基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法技术

本发明专利技术提供了一种利用反馈力信息调整胶囊机器人位姿的方法，包括：如果力感应点沿胶囊周向分布，则调整引导磁体与胶囊机器人的相对位置；如果力感应点沿胶囊轴向分布，则调整引导磁体与胶囊机器人的相对位置和相对姿态。本发明专利技术通过调整胶囊机器人位姿使得胶囊既能够保持磁交互作用，又不会引起胃肠壁的损伤，所提供的方法具有重要的临床应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法
本专利技术属于胶囊内窥镜
，具体涉及一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法。
技术介绍
主动胶囊机器人可实现其在胃肠道内部位姿的主动控制，克服了被动胶囊机器人诊断时间长、漏检率高以及不具针对性和选择性等缺陷，在检测胃肠道疾病方面显示出了极大的优势。胶囊机器人置入活体胃肠区域，且内嵌有小型磁体，引导机器人处于活体外部，通过磁交互作用，牵引胶囊机器人在胃肠区域运动，这种利用外部引导磁体控制胶囊机器人在胃肠道内运动的方法具有较大的优势。但是，引导磁体与胶囊距离太近，磁作用力太大，会导致胃肠道受损；引导磁体与胶囊距离太远，磁作用力太小，则有可能两者之间失去磁连接，从而失去对胶囊的控制。由此可见，目前急需一种调整胶囊机器人位姿的方法，使得胶囊机器人既能够保持磁交互作用，又不会引起胃肠壁的损伤。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，该方法能够根据力反馈调整胶囊机器人位姿，使得胶囊机器人既能够保持磁交互作用，又不会引起胃肠壁的损伤。实施本专利技术的技术方案如下：一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，具体过程为：步骤一、在胶囊机器人内嵌入力感应装置；步骤二、利用胶囊机器人内嵌的力感应装置，感应机器人与胃肠壁接触时，沿胶囊机器人的圆柱型表面力感应点处的法向作用力；步骤三、根据法向作用力和设定的力阈值范围调整胶囊机器人的位姿，使胶囊机器人的法向作用力始终保持在力阈值范围内，所述力阈值范围为[Ft1，Ft2]，其中Ft1为保证胶囊机器人与引导磁体之间的磁交互作用不至断开的作用力门限值；Ft2为保证胶囊机器人不会挤压损伤胃肠道组织的作用力门限值。进一步的，本专利技术所述力阈值范围通过磁建模分析或多次实验获得。进一步的，本专利技术所述调整胶囊机器人的位姿的方法为：如果没有任何2个力感应点沿着一条平行于胶囊轴线的直线分布，则认为力感应点沿周向分布，用基于周向分布的力感应点输出信息的调整方法：如果感应点的法向作用力的最大值Fre小于Ft1，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其减小；如果Fre大于Ft2，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其增大；如果Fre处于Ft1和Ft2之间，则不调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离；具体调整方式如下式所示：zi+1＝z′i+1+Δz其中，z′i+1为原路径规划中下一步引导磁体与胶囊机器人之间的距离，zi+1为新建立的路径规划中的引导磁体与胶囊机器人之间的距离，c1为设定的比例参数；进一步的，本专利技术所述调整胶囊机器人的位姿的方法为：如果有任何不少于2个力感应点沿着一条平行于胶囊轴线的直线分布，则认为力感应点沿轴向分布，用基于轴向分布的力感应点输出信息的调整方法，调整方法分以下两种情况：1)以力感应点分布的直线段的中点为界，如果该中点一侧的感应力均值与另一侧的感应力均值相差在设定阈值内时，将两侧的总感应力均值Fae与Ft1、Ft2进行比较，若Fae小于Ft1，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其减小，若Fae大于Ft2，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其增大，若Fae的最大值处于Ft1和Ft2之间，则不调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离；具体调整方式如下式所示：zi+1＝z′i+1+Δz其中，z′i+1为原路径规划中下一步引导磁体与胶囊机器人之间的距离，zi+1为新建立的路径规划中的引导磁体与胶囊机器人之间的距离，c2为设定的比例参数；2)以力感应点分布的直线段的中点为界，左侧的感应力均值为FLa，右侧的感应力均值为FRa，如果该中点一侧的感应力均值与另一侧的感应力均值相差超过设定阈值时，将较大的一侧的感应力均值Fbe与Ft1和Ft2进行比较，若Fbe小于Ft1，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其减小；若Fbe处于Ft1和Ft2之间，则不调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离和姿态，若Fbe大于Ft2，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对姿态角度，使得胶囊机器人产生旋转，从而使感应力均值大的一侧远离引导磁体，而感应力均值小的一侧靠近引导磁体；具体调整方式如下式所示：zi+1＝z′i+1+Δz，θi+1＝θ′i+1+ΔθFbe＜Ft1：Δz＝-c3(Ft1-Fbe)，Δθ＝0Ft1≤Fbe≤Ft2：Δz＝0，Δθ＝0Ft2＜Fbe：Δz＝0，Δθ＝sign(FLa-FRa)c4(Fbe-Ft2)其中，z′i+1为原路径规划中下一步引导磁体与胶囊机器人之间的距离，zi+1为新建立的路径规划中的引导磁体与胶囊机器人之间的距离，θ′i+1为原路径规划中下一步胶囊机器人的俯仰角，θi+1为新建立的路径规划中下一步胶囊机器人的俯仰角，c3,c4为设定的比例参数，sign()为符号函数。有效益处本专利技术提供的基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，和现有技术相比，其优点在于：1)控制胶囊与组织间的作用力在一定范围，避免对组织过度撕扯、挤压，造成组织损伤，避免对胃肠壁产生损伤，减轻受检者的痛苦，同时保证引导磁体与胶囊间始终保持磁交互作用，避免诊断过程因磁交互丢失而停止；2)根据力感应点反馈值分布情况采用不同的方式调整胶囊姿态，使胶囊控制更精确，诊断过程更顺畅。附图说明图1为力感应点周向分布示意图；图2为力感应点轴向分布示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1：一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，具体过程为：步骤一、在胶囊机器人内嵌入力感应装置；步骤二、利用胶囊机器人内嵌的力感应装置，感应机器人与胃肠壁接触时，沿胶囊机器人的圆柱型表面力感应点处的法向作用力；步骤三、根据法向作用力和设定的力阈值范围调整胶囊机器人的位姿，使胶囊机器人的法向作用力始终保持在力阈值范围内，所述力阈值范围为[Ft1，Ft2]，其中Ft1为当胶囊机器人与引导磁体相对距离较大时，保证磁交互作用不至断开的作用力门限值；Ft2为当胶囊机器人与引导磁体相对距离较小时，保证胶囊机器人不会挤压损伤胃肠道组织的作用力门限值。该方法能够根据力反馈调整胶囊机器人位姿，使得胶囊机器人既能够保持磁交互作用，又不会引起胃肠壁的损伤。实施例2：在实施例1的基础上，调整胶囊机器人位姿的方法为：如果没有任何2个力感应点沿着一条平行于胶囊轴线的直线分布，则认为力感应点沿周向分布，如图1所示，用基于周向分布的力感应点输出信息的调整方法：如果感应点的法向作用力的最大值Fre小于Ft1，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其减小，以保证磁交互作用；如果Fre大于Ft2，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其增大，以保证胶囊机器人不会挤压损伤胃肠组织；如果Fre处于Ft1和Ft2之间，则不调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离；如果有任何不少于2个力感应点沿着一条平行于胶囊轴线的直线分布，则认为力感应点沿轴向分布，如图2所示，用基于轴向分布的力感应点输出信息的调整方法，调整方法分以下两种情况：1)以力感应点分布的直线段的中点为界，如果该中点一侧的感应力均值与另一侧的感应力均值相差在设定阈值内时，将两侧的总感应力均值Fa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，其特征在于，具体过程为：步骤一、在胶囊机器人内嵌入力感应装置；步骤二、利用胶囊机器人内嵌的力感应装置，感应机器人与胃肠壁接触时，沿胶囊机器人的圆柱型表面力感应点处的法向作用力；步骤三、根据法向作用力和设定的力阈值范围调整胶囊机器人的位姿，使胶囊机器人的法向作用力始终保持在力阈值范围内，所述力阈值范围为[Ft1，Ft2]，其中Ft1为保证胶囊机器人与引导磁体之间的磁交互作用不至断开的作用力门限值；Ft2为保证胶囊机器人不会挤压损伤胃肠道组织的作用力门限值。

【技术特征摘要】
1.一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，其特征在于，具体过程为：步骤一、在胶囊机器人内嵌入力感应装置；步骤二、利用胶囊机器人内嵌的力感应装置，感应机器人与胃肠壁接触时，沿胶囊机器人的圆柱型表面力感应点处的法向作用力；步骤三、根据法向作用力和设定的力阈值范围调整胶囊机器人的位姿，使胶囊机器人的法向作用力始终保持在力阈值范围内，所述力阈值范围为[Ft1，Ft2]，其中Ft1为保证胶囊机器人与引导磁体之间的磁交互作用不至断开的作用力门限值；Ft2为保证胶囊机器人不会挤压损伤胃肠道组织的作用力门限值。2.根据权利1所述的一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，其特征在于，所述力阈值范围通过磁建模分析或多次实验获得。3.根据权利1所述的一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，其特征在于，所述调整胶囊机器人位姿的方法为：如果没有任何2个力感应点沿着一条平行于胶囊轴线的直线分布，则认为力感应点沿周向分布，用基于周向分布的力感应点输出信息的调整方法：如果感应点的法向作用力的最大值Fre小于Ft1，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其减小；如果Fre大于Ft2，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其增大；如果Fre处于Ft1和Ft2之间，则不调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离。4.根据权利1所述的一种基于力反馈的胶囊机器人位姿调整方法，其特征在于，所述调整胶囊机器人位姿的方法为：如果有任何不少于2个力感应点沿着一条平行于胶囊轴线的直线分布，则认为力感应点沿轴向分布，用基于轴向分布的力感应点输出信息的调整方法，调整方法分以下两种情况：1)以力感应点分布的直线段的中点为界，如果该中点一侧的感应力均值与另一侧的感应力均值相差在设定阈值内时，将两侧的总感应力均值Fae与Ft1和Ft2进行比较，若Fae小于Ft1，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其减小，若Fae大于Ft2，则调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离，使其增大，若Fae的最大值处于Ft1和Ft2之间，则不调整引导磁体与胶囊机器人之间的相对距离；2)以力感应点分布的直线段的中点为界，左侧的感应力均值为FLa，右...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敬，吴磊，黄强，张沛森，保罗·达里奥，加斯托内·丘蒂，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11