CN105662318A - 一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种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

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，蜿蜒曲折，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，要求微型机器人以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。

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等人提出了利用三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钕铁硼永磁体，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。

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：ZL200810011110.2)，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：

其中，α、β、γ分别为空间单位向量n＝(cosα，cosβ，cosγ)与空间笛卡尔坐标系x，y，z轴的方向角，I₀为驱动电流的幅值，ω为电流的角频率，叠加磁场旋转方向为逆时针。

为了应用于空间其它七个象限，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：ZL201210039753.4)中，通过以空间某一固定轴线三个方向角为输入变量的基本电流叠加公式中三相正弦电流信号的各种反相位电流的组合驱动方式与三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。

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这一难题，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。

结合附图1(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，将径向磁化钕铁硼圆环内驱动器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上以将轴承4内圈轴向定位，圆螺母5不能突出到球面以外，以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钕铁硼圆环内驱动器7的耦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。

人体软组织环境蜿蜒曲折，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，复杂细长管道三维影像重构技术难以实现。

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(1)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，因为三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，应该另辟蹊径。

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纬坐标系内以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，使方位控制变量由三个变为两个，将空间万向旋转磁场的三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，在三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。

目前，尚未有人提出基于胶囊机器人自转轴线在经纬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，由三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

本发明要解决的技术方案是提供一种基于经纬坐标系内以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，以及通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制，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。

本发明的技术方案是：

将三组轴线相互正交的亥姆霍兹线圈嵌套在一起，构成三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，借助三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置c叠加空间万向旋转磁场过程中，采用经纬坐标系内以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e₁和俯仰操纵杆e₂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驱动三轴亥姆霍兹线圈磁场叠加装置c叠加轴线由侧摆操纵杆e₁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，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e₁固定，单独调整俯仰操纵杆e₂控制俯仰角变化，或者，将俯仰操纵杆e₂固定，单独调整侧摆操纵杆e₁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。

下面结合附图2(a)与2(b)，说明借助三轴正交亥姆霍兹线圈叠加空间万向旋转磁场过程中，采用经纬坐标系内以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，以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。

如图2(a)所示，与三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OXYZ，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O与o点重合，使机器人的轴线与y轴固结，机器人径向磁化钕铁硼圆环内驱动器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α角，此时动坐标系变为ox₁y₁z₁，再绕动坐标系中x₁轴俯仰β角，此时动坐标系变为ox₂y₂z₂，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，α、β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，如果以机器人轴线为方向向量，经过侧摆俯仰变换后，可以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α、俯仰角β即可方便控制空间万向旋转磁场旋转轴线方位。

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β的范围是0-90°，设定机器人轴线处于水平面XOY内时俯仰角β为零，由水平面转向Z轴时，俯仰角由0增加；为使机器人轴线可以指向空间内Z轴正向四个象限内的任意方向，机器人侧摆角α的范围是0-360°，设定机器人轴线与Y轴重合时侧摆角α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OXYZ变换为ox2y2z2，变换矩阵为：

$A=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ 0& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ -\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(2\right)$

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

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=B_{0}sin\mathrm{\ω}t\\ B_y=0\\ B_z=B_{0}cos\mathrm{\ω}t\end{array}\right.$

根据坐标变换，在三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标系oxyz的磁感应强度的关系有：

$\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)=A\left(\begin{array}{c}{B}_X\\ B_Y\\ B_Z\end{array}\right)---\left(3\right)$

所以，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。

$\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{c}{B}_X\\ B_Y\\ B_Z\end{array}\right)=A^{-1}\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)& A^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ 0& \sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right)\end{array}$

$\left(\begin{array}{c}{B}_X\\ B_Y\\ B_Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{B}_{0}sin\mathrm{\ω}tcos\mathrm{\α}-B_{0}cos\mathrm{\ω}tsin\mathrm{\α}sin\mathrm{\β}\\ -B_{0}sin\mathrm{\ω}tsin\mathrm{\α}-B_0\cos \mathrm{\ω}tcos\mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ B_0\cos \mathrm{\ω}tcos\mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(4\right)$

因此只需向三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α角，俯仰β角的调姿。

$\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\\ I_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_{0}sin\mathrm{\ω}tcos\mathrm{\α}-I_{0}cos\mathrm{\ω}tsin\mathrm{\α}sin\mathrm{\β}\\ -I_{0}sin\mathrm{\ω}tsin\mathrm{\α}-I_{0}cos\mathrm{\ω}tcos\mathrm{\α}sin\mathrm{\β}\\ I_{0}cos\mathrm{\ω}tcos\mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(5\right)$

对上式化简，即可推得产生右旋万向磁场时，采用经纬坐标系内以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

$\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\\ I_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_0\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\αcos}}^2\mathrm{\β}}sin(\mathrm{\ω}t-{\mathrm{\φ}}_x)\\ -I_0\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\αcos}}^2\mathrm{\β}}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_y)\\ I_{0}cos\mathrm{\β}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\π}/2)\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，α、β分别为旋转磁场轴线的侧摆角与俯仰角， I₀为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，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

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oxyz的坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=B_{0}cos\mathrm{\ω}t\\ B_y=0\\ B_z=B_{0}sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right.$

此时固定坐标系的磁感应强度分量分别为：

$\left(\begin{array}{c}{B}_X\\ B_Y\\ B_Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{B}_0\cos \mathrm{\ω}tcos\mathrm{\α}-B_0\sin \mathrm{\ω}tsin\mathrm{\α}sin\mathrm{\β}\\ -B_0\cos \mathrm{\ω}tsin\mathrm{\α}-B_0\sin \mathrm{\ω}tcos\mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ B_0\sin \mathrm{\ω}tcos\mathrm{\β}\end{array}\right)$

同理，可推得叠加左旋万向旋转磁场时，采用经纬坐标系内以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

其中，各符号意义与公式(6)相同。

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(α+270°，0)，代入公式(5)中，得到驱动机器人沿着弯曲方向(α，β)滚动的公式，

$\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\\ I_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_{0}sin\mathrm{\α}sin\mathrm{\ω}t\\ I_0\cos \mathrm{\α}sin\mathrm{\ω}t\\ I_{0}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\π}/2)\end{array}\right)---\left(8\right)$

其中，α为环境弯曲方向侧摆角，I₀为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，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

由式(6)与(7)可见，三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三角函数有关，由式(8)可见，机器人滚动的方向只与环境弯曲方向侧摆角α有关。

本发明的效果和益处是：

采用磁场轴线在经纬坐标系的侧摆、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三个减少为两个，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。即使复杂细长管道三维影像重构技术不能实现，依然可以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

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。

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。

附图1(c)是主被动双半球形胶囊机器人内部结构局部放大图。

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。

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。

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。

附图3是空间万向旋转磁场人机交互系统的结构框图。

附图4(a)是侧摆操纵杆e₁的结构原理图。

附图4(b)是俯仰操纵杆e₂的结构原理图。

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。

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。

图中：a使用者；b病床；c三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；e₁侧摆操纵杆；e₂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；ω旋转磁场角速度；V₁侧摆角电压模拟信号；V₂俯仰角电压模拟信号；

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径向磁化钕铁硼圆环内驱动器；8摄像头与图像传输装置；9侧摆操纵杆e₁内嵌永磁体；10侧摆角霍尔传感器；11俯仰操纵杆e₂内嵌永磁体；12俯仰角霍尔传感器；13一字限位器。。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例：

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e₁与俯仰操纵杆e₂)、信号处理器f、外磁场驱动器g、三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置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。

本发明的实施步骤如下：

(1)将三组线圈相互正交嵌套安装成三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处于三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置c的中心区域。

(2)结合附图4(a)，侧摆操纵杆e1可以在手动控制下绕中心位置360°转动，转动侧摆操纵杆e₁时，带动侧摆操纵杆e₁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V₁，对侧摆操纵杆e₁进行标定，使侧摆操纵杆e₁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e₂可以在一字限位器13作用下自中心位置前后摆动，摆动俯仰操纵杆e₂时，带动俯仰操纵杆e₂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e₂进行标定，使俯仰操纵杆e₂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e₁与俯仰操纵杆e₂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e₁输入的侧摆角度值与俯仰操纵杆e₂输入的俯仰角度值。

(3)控制侧摆操纵杆e₁与俯仰操纵杆e₂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。

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输出的三路正弦电流信号分别输入到三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置c的三组线圈中，驱动线圈叠加轴线与侧摆操纵杆e1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。

(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。

控制侧摆操纵杆e₁与俯仰操纵杆e₂，施加旋转轴线方向为n₁的万向旋转磁场，n₁侧摆与俯仰角为(0,90°)，此时机器人轴线指向n₁方向，主动半球体以旋转磁场角速度ω绕机器人轴线旋转。控制俯仰操纵杆e₂，使俯仰角变为45°，再顺时针绕中心位置转动侧摆操纵杆e₁，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n₂、n₃、n₄、n₅，侧摆与俯仰角分别为(0,45°)、(90°,45°)、(180°,45°)、(270°,45°)。人机交互界面h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以及侧摆操纵杆e₁与俯仰操纵杆e₂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e₁或俯仰操纵杆e₂的输入，从而达到精确调整机器人的姿态的目的。

(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。

首先，控制侧摆操纵杆e₁与俯仰操纵杆e₂，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n₆的侧摆与俯仰角度值带入公式(8)中，算出对应的三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈叠加装置c三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n₇(330°,45°)。

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(万向旋转磁场轴线)的方向为n₈(120°,45°)，将n₈的侧摆与俯仰角度值带入公式(8)中，算出对应的三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈叠加装置c三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n₉(30°,45°)。

由公式(8)可知，调整侧摆操纵杆e₁的输入，可以改变机器人的滚动方向。如果细长管道有更多的弯曲，重复以上过程，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。

Claims (3)

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)采用磁场轴线在经纬坐标系的侧摆、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纬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纬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纬坐标系下的侧摆与俯仰角，I₀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 $f=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}.$

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0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：

$\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\\ I_z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_{0}sin\mathrm{\α}sin\mathrm{\ω}t\\ I_0\cos \mathrm{\α}sin\mathrm{\ω}t\\ I_{0}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\π}/2\end{array}\right)---\left(8\right)$

其中，α为环境弯曲方向侧摆角，I₀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