转磁场过程中，采用经缔坐标系内W侧摆与俯仰角为 可分离输入变量的基本电流形式叠加公式，由信号处理器f中的A/D转换器将侧摆操纵杆ei 和俯仰操纵杆62输入的电压角度模拟信号分别转换为侧摆与俯仰角数字量信号并输入到 信号处理器中的电流参数计算模块，经侧摆与俯仰角为可分离输入变量的基本电流形式叠 加公式分析计算后，通过外磁场驱动器g驱动=轴亥姆霍兹线圈磁场叠加装置C叠加轴线由 侧摆操纵杆ei输入的侧摆角和俯仰操纵杆62输入的俯仰角所确定方位一致的旋转磁场，根 据磁力矩随动效应，主被动双半球形胶囊机器人d轴线始终与空间万向旋转磁场旋转轴线 保持一致，借助人机交互界面h显示的机器人的摄像头与图像传输装置8传输的实时图像， 实现与视觉相融合的磁场交互控制，侧摆与俯仰方向交互控制下旋转磁场的单独扫描过程 如下:将侧摆操纵杆ei固定，单独调整俯仰操纵杆62控制俯仰角变化，或者，将俯仰操纵杆62 固定，单独调整侧摆操纵杆ei控制侧摆角变化，通过人机交互实时不断分别调整两个操纵 杆的侧摆与俯仰角数据，实现旋转磁场轴线沿俯仰或侧摆方向的独立扫描，重复上述过程， 可保证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。
[0017] 下面结合附图2(a)与2(b)，说明借助S轴正交亥姆霍兹线圈叠加空间万向旋转磁 场过程中，采用经缔坐标系内W侧摆与俯仰角为两个可分离输入变量的基本电流形式叠加 公式的推导过程，W及经过旋转变换后的磁场旋转平面和初始磁场旋转平面的关系。
[0018] 如图2(a)所示，与=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置C固定的坐标系为 0XYZ，与机器人固结的动坐标系为oxyz，根据矢量运算的可平移性，使两个坐标系的原点0 与O点重合，使机器人的轴线与y轴固结，机器人径向磁化钦铁棚圆环内驱动器7的N极指向 动坐标系的Z轴。坐标系变换过程如下：当机器人轴线由初始位置Y轴，绕固定坐标系中Z轴 侧摆a角，此时动坐标系变为OXiyIZi，再绕动坐标系中Xi轴俯仰0角，此时动坐标系变为 0X2y2Z2,机器人轴线方向由初始的Y轴方向变为y2方向，在旋转磁场力矩随动效应作用下， 空间万向旋转磁场旋转轴方向与机器人轴线相同，结合如图2(b)所示，a、0分别为磁场旋转 平面法线，即磁场旋转轴线的侧摆角与俯仰角(机器人轴线侧摆角与俯仰角），由此可知，如 果W机器人轴线为方向向量，经过侧摆俯仰变换后，可W得到相应磁场旋转轴线在空间的 任意方向向量，因此，通过两个操纵杆分别控制侧摆角CU俯仰角邮P可方便控制空间万向旋 转磁场旋转轴线方位。
[0019] 由于主被动双半球形胶囊机器人的结构特性，当轴线俯仰角小于等于零时，主动 半球将与细长管道接触，驱动机器人滚动，为使机器人调姿稳定，不在细长管道内随意滚 动，机器人俯仰角如勺范围是0-90°，设定机器人轴线处于水平面XOY内时俯仰角0为零，由水 平面转向Z轴时，俯仰角由0增加;为使机器人轴线可W指向空间内Z轴正向四个象限内的任 意方向，机器人侧摆角a的范围是0-360°，设定机器人轴线与Y轴重合时侧摆角a为零，顺时 针转动侧摆角由0增加。机器人轴线可视为由固定坐标系中的Y轴按上述的坐标旋转变换得 到，由于磁场旋转轴线方向与机器人轴线相同，因此，万向旋转磁场轴线变换过程与机器人 轴线相同，由空间解析几何可知，坐标系由变换为OX巧化2,变换矩阵为：
[0021]为了在变换后的动坐标系oxyz中的XOZ平面内产生一个右旋(从万向旋转磁场旋 转平面法向量观察，磁感应强度为逆时针变化）的万向旋转磁场，磁感应强度在动坐标系 oxyz的坐标为
[0023]根据坐标变换，在S轴亥姆霍兹线圈的固定坐标系OXYZ中的磁感应强度与在动坐 (3 ) 标系oxyz的磁感应强度的关系有：
[0025]所W，固定坐标系的磁感应强度分量分别为如下形式时，便可叠加由操纵杆输入 的相应侧摆与俯仰角所确定轴线方位的右旋空间万向旋转磁场。
[0028]因此只需向S轴正交嵌套亥姆霍兹线圈内分别加载如下公式(5)中的电流，就能 使叠加的右旋万向磁场的旋转轴线与机器人轴线一致，驱动机器人完成侧摆a角，俯仰e角 的调姿。
[0030]对上式化简，即可推得产生右旋万向磁场时，采用经缔坐标系内W侧摆与俯仰角 为两个可分离输入变量的基本电流驱动关系
[003^ 其中，a、0分别为旋转磁场轴线的侧摆角与俯仰角，姑11闲,.=tan a sin片， 估化巧,=COt抹SiIi^，: Io为向=组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，CO为施 加正弦信号电流的角速度，施加正弦信号电流的频率为.
[0033]如果需要产生由操纵杆输入的相应侧摆与俯仰角所确定轴线方位的左旋空间万 向旋转磁场时，磁感应强度在动坐标系oxy Z的坐标为
[0035]此时固定坐标系的磁感应强度分量分别为：
[0037]同理，可推得叠加左旋万向旋转磁场时，采用经缔坐标系内W侧摆与俯仰角为两 个可分离输入变量的基本电流驱动关系
[0039] 其中，各符号意义与公式(6)相同。
[0040] 在右旋磁场驱动机器人调姿并观察到环境弯曲方向后，为使主被动双半球形胶囊 机器人沿弯曲方向滚动，需使机器人主动半球与工作环境接触，此时机器人轴线的俯仰角 为0且与弯曲方向（调姿磁场轴线）垂直，此时驱动机器人滚动的磁场旋转轴线和调姿磁场 旋转轴线的关系如图2(c)所示，控制机器人滚动的磁场旋转平面的侧摆俯仰角为(a+270°， 0)，代入公式(5)中，得到驱动机器人沿着弯曲方向(a，(6)滚动的公式，
[0042] 其中，a为环境弯曲方向侧摆角，Io为向S组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号 电流的幅值，《为施加正弦信号电流的角速度，施加正弦信号电流的频率为
[0043] 由式(6)与(7)可见，S轴正交亥姆霍兹线圈加载正弦信号电流的幅值和相位均和 侧摆与俯仰角的=角函数有关，由式(8)可见，机器人滚动的方向只与环境弯曲方向侧摆角 a有关。
[0044] 本发明的效果和益处是：
[0045] 采用磁场轴线在经缔坐标系的侧摆、俯仰角度为输入变量的空间万向旋转磁场电 流形式叠加公式，姿态角度控制变量由=个减少为两个，在空间八个象限内具有相同的电 流形式叠加公式(本专利只应用Z轴正方向的四个象限），驱动电流与相位计算过程简单，叠 加磁场方位与旋转方向具有唯一性;通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制，借 助胶囊机器人前端摄像头无线传出图像可实现旋转磁场轴线分别沿侧摆与俯仰角方向单 独扫描，人机交互操作简单、快捷。即使复杂细长管道=维影像重构技术不能实现，依然可 W控制机器人在复杂细长管道弯曲环境内调整姿态与转弯行走，提高了机器人磁场交互控 制的实用性与可靠性。
【附图说明】
[0046] 附图1(a)是本发明的机器人人机交互控制的技术方案示意图。
[0047] 附图1(b)是主被动双半球形胶囊机器人外部结构局部放大图。
[0048] 附图I(C)是主被动双半球形胶囊机器人内部结构局部放大图。
[0049] 附图2(a)是固定坐标系OXYZ旋转得到动坐标系oxyz的变换过程图。
[0050] 附图2(b)是变换后的磁场旋转平面与初始磁场旋转平面的关系图。
[0051] 附图2(c)是滚动磁场旋转轴线与调姿磁场旋转轴线关系图。
[0052] 附图3是空间万向旋转磁场人机交互系统的结构框图。
[0053] 附图4(a)是侧摆操纵杆ei的结构原理图。
[0054] 附图4(b)是俯仰操纵杆62的结构原理图。
[0055] 附图5(a)是主被动双半球形胶囊机器人在细长管道中姿态调整示意图。
[0056] 附图5(b)是主被动双半球形胶囊机器人在细长管道中滚动行走示意图。
[0057] 图中：a使用者;b病床;C =轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置;d主被动双半 球形胶囊机器人;ei侧摆操纵杆;62俯仰操纵杆;f信号处理器;g外磁场驱动器;h人机交互界 面;n调姿磁场旋转轴线;m滚动磁场旋转轴线；CO旋转磁场角速度;Vi侧摆角电压模拟信号； V2俯仰角电压模拟信号；
[0058] 1主动半球壳;2被动半球壳;3轴承定位套筒;4轴承;5圆螺母;6阶梯轴;7径向磁化 钦铁棚圆环内驱动器;8摄像头与图像传输装置;9侧摆操纵杆ei内嵌永磁体;10侧摆角霍尔 传感器;11俯仰操纵杆62内嵌永磁体;12俯仰角霍尔传感器;13 -字限位器。。
【具体实施方式】
[0059] W下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
[0060] 实施例：
[0061] 结合附图3,空间万向旋转磁场人机交互控制系统由操纵杆输入装置(包括侧摆操 纵杆ei与俯仰操纵杆62)、信号处理器f、外磁场驱动器g、=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠 加装置