一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及自动化工程技术领域，具体而言，涉及一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统；本发明专利技术在胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩；本发明专利技术可以减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本发明专利技术的在线非接触检测方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测。

A Non-contact Detection Method and System for Torsional Torque of Capsule Robot

【技术实现步骤摘要】
一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统
本专利技术涉及自动化工程
，具体而言，涉及一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统。
技术介绍
近年来，随着低功耗、低成本小型图像传感器和微型集成电路的迅速发展，“可吞服”无线胶囊机器人的实现成为可能，并逐步取代了传统内窥镜检查。典型的胶囊机器人大小和外形均类似胶囊，由微型摄像头、照明系统、电池和射频电路构成，可在遍历检查过程中对消化道内部拍摄并传出，外部接收器获得发射模块传出的图像，由胃肠道诊疗专家分析对比进行病患筛查。美国、日本从上世纪80年代便对消化道采样胶囊进行研究，原理是利用形状记忆合金的特性进行消化道内软组织采样以及药物的靶向投放。上述胶囊均由患者吞入，借助肠道蠕动完成窥视、采样作业，利用消化道蠕动的方式进行遍历诊察，运行速度缓慢，无法在可疑病灶进行往返观察，因此，胶囊机器人的主动控制发展潜力巨大，机器人工作于人体肠道、血管等狭小环境中，外壁由柔弹性组织构成，内部充有血液或消化液。为了避免对柔弹性软组织造成损伤，机器人应以无线方式驱动，作为一种无线驱动创新技术，胶囊机器人提供了一种无创、无痛的检查方式，基于内嵌视觉系统综合无线传输图像功能的胶囊机器人可实施胃肠道内无创诊疗，胃肠胶囊机器人的临床应用扩展了医学诊疗视野，实现了体内小肠、结肠等盲区内的巡察。目前胶囊机器人主要靠胃肠蠕动推力作用而被动行走，无法实现姿态的全方位控制，如果可以主动控制机器人姿态和运动，便会缩短消化道遍历时间，可无遗漏的巡检消化道，提高诊疗效率，降低漏检区域，改善诊疗安全性；然而在人体胃肠道系统直径跨度较大，具有较复杂的消化环境，内部充盈着摩擦系数为10－2数量级的多种消化液，开发机器人的有效驱动方式，提高螺旋式胶囊机器人对肠径的适应能力并减小机器人对肠道的扭曲作用十分关键。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，可以减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本专利技术的在线非接触检测方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，提高有效磁场利用率，减少线圈驱动系统的驱动功率与磁能耗，有效节约了医疗资源，并能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测；还提供一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其中，包括如下步骤：步骤S1、以三个线圈组正交构成交变磁场驱动装置；步骤S2、以胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成转速检测装置；步骤S3、交变磁场驱动装置驱动胶囊机器人旋转，以红外测速仪对胶囊机器人进行旋转速度测量，同时依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进；步骤S4、胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；步骤S5、再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。作为本专利技术的一种改进，在步骤S1内，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。作为本专利技术的进一步改进，在步骤S2内，将胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于有机玻璃弯管中，PVC管穿过有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与PVC管另一端连接的红外转速测量盘放置于有机玻璃弯管的外侧。作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S3内，将三组线圈组分别通入相应电流，在线圈组的中心产生交变旋转磁场，进而形成动态耦合磁力矩，交变旋转磁场包围胶囊机器人，该动态耦合磁力矩作用于胶囊机器人，依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进。作为本专利技术的更进一步改进，步骤S4包括：步骤S41、在三维亥姆霍兹线圈中心建立定坐标系，再以胶囊机器人的中心建立动坐标系，通过转动变换，计算出胶囊机器人的换向角；步骤S42、通过胶囊机器人的换向角，从而计算出胶囊机器人的平面转角差；步骤S43、通过胶囊机器人的平面转角差，结合胶囊机器人的旋转变换关系，得到胶囊机器人的空间转角差；步骤S44、胶囊机器人平稳转弯，采取逐渐减小驱动电流的方式，到胶囊机器人机器人达到临界丢步态为止，从而通过胶囊机器人的空间转角差，再结合交变磁场驱动装置的磁感应强度得到胶囊机器人的转弯总磁力矩。作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S5内，通过胶囊机器人的转弯总磁力矩，得到流体的总流体力矩，即胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，其中，包括：交变磁场驱动装置，用于产生交变旋转磁场；转速检测装置，由胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成；红外测速仪，用于对胶囊机器人进行旋转速度测量；有机玻璃弯管，用于放置所述转速检测装置；主控器，用于控制所述交变磁场驱动装置、转速检测装置和红外测速仪。作为本专利技术的一种改进，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。作为本专利技术的进一步改进，所述线圈组为同方向设置的两个相同的线圈的组成。作为本专利技术的更进一步改进，在所述转速检测装置内，将所述胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于所述有机玻璃弯管中，所述PVC管穿过所述有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与所述PVC管的另一端连接的所述红外转速测量盘放置于所述有机玻璃弯管的外侧。本专利技术可以减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本专利技术的在线非接触检测方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，提高有效磁场利用率，减少线圈驱动系统的驱动功率与磁能耗，有效节约了医疗资源，并能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术的非接触检测系统的示意图；图2为空间曲线参数方程表示原理图；图3为空间曲线定坐标系与动坐标系变换关系示意图；图4为圆柱螺旋线定坐标系与动坐标系变换关系示意图；图5为胶囊机器人的转弯磁矢量与磁矩耦合关系图；图6为空间转差角计算变换图；图7为换向角计算变换图；图8为任一组亥姆霍兹线圈的立体剖面图；图9为处于静止状态的转差角的切面示意图；图10为处于平衡状态的转差角的切面示意图；图11为处于临界状态的转差角的切面示意图；图12为磁场驱动方向与驱动点示意图；图13为圆柱螺旋线轨迹；图14为本专利技术的非接触检测的步骤框图；图15为本专利技术的非接触检测的步骤S4的步骤框图；其中附图标记为：1-有机玻璃弯管，2-胶囊机器人，3-红外测速仪，4-主控器，5-红外转速测量盘，6-PVC管，7-长孔，8-小线圈组，9-中线圈组，10-大线圈组。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、以三个线圈组正交构成交变磁场驱动装置；步骤S2、以胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成转速检测装置；步骤S3、交变磁场驱动装置驱动胶囊机器人旋转，以红外测速仪对胶囊机器人进行旋转速度测量，同时依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进；步骤S4、胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；步骤S5、再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。

【技术特征摘要】
1.一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、以三个线圈组正交构成交变磁场驱动装置；步骤S2、以胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成转速检测装置；步骤S3、交变磁场驱动装置驱动胶囊机器人旋转，以红外测速仪对胶囊机器人进行旋转速度测量，同时依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进；步骤S4、胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；步骤S5、再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。2.根据权利要求1的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S1内，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。3.根据权利要求2的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S2内，将胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于有机玻璃弯管中，PVC管穿过有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与PVC管另一端连接的红外转速测量盘放置于有机玻璃弯管的外侧。4.根据权利要求3的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S3内，将三组线圈组分别通入相应电流，在线圈组的中心产生交变旋转磁场，进而形成动态耦合磁力矩，交变旋转磁场包围胶囊机器人，该动态耦合磁力矩作用于胶囊机器人，依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进。5.根据权利要求4的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，步骤S4包括：步骤S41、在三维亥姆霍兹线圈中心建立定坐标系，再以胶囊机器人的中心建立动坐标系，通过转动变换，计算出胶囊机器人的换向角；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟明路，王元利，白敬彩，吴君晓，钱晓艳，
申请(专利权)人：河南工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41