空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法技术

本发明专利技术属于自动化工程技术领域，公开了一种空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法。将z轴、y轴和x轴三组方型亥姆霍兹线圈组正交嵌套安装，使三组线圈以同一电流强度的直流电驱动时在三组线圈中心点产生的磁感应强度相同；采用幅度与相位补偿的电压信号通过数字化驱动叠加旋转磁场以消除电流滞后和感抗对电流幅度的影响；与机器人轴线方位角相关幅值和相位的同频率三相正弦信号驱动三轴正交亥姆霍兹线圈装置包围的一定空间内叠加形成相应方位角旋转轴线的空间万向均匀旋转磁场。本发明专利技术通过实现了空间万向旋转磁场旋转轴线方位与旋向的任意调整，进而实现微型机器人在弯曲或者枝杈腔体环境内转弯、前进、后退等诸多操作，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动化工程
，涉及一种向以空间某一固定轴线方位角为输入变量的相关幅值和相位的同频率三相正弦电流信号施加反相位电流的技术途径实现三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈装置内一定空间所叠加空间万向均匀旋转磁场的旋转轴方位和旋转方向(顺时针或者逆时针)在整个空间内唯一性的控制方法。
技术介绍
胶囊机器人可望完成人体内诊断、取样和喷药等任务，在医学工程领域具有重要应用价值，人们已经研制出依靠胃肠蠕动推进的胶囊内窥镜，并投入临床应用，但尚不能实现姿态主动控制，无法对视觉盲区进行诊断或手术，因此，对胶囊机器人实施安全可靠、行之有效的体外驱动控制具有重要意义。近年来，无缆磁控胶囊机器人的发展成为主流，意大利比萨大学Federico Carpi等人采用磁导航系统产生的均勻外磁场驱动微型机器人,旋转磁场由圆环型磁铁旋转产生，但不能实现磁场旋转轴的改变；日本K. Ishiyama等人提出利用三轴亥姆霍兹线圈提供旋转磁场，与胶囊内嵌磁体产生磁耦合力矩，由胶囊表面螺纹旋进的技术方案，但没有介绍旋转磁场的产生原理，旋转磁场旋转轴线的方向不能改变。无缆驱动方式可显著提高体内机器人在复杂环境内的通过性、安全性与可靠性，因此无缆驱动已成为国际上的主要发展趋势。在弯曲环境内，要求外旋转磁场的轴线可以任意调整，以保证在弯曲柔弹性管内外旋转磁场的旋转轴线始终与机器人的轴线一致，才能实现体内弯曲环境内的驱动。中国科学院合肥智能机械研究所提出用梯度线圈轴向拉动胶囊机器人在肠道内移动的技术方案，该方式仍然属于有损伤式驱动，此外该方案要调整机器人与磁场系统的相对位置，带来一些不便。毋庸置疑万向旋转磁场无损伤旋进驱动方式更具有实用前景。为了适应人体软组织蜿蜒曲折环境内的驱动，研究可根据环境具体弯曲情况进行旋转轴线调整的万向旋转磁场驱动控制方法和研制基于该驱动方法的万向旋转磁场驱动作业装置是关键，以使万向旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线方向一致，实现体内复杂弯曲环境内的驱动。我们在获得的国家专利技术专利“体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法” 中(专利授权号ZL 2008 I 001111 2)，提出的技术方案是分别向三轴亥姆霍兹线圈组施加与机器人运动方位坐标角度相关幅值和相位的同频率正弦信号电流，由三轴正交亥姆霍兹线圈叠加为一定区域内的旋转轴线与机器人运动方向一致的均匀空间万向旋转磁场，实现微型机器人在弯曲环境内的驱动控制的技术方案，但没有涉及空间万向旋转磁场旋转轴线方位和旋转方向的控制方法。旋转轴线方位和旋转方向的控制是非常复杂的问题。空间正交的三轴分量可以叠加出任意方向的矢量，因此，在参考两轴正交亥姆霍兹线圈叠加固定旋转轴线的旋转磁场原理的基础上，为了叠加空间万向旋转磁场，需要添加第三轴亥姆霍兹线圈。通过控制三轴正交亥姆霍兹线圈组之间相关幅值与相位的三相正弦信号电流的加载关系，能够叠加旋转轴线可调的空间万向旋转磁场，该方法具有普遍的物理意义。下面结合附图2，说明三轴正交亥姆霍兹线圈叠加空间万向旋转磁场的原理。空间单位向量#(cosa,cosy ,cos；K)为微机器人的运动方向向量,其中α，β，Y分别为#与空间笛卡尔坐标系的X，y, Z轴的方向角，即是要求叠加万向旋转磁场旋转轴线的方向。参照两轴亥姆霍兹线圈叠加旋转磁场的叠加原理，需要在向量i的垂直平面内寻找两个相互垂直的单位向量友和^，只要沿这两个单位向量具有位相差为90°的正弦磁场分量，就可以叠加旋转轴线方向为#的空间万向旋转磁场。由空间解析几何可知，空间单位向量可以用方向余弦表示。选取向量友在xoy平面内且垂直于向量#在该平面内的投影，则向量友垂直于向量经推导向量友可表示为COS β COSiZ(~-，-，0)。选取向量卜在noz平面内，且垂直于向量U因为向量μ垂直于平面noz,所sinr sinfb 以向量友和向量^也相互垂直，因此向量友和向量^即为要求得的两个向量，满足叠加旋转磁场的要求，下面进行向量^的求解。由向量^的位置特征,设向量^为(x2，y2，sin Y ),其中x2, y2分别是在X、y轴的方向余弦，求解向量^的过程就是求解两个方向余弦X2 y2o由方向余弦的性质及两空间向量相互垂直的解析关系式有权利要求1.一种空间万向叠加旋转磁场旋转轴线与旋向的控制方法，其特征包括以下步骤， 第一步，依据各种反相位电流组合驱动方式与万向旋转磁场方位与旋向的变化，给出不同象限的普遍驱动电流公式与所叠加旋转磁场的旋向关系；(1)在第一和第七象限旋转磁场的法线方向刚好相反，实现机器人的反向驱动； 产生旋转轴的单位向量为# (cos a , COS^, cos r)处于第一、七象限的电流公式为全文摘要本专利技术属于自动化工程
，公开了一种。将z轴、y轴和x轴三组方型亥姆霍兹线圈组正交嵌套安装，使三组线圈以同一电流强度的直流电驱动时在三组线圈中心点产生的磁感应强度相同；采用幅度与相位补偿的电压信号通过数字化驱动叠加旋转磁场以消除电流滞后和感抗对电流幅度的影响；与机器人轴线方位角相关幅值和相位的同频率三相正弦信号驱动三轴正交亥姆霍兹线圈装置包围的一定空间内叠加形成相应方位角旋转轴线的空间万向均匀旋转磁场。本专利技术通过实现了空间万向旋转磁场旋转轴线方位与旋向的任意调整，进而实现微型机器人在弯曲或者枝杈腔体环境内转弯、前进、后退等诸多操作，应用前景广阔。文档编号A61B1/00GK102579048SQ20121003975公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日专利技术者岳明, 张永顺, 杨振强, 王殿龙, 谢华英 申请人:大连理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张永顺，王殿龙，谢华英，岳明，杨振强，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：