暂态过程中空间万向旋转磁矢量误差分析

摘要

胶囊机器人在医疗领域的应用前景光明，但是尚不能实现主动控制，难以满足诊疗要求。空间万向旋转磁场技术能够解决这一问题，即向三轴亥姆霍兹线圈通入一定关系的三组正弦电流来叠加出空间万向旋转磁矢量，机器人在外部旋转磁矢量的作用下在人体胃肠道内旋进。但是，空间万向旋转磁场技术仍然存在问题:胶囊机器人启动、停止及转弯时，旋转磁矢量方位需要改变，这会导致暂态现象，即线圈中电流由稳态变为暂态，随之产生的磁矢量会有很大误差。
　　本文提出换路时刻暂态抑制法来削减暂态磁矢量误差。首先在固定坐标系内建立了机器人转弯时的全响应电流模型和暂态磁矢量模型;又通过坐标系变换，推导出旋转坐标系内暂态磁矢量的参数方程，分析了暂态现象对磁矢量末端轨迹的影响。理论分析表明:暂态磁矢量误差与换路前的磁矢量方位及换路时刻密切相关，原因是暂态分量与换路时刻电流的相位角密切相关。因此，可以通过控制换路时刻来削减机器人转弯时的暂态磁矢量误差。根据不同的换路方式，本文提出两种换路时刻暂态抑制方法:逐一换路法和整体换路法。经过比较两种方法的过渡过程及暂态磁矢量误差，本文认为整体换路法优于逐一换路法。应用整体换路暂态抑制法，分别分析暂态磁矢量误差幅值、方位误差及末端轨迹误差。并举例进行仿真和理论计算，结果表明整体换路法能够大幅削减暂态磁矢量误差。最后设计了相关实验验证了整体换路暂态抑制法能有效减小磁矢量误差。
　　本文通过解决暂态问题完善了空间万向旋转磁场驱动系统，提高了旋转磁矢量的精确性与稳定性，可望提高胶囊机器人在弯曲环境内的驱动性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 胶囊机器人研究现状

1．1．1 肠胃蠕动型

1．1．2 内驱动型

1．1．3 外驱动型

1．2 胶囊机器人的研究现状分析

1．3 研究意义及主要研究内容

2 花瓣状胶囊机器人及其驱动原理基础

2．1 人体胃肠道环境

2．2 花瓣状胶囊机器人

2．3 胶囊机器人驱动原理

2．4 三轴亥姆霍兹线圈的电学性能

2．5 小结

3 三轴亥姆霍兹线圈的暂态特性

3．1 三轴亥姆霍兹线圈的电流暂态模型

3．1．1 线圈系统电流的零状态响应

3．1．2 线圈系统电流的零输入响应

3．1．3 线圈系统电流的全响应

3．2 胶囊机器人转弯时磁矢量暂态模型

3．2．1 固定坐标系内转弯时暂态磁矢量表示

3．2．2 旋转坐标系内转弯时暂态磁矢量表示

3．3 小结

4 暂态磁矢量误差分析及优化

4．1 逐一换路暂态抑制法

4．1．1 线圈1分系统的最佳与最差换路时刻

4．1．2 线圈2分系统的最佳与最差换路时刻

4．1．3 线圈3分系统的最佳与最差换路时刻

4．1．4 逐一换路法过程分析

4．2 整体换路暂态抑制法

4．3 两种暂态抑制法的比较分析

4．4 整体换路法暂态磁矢量误差幅值分析

4．5 整体换路法暂态磁矢量方位误差分析

4．6 整体换路法暂态磁矢量末端轨迹误差分析

4．7 小结

5 整体换路暂态抑制法验证实验

5．1 实验装置及实验原理

5．2 实验内容

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