一种基于IDMO-PID的磁控胶囊机器人精确运动控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于IDMO

【技术实现步骤摘要】
一种基于IDMO
‑
PID的磁控胶囊机器人精确运动控制器


[0001]本专利技术涉及一种机器人运动控制器，具体为一种基于IDMO
‑
PID的磁控胶囊机器人精确运动控制器，属于胶囊机器人控制


技术介绍

[0002]随着世界医疗水平的不断发展和完善，现如今针对胃肠道治疗方面，实现其胃肠道疾病的早发现、早治疗，有效提高胃肠道疾病的治愈率至关重要。胶囊机器人作为一种胃肠道检测的智能设备，可以实现安全、有效地对胃肠道疾病进行无创诊疗，成为微型医疗机器人发展的重要里程碑。
[0003]但是现有胶囊机器人的运动多依靠胃肠道自身的蠕动，属于被动控制，使其检测区域充满随机性，容易产生漏检错检的情况。因此，研究基于空间磁场控制的主动式磁控胶囊机器人，实现其在胃肠道内的位姿控制，方便医师对胃部的可疑区域进行针对性检测，有效提高检测结果的准确性和可靠性。
[0004]现如今的胶囊机器人运动控制技术存在以下问题：
[0005](1)主动式磁控胶囊机器人的配套磁控技术较复杂，切换运动方式时需要对外在磁场的线圈电流进行多角度调整，控制精度较低；
[0006](2)由于胃肠道内部存在较多褶皱，针对这种非结构化崎岖的环境，缺少自适应高精度的控制方法来对胶囊机器人进行精准控制。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种基于IDMO
‑
PID的磁控胶囊机器人精确运动控制器，建立胶囊机器人运动控制系统，并采用改进的侏儒猫鼬优化算法对控制系统的参数进行优化选取。
[0008]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于IDMO
‑
PID的磁控胶囊机器人精确运动控制器，包括磁控胶囊机器人以及外部磁源，磁控胶囊机器人放置在人体胃部，外部磁源设置在人体外侧；
[0009]磁控胶囊机器人包括外壳以及设置在外壳内的采样组件，外壳内设有铁磁环单元以及铁磁流体单元，采样组件包括摄像模块以及可伸缩采样针头；
[0010]磁控胶囊机器人的运动控制，包括以下步骤：
[0011]步骤一、通过对胶囊机器人运动方式和空间磁场合理解析，优化设计胶囊机器人的运动控制系统；
[0012]步骤二、基于线性递减惯性权重因子和柯西
‑
高斯变异策略对侏儒猫鼬优化算法的种群位置更新阶段和最优解输出阶段进行优化；
[0013]步骤三、通过改进的侏儒猫鼬优化算法对胶囊机器人的运动控制系统参数进行优化，实现胶囊机器人在多源空间磁场下的精确运动。
[0014]作为本专利技术再进一步的方案：磁控胶囊机器人的外壳为花生状的软体胶囊外壳，
外部磁源为永磁体。
[0015]作为本专利技术再进一步的方案：软体胶囊外壳开设有两个空腔，位于外侧的空腔内对称设置有构成铁磁环单元的第一铁磁环和第二铁磁环，位于内侧的空腔内对称设置有构成铁磁流体单元的第一铁磁流体和第二铁磁流体。
[0016]作为本专利技术再进一步的方案：采样组件的摄像模块位于软体胶囊外壳一端的开口处且软体胶囊外壳内还固定连接有用于传送摄像模块所拍摄画面数据的无线发射模块以及用于对摄像模块供电的电池。
[0017]作为本专利技术再进一步的方案：采样组件的可伸缩采样针头位于软体胶囊外壳另一端的开口处，且可伸缩采样针头尾端所连接的支撑件卡放在与软体胶囊外壳内壁固定连接的挤压板上，可伸缩采样针头的前端设置有震荡板以及缓冲板，震荡板与缓冲板的连接处安置有垫片。
[0018]作为本专利技术再进一步的方案：步骤一中，对胶囊机器人运动方式的解析包括平移运动和翻转运动，且对胶囊机器人运动方式和空间磁场的解析具体包括：
[0019]外部永磁体通过对胶囊机器人内部的铁磁环和铁磁流体进行作用，驱动胶囊机器人在胃部进行平移运动和翻转运动；
[0020]在空间磁场下，取一段任意长为dl的电流，其在载流回路中激发的磁场dB可用下式表示：
[0021][0022]其中，μ0为真空磁导率，I为电流，r为电流元的指向矢量；
[0023]则整个磁控单元某一点激发的磁感应强度可以用下式计算：
[0024][0025]为了确定胶囊机器人在平稳运动时外磁场对机器人自身的磁场力，对胶囊机器人的磁感应强度在磁空间下(x,y,z)点的导数进行求解，首先定义F1，F2如下：
[0026][0027][0028]对x,y,z求偏导可得：
[0029][0030][0031]通过上述公式，对磁感应强度在各个方向进行求解，完成磁场力的解算，通过对空间磁场力的分解和解算，完成对胶囊机器人控制。
[0032]作为本专利技术再进一步的方案：对胶囊机器人的运动控制系统具体包括：
[0033]利用matlab辨识工具箱，建立胶囊机器人运动速度和外部空间磁场的闭环传递函数如下：
[0034][0035]基于上述运动方程及传递函数，建立胶囊机器人运动控制系统，并采用改进的侏儒猫鼬优化算法对控制系统的参数进行优化选取；
[0036]其中，基础的侏儒猫鼬优化算法如下所示：
[0037]侏儒猫鼬优化算法(DMO)是一种基于侏儒猫鼬的群体觅食行为提出的一种群体智能优化算法，模拟侏儒猫鼬觅食、侦察和保姆的三种社会职能；
[0038]侏儒猫鼬以集体觅食和侦察而闻名，由雌性首领引导种群进行食物源的搜寻；一旦满足保姆交换条件，即当阿尔法组未能寻找到合适的食物时，将交换阿尔法组和保姆组的成员，且阿尔法组同时进行觅食和寻找睡眠丘；
[0039]雌性首领在阿尔法组中产生，阿尔法组中每个雌性个体成为首领的概率为α，计算公式如下：
[0040][0041]其中fit
i
是第i个个体的适应度，N是侏儒猫鼬种群中个体的总数；阿尔法组的个体数量为n
′
，bs为保姆的数量；
[0042]阿尔法组成员将共行并进行受食，食物源的候选位置由上式给出：
[0043]x
i+1
＝x
i
+pi
×
peep
×
(x
i
‑
x
rand
)
[0044]其中x
i+1
是找到的食物源新位置，x
i
为雌性首领的当前位置，pi是均匀分布在[
‑
1，1]之间的随机数，x
rand
是阿尔法组中的随机个体；
[0045]保姆交换条件是用于重置阿尔法组和保姆组中的猫鼬个体；当阿尔法组成员未能搜寻到合适的食物时，认为阿尔法组成员能力不足，将交换阿尔法组和保姆组的成员。交换条件满足后，阿尔法组将同时进行受食和寻找睡眠丘，计算公式如下：
[0046]x
b
＝lb+rand*(ub
‑
lb)
[0047]其中x
b
为交换后个体的新位置，ub和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于IDMO
‑
PID的磁控胶囊机器人精确运动控制器，包括磁控胶囊机器人以及外部磁源，其特征在于：所述磁控胶囊机器人放置在人体胃部，所述外部磁源设置在人体外侧；所述磁控胶囊机器人包括外壳以及设置在外壳内的采样组件，所述外壳内设有铁磁环单元以及铁磁流体单元，所述采样组件包括摄像模块(6)以及可伸缩采样针头(11)；所述磁控胶囊机器人的运动控制方法，包括以下步骤：步骤一、通过对胶囊机器人运动方式和空间磁场解析，优化设计胶囊机器人的运动控制系统；步骤二、基于线性递减惯性权重因子和柯西
‑
高斯变异策略对侏儒猫鼬优化算法的种群位置更新阶段和最优解输出阶段进行优化；步骤三、通过改进的侏儒猫鼬优化算法对胶囊机器人的运动控制系统参数进行优化，实现胶囊机器人在多源空间磁场下的精确运动。2.根据权利要求1所述的磁控胶囊机器人精确运动控制器，其特征在于：所述磁控胶囊机器人的外壳为花生状的软体胶囊外壳(1)，所述外部磁源为永磁体。3.根据权利要求2所述的磁控胶囊机器人精确运动控制器，其特征在于：所述软体胶囊外壳(1)开设有两个空腔，位于外侧的空腔内对称设置有构成铁磁环单元的第一铁磁环(2)和第二铁磁环(4)，位于内侧的空腔内对称设置有构成铁磁流体单元的第一铁磁流体(3)和第二铁磁流体(5)。4.根据权利要求1或2所述的磁控胶囊机器人精确运动控制器，其特征在于：所述采样组件的摄像模块(6)位于软体胶囊外壳(1)一端的开口处且所述软体胶囊外壳(1)内还固定连接有用于传送摄像模块(6)所拍摄画面数据的无线发射模块(8)以及用于对摄像模块(6)供电的电池(7)。5.根据权利要求4所述的磁控胶囊机器人精确运动控制器，其特征在于：所述采样组件的可伸缩采样针头(11)位于软体胶囊外壳(1)另一端的开口处，且所述可伸缩采样针头(11)尾端所连接的支撑件(9)卡放在与软体胶囊外壳(1)内壁固定连接的挤压板(10)上，所述可伸缩采样针头(11)的前端设置有震荡板(12)以及缓冲板(14)，所述震荡板(12)与缓冲板(14)的连接处安置有垫片(13)。6.根据权利要求1所述的磁控胶囊机器人精确运动控制器，其特征在于：所述步骤一中，对胶囊机器人运动方式的解析包括平移运动和翻转运动，且对胶囊机器人运动方式和空间磁场的解析具体包括：外部永磁体通过对胶囊机器人内部的铁磁环和铁磁流体进行作用，驱动胶囊机器人在胃部进行平移运动和翻转运动；在空间磁场下，取一段任意长为dl的电流，其在载流回路中激发的磁场dB可用下式表示：其中，μ0为真空磁导率，I为电流，r为电流元的指向矢量；则，整个磁控单元某一点激发的磁感应强度可以用下式计算：
为了确定胶囊机器人在平稳运动时外磁场对机器人自身的磁场力，对胶囊机器人的磁感应强度在磁空间下(x,y,z)点的导数进行求解，首先定义F1，F2如下：如下：对x,y,z求偏导可得：对x,y,z求偏导可得：通过上述公式，对磁感应强度在各个方向进行求解，完成磁场力的解算，通过对空间磁场力的分解和解算，完成对胶囊机器人控制。7.根据权利要求6所述的磁控胶囊机器人精确运动控制器，其特征在于：对胶囊机器人的运动控制系统具体包括：利用matlab辨识工具箱，建立胶囊机器人运动速度和外部空间磁场的闭环传递函数如下：基于上述运动方程及传递函数，建立胶囊机器人运动控制系统，并采用改进的侏儒猫鼬优化算法对控制系统的参数进行优化选取；其中，基础的侏儒猫鼬优化算法如下所示：侏儒猫鼬优化算法是一种基于侏儒猫鼬的群体觅食行为提出的一种群体智能优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王百一，胡梦雅，刘新华，华德正，成江昊，祁鹏，格热戈尔茨，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：