一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动化工程技术领域，设及一种分别向=轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈 装置施加 W磁场轴线在经缔坐标系内的侧摆与俯仰角为输入变量的相关幅值和相位的同 频率正弦信号电流形式的空间万向旋转磁场叠加公式，并通过两个操纵杆分别将侧摆与俯 仰角分离控制，在=轴相互正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置包围的均匀区域内叠加形成轴线 可分别沿侧摆与俯仰方向单独扫描的旋转磁场，参照主被动双半球形胶囊机器人前端摄像 头无线传输图像由两个操纵杆分别调整磁场轴线侧摆与俯仰方位角，实现空间万向旋转磁 场轴线方位的人机交互控制，使机器人轴线姿态对准细长管道内待测区域，或者与各段细 长管道弯曲方向基本一致并在水平面内实加垂直磁场实现滚动的基本控制方法。
【背景技术】
[0002] 微型医疗机器人的工作环境是体内的细长管道，管状柔弹性壁环境组织内形复 杂，婉艇曲折，空间狭小，复杂非结构化环境给机器人主动控制和操作带来了很大难度。为 了不对柔弹性软组织造成创伤，要求微型机器人W无电缆驱动方式可靠进入和退出体内深 处，并能安全精细地实现诊断、介入治疗等工作。体内医疗机器人无缆驱动技术对提高人类 寿命与生活质量，避免外部手术对人体造成创伤甚至致残具有重要的科学意义，能减轻使 用者痛苦，缩短康复时间，降低医疗费用，必将对医学工程的发展产生极大的影响。
[0003] 无缆驱动方式可显著提高胶囊机器人在复杂环境内的通过性、安全性与可靠性， 因此无缆驱动已经成为国际上的主要发展趋势。日本K. Ishiyama等人提出了利用=轴亥姆 霍兹线圈提供空间旋转磁场，作用于胶囊内嵌径向磁化钦铁棚永磁体，在胶囊表面螺纹作 用下旋进驱动的技术方案，但该文献未提及磁场旋转轴线的任意调整的具体实施途径，不 能实现体内弯曲环境内的驱动。
[0004] 为了实现胶囊机器人在弯曲细长管道中自由行走，减少对人体细长管道的损伤， 本课题组在已获得的国家发明专利"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 200810011110.2)，提出了磁场轴线可调的空间万向均匀旋转磁场驱动控 制方法，并给出仅适合于空间第一象限的空间万向旋转磁场基本电流叠加公式：
Cl)
[0006] 其中：
，a、e、丫分别为空间单位 向量n = (cosa，cos0，cos 丫）与空间笛卡尔坐标系x，y，z轴的方向角，Io为驱动电流的幅值， ?为电流的角频率，叠加磁场旋转方向为逆时针。
[0007] 为了应用于空间其它屯个象限，在已获得的国家发明专利"空间万向叠加旋转磁 场旋转轴线方位与旋向的控制方法"中（专利授权号:ZL 201210039753.4)中，通过W空间 某一固定轴线=个方向角为输入变量的基本电流叠加公式中=相正弦电流信号的各种反 相位电流的组合驱动方式与=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈装置内叠加的空间万向均匀旋转 磁场的旋转轴方位和旋向的变化规律为基础，实现了空间万向旋转磁场旋转轴线方位与旋 向在空间坐标系各个象限内的唯一性控制，在理论上解决了通过"数字化软驱动"实现空间 万向旋转磁矢量方位、旋向、强度、转速的任意调整与控制问题，为实现机器人姿态的调整 与定向驱动行走奠定了基础。
[0008] 为了结合球形结构调姿与转弯的灵活性与万向性，避免调姿时球形机器人在细长 管道内滚动并保证机器人轴线在原地与旋转磁场同步随动，解决机器人姿态调整与转弯行 走两种运动相互分离运一难题，课题组又申请了国家发明专利"一种主被动双半球形胶囊 机器人及其姿态调整与转弯驱动控制方法"（专利【申请号】201510262778.4)，借助空间万向 旋转磁矢量控制，可望实现主、被动双半球结构胶囊机器人在细长管道内的姿态调整与转 弯行走。
[0009] 结合附图l(b)、（c)说明一种主被动双半球形胶囊机器人的总体结构，它包括主动 半球体和被动半球体两部分，将径向磁化钦铁棚圆环内驱动器7和摄像头与图像传输装置8 过盈装配，将阶梯轴6也与摄像头与图像传输装置8过盈装配，最后将摄像头与图像传输装 置8组件再与主动半球壳1过盈配合构成主动半球体;轴承定位套筒3与被动半球壳2过盈配 合构成被动半球体，主动半球体和被动半球体由轴承4悬浮连接的过程如下:将轴承4安装 在主动半球体组件的阶梯轴6上，再将主动半球体组件阶梯轴6上的轴承4 一并装入轴承定 位套筒3中，轴承定位套筒3内部有一台阶实现轴承4外圈轴向定位，圆螺母5装入阶梯轴6上 W将轴承4内圈轴向定位，圆螺母5不能突出到球面W外，W防止主动半球转动过程中带动 圆螺母5与细长管道接触影响姿态调整。旋转磁场与径向磁化钦铁棚圆环内驱动器7的禪合 磁矩带动包括摄像头与图像传输装置8的主动半球体绕被动半球体相对空转，主动半球体 处于驱动状态，被动半球体在配重作用下始终处于下方，处于欠驱动状态，与细长管道接触 的摩擦力约束下的被动半球体处于静止状态，可防止机器人调姿时发生滚动，主动半球处 于上方不与细长管道接触或者与细长管道接触区域较小，主动半球体相对位于下面静止的 被动半球体空转，调整姿态时在细长管道接触面上方施加旋转磁矢量，主动半球体相对被 动半球体空转，随动效应使主被动双半球形胶囊机器人轴线一直追随相应方位角旋转磁场 的轴线实现细长管道内的姿态任意调整与全景观察。参考机器人的摄像头与图像传输装置 8所传输的图像分别调整磁场轴线方位角使机器人轴线与各段细长管道弯曲方向基本一 致，并在水平面内分别施加与细长管道各段弯曲方向垂直的滚动旋转磁矢量驱动轴线处于 水平面内并与细长管道接触的主动半球体带动机器人分别沿细长管道各段弯曲方向滚动 行走。尽管该申请发明专利提出磁场方位改变与机器人无线视觉相融合的控制方案，但没 有给出空间万向旋转磁场旋转轴线人机交互控制的具体实施方法。
[0010] 人体软组织环境婉艇曲折，临床应用的瓶颈是如何确定细长管道的弯曲方向，空 间万向旋转磁场与显影技术结合，沿着弯曲环境切线方向不断施加旋转磁场，可望实现机 器人转弯行走，可是，由于细长管道存在重叠现象，复杂细长管道=维影像重构技术难W实 现。
[0011] 基于磁场与视觉相结合的姿态控制方法，如果通过操纵杆控制不断检测出机器人 在细长管道内不同弯曲环境内的方位角姿态参数，为万向旋转磁场驱动装置提供旋转姿态 方位角驱动参量，由公式（I)可知，该方法需检测和控制轴线在笛卡尔坐标系中的3个姿态 方位角，且无法分离，因为=个方位角度相互关联，因此，无法实现单独控制其中的一个方 位角，显然，依据公式（1)控制磁场方位与旋向过程复杂，可操作性差，实现人机交互性困 难，应该另辟暧径。
[0012] 解决途径是实现空间万向旋转磁场人机交互控制，具体方法是采用在经缔坐标系 内W侧摆与俯仰角两个姿态角度为输入变量的空间万向旋转磁场叠加公式，使方位控制变 量由=个变为两个，将空间万向旋转磁场的=维叠加问题转化为平面内的两维叠加问题， 并通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制，在=轴亥姆霍兹线圈装置磁场均匀区 域空间内叠加轴线可沿侧摆与俯仰角方向分别独立控制的旋转磁场，实现低维度可分离变 量交互磁场轴线控制，借助胶囊机器人的摄像头无线传输图像实现侧摆与俯仰两个方向的 独立扫描，实现磁场旋转轴线方位的人机交互控制。通过人机交互实时不断调整操纵杆输 入侧摆与俯仰角数据，使机器人的轴线方向对准细长管道内待测区域进行诊疗或者始终与 细长管道不同弯曲阶段的方向一致，便能实现主被动双半球形胶囊机器人在弯曲环境内基 于调姿的全景观察与转弯驱动。
[0013] 目前，尚未有人提出基于胶囊机器人自转轴线在经缔坐标系中侧摆与俯仰角的空 间万向旋转磁场基本电流叠加公式和通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制的 与胶囊机器人无线传输图像相融合的磁场旋转轴线方位的人机交互控制方案，其显著优点 是姿态角度控制变量少，由=个姿态角度变为两个，实现了姿态角度变量的降维，在空间八 个象限内具有相同的叠加电流公式(本专利只应用Z轴正方向的四个象限），叠加磁场方向 具有唯一性，人机交互操作简单。
【发明内容】
[0014] 本发明要解决的技术方案是提供一种基于经缔坐标系内W侧摆与俯仰角两个姿 态角度为输入变量的空间万向旋转磁场电流形式叠加公式，W及通过两个操纵杆分别将侧 摆与俯仰角度分离控制，在=轴相互正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置包围的均匀区域内叠加 形成轴线可分别沿侧摆与俯仰方向单独控制的旋转磁场，借助参考胶囊机器人前端摄像头 无线传出图像分别调整旋转磁场轴线侧摆与俯仰方位角，实现空间万向磁场旋转轴线方位 与无线传出图像相互融合的人机交互控制方法。
[0015] 本发明的技术方案是：
[0016] 将=组轴线相互正交的亥姆霍兹线圈嵌套在一起，构成=轴正交嵌套亥姆霍兹线 圈磁场叠加装置C，其空间区域包围平台b与使用者a躯干部分，借助=轴正交嵌套亥姆霍兹 线圈磁场叠加装置C叠加空间万向旋