本发明专利技术公开了一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置，其中系统包括：磁源模块，用于产生交变磁场；软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接，以使软磁体所受力和力矩传递到被测器械上；所述软磁体工作在交变磁场中；磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。本发明专利技术使用软磁体作为无源敏感元件，将软磁体与被测器械刚性连接，实现了对被测器械末端的无接触传感和安全、稳定、准确的全六自由度实时位姿测量。本发明专利技术可广泛应用于位置跟踪与定位领域。域。域。
【技术实现步骤摘要】
基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置
[0001]本专利技术涉及位置跟踪与定位领域，尤其涉及一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置。
技术介绍
[0002]医疗机器人等自动化医疗器械和设备已经越来越广泛地应用于疾病诊断、活检取样、手术治疗等医疗任务，可以有效提高医疗操作的准确性、稳定性和安全性，降低医疗成本，并减少医务人员的工作负担。例如，微创医疗器械可以很好地适应复杂狭窄的体内空间，进一步减少病人创伤，提高手术的安全性，减轻病人的术后不良反应。对微创医疗器械末端执行器的位姿进行实时跟踪测量可以实现其状态监测、自主导航和反馈控制，引导医生更加高效准确地操作器械抵达病灶，从而大大提高微创医疗操作的安全性、准确性和自动化水平。
[0003]现有的微创医疗器械末端位姿跟踪方法中使用最广泛的光学跟踪系统因其易受视线遮挡影响，无法感知在体内运动的微创医疗器械；基于其他传感原理的位姿跟踪方法在安全性、稳定性和测量精度等方面存在着各自的局限和不足，难以获得广泛应用。磁场可以安全地穿透人体，基于磁场传感原理的位姿跟踪方法可以用于跟踪体内运动的微创医疗器械。但现有的基于电磁铁或永磁铁磁源的定位方法在系统集成可靠性、抗磁干扰能力和全六自由度位姿感知能力等方面存在各自的局限，严重制约了磁定位技术在微创医疗器械定位方面的应用。
技术实现思路
[0004]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统、方法及装置。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，包括：
[0007]磁源模块，用于产生交变磁场；
[0008]软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接，以使软磁体所受力和力矩传递到被测器械上；所述软磁体工作在交变磁场中；
[0009]磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；
[0010]处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。
[0011]进一步地，所述磁场检测装置包括：
[0012]磁传感器，用于将磁感应强度转化为差分电压信号；
[0013]信号处理单元，用于差分电压信号进行预处理，并输出。
[0014]进一步地，所述磁传感器为双路三轴隧道磁阻传感器。
[0015]进一步地，所述软磁体的材料为镍铁磁性合金或镍铁非晶合金。
[0038][0039]式中，P
k
表示k时刻的位置，v
k
表示k时刻的速度，q
k
表示k时刻的姿态，ω
k
表示k时刻的角速度，I3×3表示三阶单位矩阵，Δt表示采样时间间隔；h(X
k
)表示系统测量模型，n
k
表示测量噪声。
[0040]进一步地，所述六自由度无线磁定位方法，还包括以下步骤：
[0041]建立全局坐标系，将所有器件使用统一坐标表示。
[0042]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0043]一种基于软磁体的六自由度无线磁定位装置，包括：
[0044]至少一个处理器；
[0045]至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0046]当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
[0047]本专利技术的有益效果是：本专利技术使用软磁体作为无源敏感元件，将软磁体与被测器械刚性连接，实现了对被测器械末端的无接触传感和安全、稳定、准确的全六自由度实时位姿测量。
附图说明
[0048]为了更清楚地说明本专利技术实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本专利技术实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本专利技术的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0049]图1是本专利技术实施例中一种基于软磁体的六自由度无线磁定位的流程图；
[0050]图2是本专利技术实施例中基于软磁体的微创医疗器械六自由度无线磁定位系统的结构示意图；
[0051]图3是本专利技术实施例中得到的旋转角估计值与参考值的对比示意图；
[0052]图4是本专利技术实施例中得到的坐标估计值与参考值的对比示意图。
[0053]附图标记：1、磁源；2、电源模块；3、功率放大器；4、软磁体；5、磁传感器；6、信号处理模块；7、计算机；8、信号发生器；9、微创医疗器械。
具体实施方式
[0054]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实
施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0055]在本专利技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0056]在本专利技术的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0057]本专利技术的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属
技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本专利技术中的具体含义。
[0058]软磁体是一种具有高磁导率和低矫顽力的铁磁体，其容易被外部磁场磁化而变为磁源，可在外部磁场中受到力和力矩的作用，因此，将软磁体固定在医疗器械上作为受力元件，实现对医疗器械的驱动。作为驱动磁源的电磁线圈置于体外，软磁体会被驱动磁源发出的磁场磁化而形成一个二次磁源，其磁矩(反映磁性强度和取向)取决于驱动磁源在软磁体位置磁化它的磁场。被磁化后的软磁体可以看作一个偶极子磁源，软磁体在驱动磁场中会受到取决于当地磁场和磁场梯度的力矩和力作用；通过调控外部驱动磁场和设计软磁体几何形状，对微创器械末端施加三自由度力和三自由度力矩，从而实现全六自由度灵巧驱动。因此在了解软磁体在驱动磁场中受力的磁
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力耦合关系后，结合驱动控制系统，就可以精准操控微型医疗器械或其他工业微机器人。
[0059本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，包括：磁源模块，用于产生交变磁场；软磁体，安装在被测器械的末端，且所述被测器械与所述软磁体采用刚性连接，以使软磁体所受力和力矩传递到被测器械上；所述软磁体工作在交变磁场中；磁场检测装置，用于检测由于所述软磁体的运动而带来的磁场变化；处理器，根据检测到的磁场变化对软磁体位姿进行测量，获得软磁体的位姿，根据软磁体的位姿来推算被测器械末端的位姿。2.根据权利要求1所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述磁场检测装置包括：磁传感器，用于将磁感应强度转化为差分电压信号；信号处理单元，用于差分电压信号进行预处理，并输出。3.根据权利要求2所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述磁传感器为双路三轴隧道磁阻传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述软磁体的材料为镍铁磁性合金或镍铁非晶合金。5.根据权利要求1所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位系统，其特征在于，所述软磁体的形状为椭球体、椭圆柱或长方体，且三轴非对称。6.一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：建立磁场测量值与软磁体位姿之间的数学关系模型；建立被测器械末端的运动学模型；检测软磁体在交变磁场中平移和/或旋转时引起的磁场变化；结合运动学模型与数学关系模型对磁场变化的数据进行分析，估计软磁体的位姿；根据软磁体的位姿推算被测器械末端的位姿。7.根据权利要求6所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，所述数学关系模型具体为：假设磁源与被磁化后的软磁体均可由磁偶极子模型近似：其中，下标s表示磁传感器；e表示磁源；μ表示软磁体；h(
·
)表示偶极子磁场强度分布模型；P表示软磁体在世界坐标系中的位置向量；R表示软磁体姿态旋转矩阵；k表示软磁体的去磁化系数；表示传感器检测到的电磁铁磁场，h
μ
(
·
)表示软磁体的磁偶极子模型，h
e
(
·
)表示电磁铁的磁偶极子模型，表示软磁体的去磁化系数对角矩阵，表示由软磁体系到电磁铁系的旋转矩阵，表示电磁铁的磁矩，表示电磁铁指向软磁体的位置向量，表示电磁铁指向传感器的位置向量，表示软磁体指向传感器的位置向量。8.根据权利要求6所述的一种基于软磁体的六自由度无线磁定位方法，其特征在于，所述运动学模型基于恒速度模型建立，待估计的状态量参数包括软磁体的三维坐标、三轴方向的速度分量、软磁体的姿态四元数以及三轴角速度分量，表示如下：X＝[P v...
【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，刘骕骐，文韬，何泽安，张滔，严玮，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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