C、摄像头与图像传输装置8和人机交互界面h六部分构成。
[0062] 本发明的实施步骤如下：
[0063] (1)将=组线圈相互正交嵌套安装成=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置C， 让使用者a吞下主被动双半球形胶囊机器人d，并躺在平台b上，调整平台b的位置使使用者d 处于=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置C的中屯、区域。
[0064] (2)结合附图4(a)，侧摆操纵杆el可W在手动控制下绕中屯、位置360°转动，转动侧 摆操纵杆ei时，带动侧摆操纵杆ei内嵌永磁体9转动，改变施加在侧摆角霍尔传感器10上的 磁场，侧摆角霍尔传感器10输出空间万向旋转磁场轴线的侧摆角电压模拟信号Vi,对侧摆 操纵杆ei进行标定，使侧摆操纵杆ei输出电压值范围与磁场轴线侧摆角0-360°的范围对应； 结合附图4(b)，俯仰操纵杆62可W在一字限位器13作用下自中屯、位置前后摆动，摆动俯仰 操纵杆62时，带动俯仰操纵杆62内嵌永磁体11摆动，改变施加在俯仰角霍尔传感器12上的磁 场，俯仰角霍尔传感器12输出空间万向旋转磁场轴线的俯仰角电压模拟信号V2,对俯仰操 纵杆62进行标定，使俯仰操纵杆62输出电压值范围与磁场轴线俯仰角0-90°的范围对应。侧 摆操纵杆ei与俯仰操纵杆62分别通过RS-232接口实现与信号处理器f的数据传输，同时在人 机交互界面h中显示出侧摆操纵杆ei输入的侧摆角度值与俯仰操纵杆62输入的俯仰角度值。
[0065] (3)控制侧摆操纵杆ei与俯仰操纵杆62向信号处理器f输入侧摆与俯仰角的电压模 拟信号，通过A/D转换为相应的数字信号，并将两个角度数字信号输入到电流参数计算模块 中，利用公式(6)算出对应的驱动主被动双半球形胶囊机器人d调姿的电流幅值和相位;利 用公式(8)算出对应的驱动主被动双半球形胶囊机器人d滚动行走的电流幅值和相位。
[0066] 外磁场驱动器g中的单片机接受信号处理器f发送的电流参数，产生相应的正弦谐 波电流信号。经滤波放大后，外磁场驱动器g输出的=路正弦电流信号分别输入到=轴正交 嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置C的=组线圈中，驱动线圈叠加轴线与侧摆操纵杆el输入 的侧摆角和俯仰操纵杆e2输入的俯仰角所确定方位一致的旋转磁场，从而实现机器人在复 杂管道弯曲环境内调整姿态与转弯行走。
[0067] (4)结合附图5(a)，介绍空间万向旋转磁场人机交互系统控制主被动双半球形胶 囊机器人d在复杂细长管道弯曲环境内沿磁场轴线侧摆角方向的扫描过程。
[0068] 控制侧摆操纵杆ei与俯仰操纵杆62,施加旋转轴线方向为m的万向旋转磁场，m侧 摆与俯仰角为(〇,90°)，此时机器人轴线指向m方向，主动半球体W旋转磁场角速度CO绕机 器人轴线旋转。控制俯仰操纵杆62,使俯仰角变为45°，再顺时针绕中屯、位置转动侧摆操纵 杆61，从而在坐标平面内均匀分布四个观察方位配合摄像头与视觉传输系统8视角覆盖整 个区域，四个旋转轴线方向为112、113、114、11日，侧摆与俯仰角分别为（0,45°)、（90°，45°)、 (180°，45°)、（270°，45°)。人机交互界面11显示机器人内嵌摄像头与视觉传输系统8传输的 细长管道内的实时图像W及侧摆操纵杆ei与俯仰操纵杆62输入的侧摆与俯仰角度值，完成 在复杂细长管道弯曲环境内沿侧摆角方向的扫描过程。当需要观察细长管道内的某一待测 位置或对准细长管道的弯曲方向时，可在沿侧摆角扫描的基础上，在某个观察方位时，借助 人机交互界面h显示的细长管道内实时图像，不断微调侧摆操纵杆ei或俯仰操纵杆62的输 入，从而达到精确调整机器人的姿态的目的。
[0069] (5)结合附图5(b)，介绍空间万向旋转磁场人机交互系统控制主被动双半球形胶 囊机器人d在复杂细长管道弯曲环境内沿弯曲方向滚动行走的过程。
[0070] 首先，控制侧摆操纵杆ei与俯仰操纵杆62,在A点进行沿磁场侧摆角方向扫描，借助 人机界面h显示的无线传输图像，调整机器人的姿态，使机器人轴线对准细长管道的弯曲方 向AB，此时机器人轴线(万向旋转磁场轴线）的方向为n6(60° ,45° )，将ns的侧摆与俯仰角度 值带入公式(8)中，算出对应的=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈叠加装置C =组线圈应加载的电 流幅值和相位，新叠加的万向旋转磁场将驱动胶囊机器人沿细长管道弯曲方向AB滚动前 进，其旋转轴线为m(330°，45°)。
[0071] 当机器人运动到B点时，重复上述对准细长管道弯曲方向过程，使机器人轴线对准 细长管道的弯曲方向BC，此时机器人轴线访向旋转磁场轴线）的方向为118(120°，45°)，将ns 的侧摆与俯仰角度值带入公式(8)中，算出对应的=轴正交嵌套亥姆霍兹线圈叠加装置C = 组线圈应加载的电流幅值和相位，新叠加的万向旋转磁场将驱动胶囊机器人沿细长管道弯 曲方向BC滚动前进，其旋转轴线为119(30°，45° )。
[0072] 由公式(8)可知，调整侧摆操纵杆ei的输入，可W改变机器人的滚动方向。如果细 长管道有更多的弯曲，重复W上过程，便可实现机器人在复杂细长管道弯曲环境内沿弯曲 方向的滚动行走。
【主权项】
1. 一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法，其特征在于： (1) 采用磁场轴线在经炜坐标系的侧摆、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磁场轴线与空间笛卡尔坐标系三个方向角减少为经 炜坐标系内侧摆与俯仰两个姿态角，通过侧摆操纵杆与俯仰操纵杆分别将侧摆与俯仰角度 分离控制，并分别输出侧摆角与俯仰角的模拟电压角度信号，经过信号处理器中的A/D转换 器后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，经过分 析计算后，外磁场驱动器接受信号处理器发送的数据，产生相应的正弦谐波电流去驱动三 轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置，在其中心区域叠加形成轴线与侧摆操纵杆输入的 侧摆角和俯仰操纵杆输入的俯仰角所确定方位一致的旋转磁场； (2) 分别调节侧摆操纵杆与俯仰操纵杆，改变外加旋转磁场轴线在经炜坐标系的侧摆 与俯仰角，根据磁力矩随动效应，主被动双半球形胶囊机器人的轴线与旋转磁场轴线重合， 借助人机交互界面h显示机器人的摄像头与图像传输装置所传输的实时图像，实现与视觉 相融合的人机交互控制过程如下：将侧摆操纵杆固定，单独调整俯仰操纵杆控制俯仰角变 化，或将俯仰操纵杆固定，单独调整侧摆操纵杆控制侧摆角变化，分别实现磁场轴线沿着侧 摆与俯仰两个方向的独立扫描，最后，再通过两个操纵杆分别微调磁场轴线侧摆与俯仰角， 使机器人轴线姿态对准细长管道待测区域，或者与各段细长管道弯曲方向基本一致。2. 根据权利要求1所述的一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法，其特征在于： 信号处理器f中的电流参数计算模块，产生右旋万向磁场时，具体采用以侧摆与俯仰角 为输入变量的电流形式的空间万向旋转磁场叠加公式为产生左旋万向磁场时，具体采用以侧摆与俯仰角为输入变量的电流形式的空间万向旋 转磁场叠加公式为其中，α、β分别为万向磁场旋转轴线在经炜坐标系下的侧摆与俯仰角， tan^ =tenasin# tan% =c〇tosm# , 1〇为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦 信号的幅值，ω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3. 根据权利要求1或2所述的一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法，其特征在于： 为使机器人沿弯曲方向滚动，使机器人的主动半球与细长管道接触，机器人轴线的俯 仰角为〇且与弯曲方向垂直驱动机器人沿调姿方向滚动，信号处理器f中的电流参数计算模 块，以侧摆角为输入变量的电流形式的旋转磁场叠加公式为：其中，α为环境弯曲方向侧摆角，Ιο为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号的幅 值，ω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
【专利摘要】本发明属于自动化工程技术领域，公开了一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法，分别向三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置施加以磁场轴线在经纬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，在三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角方向单独扫描的旋转磁场，参照胶囊机器人前端摄像头无线传输图像分别调整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的人机交互控制。本发明实现机器人侧摆与俯仰两个方向的独立扫描，人机交互操作简单、快捷，提高机器人在弯曲环境内姿态调整与滚动的可操作性。
【IPC分类】A61B1/04
【公开号】CN105662318
【申请号】CN201610009285
【发明人】张永顺, 于子淳, 杨振强, 苏忠侃, 迟明路, 李银海, 黄云奎
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月8日