胶囊机器人磁导航万向旋转磁矢量的误差研究

摘要

磁驱动胶囊机器人不仅能够有效解决胶囊机器人驱动所需的能量问题，而且可以作为驱动源对胶囊机器人的运动和姿态进行控制，能够实现人体胃肠道的高效、无创遍历检查，具有广阔的临床应用前景，同时也是国内外研究的热点。
　　本课题组研发出一种通过向三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈提供三相正弦电流叠加空间万向旋转磁矢量驱动胶囊机器人，实现全悬浮游动的花瓣型胶囊机器人系统。为了提高花瓣型胶囊机器人姿态调整与转弯磁导航的精度，本文对胶囊机器人驱动磁矢量——空间万向旋转磁矢量的误差问题进行研究和校正。
　　首先，基于空间万向旋转磁矢量叠加原理，对旋转磁矢量误差的产生原因进行分析，得出三组亥姆霍兹线圈结构参数以及相位差不匹配不仅会使所生成的旋转磁矢量产生方位误差，还会使旋转磁矢量的末端轨迹形状发生改变，即产生磁矢量大小误差。
　　其次，借助曲线论定理证明在线圈结构参数与相位差影响下所叠加的实际旋转磁矢量的末端轨迹仍为平面曲线，在此基础上建立了旋转磁矢量方位误差和大小误差的数学模型。并通过仿真分析，对旋转磁矢量方位误差和大小误差规律进行研究。
　　旋转磁矢量大小误差的存在，导致胶囊机器人旋转时的磁力矩发生波动，使得其稳定性变差，甚至发生丢步现象，影响胶囊机器人的驱动效率;旋转磁矢量方位误差的存在，致使胶囊机器人的姿态控制不准确，增加胶囊机器人行走过程中发生碰壁的风险，不利于高效顺利地完成整个胃肠道的诊疗。
　　为此，提出了双误差补偿方法对旋转磁矢量的误差进行校正，其中包含基于三组线圈结构参数的电流幅值补偿和基于直线极化相对相位差的电压相位补偿。
　　最后，通过实验对本文所提出的采用双误差补偿方法对旋转磁矢量的误差进行校正的可行性进行验证。实验结果表明，通过双误差补偿法校正之后的旋转磁矢量，其方位精度与稳定性得到明显提高，保证胶囊机器人姿态控制的准确性和行走的稳定性，促进了胶囊机器人的临床医学应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 国内外胶囊机器人研究现状

1．1．1 被动式胶囊机器人

1．1．2 电能驱动式胶囊机器人

1．1．3 磁能驱动式胶囊机器人

1．2 胶囊机器人研究现状分析

1．3 亥姆霍兹线圈研究现状简介

1．4 研究意义及研究内容

2 花瓣型胶囊机器人医疗系统

2．1 系统概述

2．2 胶囊机器人结构介绍

2．3 三轴亥姆霍兹线圈装置简介

2．4 理想旋转磁矢量叠加原理

2．5 小结

3 空间万向旋转磁矢量误差分析

3．1 误差产生原因分析

3．2 误差模型建立

3．2．1 曲线论定理

3．2．2 磁矢量方位误差模型

3．2．3 磁矢量大小误差模型

3．3 仿真分析

3．4 小结

4 空间万向旋转磁矢量误差校正

4．1 电流幅值补偿

4．2 电压相位补偿

4．2．1 磁场极化特性

4．2．2 直线极化相对相位差补偿方法

4．3 补偿后磁矢量叠加效果分析

4．4 小结

5 试验

5．1 误差校正验证实验

5．2 新型胶囊机器人探索实验

5．3 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢