂态方位误差和暂态幅度相对误差初始值的数学模型。针对磁矢量方位角变换的情况，提出了图解法和解析法这两种求解最佳换路时刻的方法，据此提出了基于选择最佳换路时刻的暂态双误差综合抑制法；针对电流幅值变换的情况，提出了基于减小电流幅值变换幅度的暂态双误差综合抑制法。 最后，通过实验验证了这两种暂态误差抑制法的有效性，证明它们均可在完全消除暂态方位误差的前提下，最大限度地抑制暂态幅度误差，有效地提高了胶囊机器人在人体胃肠道等操作环境中行走、转弯及姿态变换时的控制精度和稳定性，为实现花瓣型胶囊机器人的高效控制和无创诊疗奠定了坚实的基础。

目录

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1.1 国内外微型医用胶囊机器人研究现状

1.1.1 胃肠被动蠕动式胶囊机器人

1.1.2 电驱式胶囊机器人

1.1.3 磁驱式胶囊机器人

1.2 目前胶囊机器人研究现状分析

1.3 研究意义及研究内容

2.1 驱动系统概述

2.2 花瓣型胶囊机器人结构

2.3 基于正交变换控制的旋转磁矢量叠加原理

2.4 花瓣型胶囊机器人的自定心性

2.5 小结

3.1 磁场全响应分析

3.1.1 方位角(α, β)变换时的磁场全响应

3.1.2 电流幅值I0变换时的磁场全响应

3.1.3 磁场旋转角速度ω变换时的磁场全响应

3.2 稳态磁矢量末端轨迹分析

3.2.1 方位角(α, β)变换时的稳态磁矢量末端轨迹

3.2.2 电流幅值I0变换时的稳态磁矢量末端轨迹

3.3 暂态磁矢量末端轨迹分析

3.3.1 方位角(α, β)变换时的暂态磁矢量末端轨迹

3.3.2 电流幅值I0变换时的暂态磁矢量末端轨迹

3.4 实际磁矢量末端轨迹分析

3.4.1 方位角(α, β)变换时的实际磁矢量末端轨迹

3.4.2 电流幅值I0变换时的实际磁矢量末端轨迹

3.5 小结

4.1 方位角(α, β)变换时的磁矢量暂态误差抑制

4.1.1 暂态方位误差的抑制

4.1.2 暂态幅度误差的抑制

4.1.3 暂态双误差的综合抑制法

4.2 电流幅值I0变换时磁矢量暂态误差的抑制

4.2.1 暂态方位误差的抑制

4.2.2 暂态幅度误差的抑制

4.2.3 暂态双误差的综合抑制法

4.3 小结

5.1 试验装置

5.2 试验内容

5.2.1 胶囊机器人自定心性验证试验

5.2.2 方位角(α, β)变换时的暂态双误差综合抑制试验

5.2.3 电流幅值I0变换时的暂态双误差综合抑制试验

5.3 小结