CN110101356A - 一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统 - Google Patents

一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统 Download PDF

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CN110101356A CN201910478474.XA CN201910478474A CN110101356A CN 110101356 A CN110101356 A CN 110101356A CN 201910478474 A CN201910478474 A CN 201910478474A CN 110101356 A CN110101356 A CN 110101356A
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Abstract

本发明涉及自动化工程技术领域，具体而言，涉及一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统；本发明在胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩；本发明可以减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本发明的在线非接触检测方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测。

Description

一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统
技术领域
本发明涉及自动化工程技术领域，具体而言，涉及一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法及系统。
背景技术
近年来，随着低功耗、低成本小型图像传感器和微型集成电路的迅速发展，“可吞服”无线胶囊机器人的实现成为可能，并逐步取代了传统内窥镜检查。典型的胶囊机器人大小和外形均类似胶囊，由微型摄像头、照明系统、电池和射频电路构成，可在遍历检查过程中对消化道内部拍摄并传出，外部接收器获得发射模块传出的图像，由胃肠道诊疗专家分析对比进行病患筛查。
美国、日本从上世纪80年代便对消化道采样胶囊进行研究，原理是利用形状记忆合金的特性进行消化道内软组织采样以及药物的靶向投放。上述胶囊均由患者吞入，借助肠道蠕动完成窥视、采样作业，利用消化道蠕动的方式进行遍历诊察，运行速度缓慢，无法在可疑病灶进行往返观察，因此，胶囊机器人的主动控制发展潜力巨大，机器人工作于人体肠道、血管等狭小环境中，外壁由柔弹性组织构成，内部充有血液或消化液。为了避免对柔弹性软组织造成损伤，机器人应以无线方式驱动，作为一种无线驱动创新技术，胶囊机器人提供了一种无创、无痛的检查方式，基于内嵌视觉系统综合无线传输图像功能的胶囊机器人可实施胃肠道内无创诊疗，胃肠胶囊机器人的临床应用扩展了医学诊疗视野，实现了体内小肠、结肠等盲区内的巡察。
目前胶囊机器人主要靠胃肠蠕动推力作用而被动行走，无法实现姿态的全方位控制，如果可以主动控制机器人姿态和运动，便会缩短消化道遍历时间，可无遗漏的巡检消化道，提高诊疗效率，降低漏检区域，改善诊疗安全性；然而在人体胃肠道系统直径跨度较大，具有较复杂的消化环境，内部充盈着摩擦系数为10－2数量级的多种消化液，开发机器人的有效驱动方式，提高螺旋式胶囊机器人对肠径的适应能力并减小机器人对肠道的扭曲作用十分关键。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，可以减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本发明的在线非接触检测方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，提高有效磁场利用率，减少线圈驱动系统的驱动功率与磁能耗，有效节约了医疗资源，并能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测；还提供一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、以三个线圈组正交构成交变磁场驱动装置；
步骤S2、以胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成转速检测装置；
步骤S3、交变磁场驱动装置驱动胶囊机器人旋转，以红外测速仪对胶囊机器人进行旋转速度测量，同时依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进；
步骤S4、胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；
步骤S5、再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。
作为本发明的一种改进，在步骤S1内，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2内，将胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于有机玻璃弯管中，PVC管穿过有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与PVC管另一端连接的红外转速测量盘放置于有机玻璃弯管的外侧。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S3内，将三组线圈组分别通入相应电流，在线圈组的中心产生交变旋转磁场，进而形成动态耦合磁力矩，交变旋转磁场包围胶囊机器人，该动态耦合磁力矩作用于胶囊机器人，依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进。
作为本发明的更进一步改进，步骤S4包括：
步骤S41、在三维亥姆霍兹线圈中心建立定坐标系，再以胶囊机器人的中心建立动坐标系，通过转动变换，计算出胶囊机器人的换向角；
步骤S42、通过胶囊机器人的换向角，从而计算出胶囊机器人的平面转角差；
步骤S43、通过胶囊机器人的平面转角差，结合胶囊机器人的旋转变换关系，得到胶囊机器人的空间转角差；
步骤S44、胶囊机器人平稳转弯，采取逐渐减小驱动电流的方式，到胶囊机器人机器人达到临界丢步态为止，从而通过胶囊机器人的空间转角差，再结合交变磁场驱动装置的磁感应强度得到胶囊机器人的转弯总磁力矩。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S5内，通过胶囊机器人的转弯总磁力矩，得到流体的总流体力矩，即胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。
一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，其中，包括：
交变磁场驱动装置，用于产生交变旋转磁场；
转速检测装置，由胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成；
红外测速仪，用于对胶囊机器人进行旋转速度测量；
有机玻璃弯管，用于放置所述转速检测装置；
主控器，用于控制所述交变磁场驱动装置、转速检测装置和红外测速仪。
作为本发明的一种改进，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。
作为本发明的进一步改进，所述线圈组为同方向设置的两个相同的线圈的组成。
作为本发明的更进一步改进，在所述转速检测装置内，将所述胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于所述有机玻璃弯管中，所述PVC管穿过所述有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与所述PVC管的另一端连接的所述红外转速测量盘放置于所述有机玻璃弯管的外侧。
本发明可以减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本发明的在线非接触检测方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，提高有效磁场利用率，减少线圈驱动系统的驱动功率与磁能耗，有效节约了医疗资源，并能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的非接触检测系统的示意图；
图2为空间曲线参数方程表示原理图；
图3为空间曲线定坐标系与动坐标系变换关系示意图；
图4为圆柱螺旋线定坐标系与动坐标系变换关系示意图；
图5为胶囊机器人的转弯磁矢量与磁矩耦合关系图；
图6为空间转差角计算变换图；
图7为换向角计算变换图；
图8为任一组亥姆霍兹线圈的立体剖面图；
图9为处于静止状态的转差角的切面示意图；
图10为处于平衡状态的转差角的切面示意图；
图11为处于临界状态的转差角的切面示意图；
图12为磁场驱动方向与驱动点示意图；
图13为圆柱螺旋线轨迹；
图14为本发明的非接触检测的步骤框图；
图15为本发明的非接触检测的步骤S4的步骤框图；
其中附图标记为：1-有机玻璃弯管，2-胶囊机器人，3-红外测速仪，4-主控器，5-红外转速测量盘，6-PVC管，7-长孔，8-小线圈组，9-中线圈组，10-大线圈组。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在现有技术中，为了高效驱动机器人，减少弯曲肠道内机器人遍历时间，通常采用大功率电磁驱动系统驱动机器人的方式，存在系统功率消耗过大、有效磁场利用率低的问题，因此，为实现肠道内弯曲复杂条件下的准确驱动，提供满足需求的匹配磁感应强度和频率，必须准确确定机器人所需磁感应强度和流体扭转力矩，才能实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测，同时要求对肠道无损伤、不发生非结构弯曲肠道的扭曲现象。
现有技术中的发明专利名称为“一种螺旋胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线测量方法”(专利授权号：ZL201510157709.7)的发明专利，提出的由临界电流和丢步时的转差角的特有关系并结合磁耦合力矩公式实现液体阻力矩的在线检测和转差角的计算，解决了液体摩擦阻力矩难以测量的技术瓶颈，这种间接测量流体扭转力矩的方法无需使用多传感器测量以及复杂运算，并能够减小测量误差，可以在非接触的条件下快捷而简单的测量机器人在液体环境内的流体力矩。但是，该专利仅涉及直管环境内的液体阻力矩检测，并不能够进行弯曲环境内胶囊机器人的流体扭转力矩的测量与转差角计算，实际上，人体消化道内部形状复杂，几乎全部为弯曲非结构封闭形态，肠道直径在15mm～65mm范围内变化，大肠、小肠各部分的管径大小均不同，胶囊机器人大部分时间运行在变径弯曲肠道内，因此，弯曲环境内胶囊机器人的流体扭转力矩检测与转差角计算更具有实际意义，准确确定机器人所需磁感应强度和流体扭转力矩，提供均衡匹配的磁感应强度和频率，才能实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测，不发生肠道扭曲现象，这是实用化的关键。故本项申请专利在上述专利基础上又提出封闭流体弯曲环境中胶囊机器人流体扭转力矩的非接触检测方法与转差角及转弯换向角计算方法。
在封闭流体弯曲环境中胶囊机器人流体扭转力矩的在线非接触检测非常重要。对相关资料进行查阅可知，针对胶囊机器人的摩擦力测量，国外科研机构进行了相关研究，澳大利亚伍伦贡大学的Hao Zhou等对胶囊机器人在肠道中长时间检查而且不损伤肠道的问题展开研究，利用机器人锚固时固定在肠道内部，计算锚固时机器人腿部对柔弹性肠道的静摩擦力和滑动摩擦力大小，机器人一端连接测力传感器，另一端利用步进电机提供驱动力，测量机器人与肠道间的摩擦力，测量时采用人工拉拽的方式拖动机器人运动而模拟肠道蠕动，这种采用直接接触的方式测量摩擦阻力，受人工拖拉和肠道直径大小的影响较大，而且没有考虑弯曲肠道内的滑动摩擦力和静摩擦力，测量方式和测量结果不具有普遍适用性。
国内华中科技大学的Bo Ye使用一根细绳连接机器人末端和测力传感器的方式，通过细绳的旋转拉紧测量摩擦阻力矩，将机器人旋转产生的力矩传递到测力传感器，经数据采集器传送到电脑显示并读取阻力矩数值，这种测量阻力矩的方式与前述国外测量方式类似，均采用直接接触的拖拽方法进行检测，只能在直肠道中进行近似测量，无法对弯曲肠道环境内的流体扭转力矩进行非接触检测，也没有考虑机器人转弯时换向角度的不同而造成不同的测量结果。
综上分析，上述测量方法均存在不足，更不能进行封闭弯曲肠道环境内的流体扭转力矩的测量。事实上，肠道内的不规则弯曲和扭转对胶囊机器人的转弯流体扭转力矩的测量提出了更高的要求，检测时不仅需要考虑弯曲环境的曲率半径对换向角大小的影响，还需分析空间转差角的计算，它们是密不可分的。
为了解决上述技术问题，如图1至15所示，本发明提供一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，包括如下步骤：
步骤S1、以三个线圈组正交构成交变磁场驱动装置；
步骤S2、以胶囊机器人2、PVC管6和红外转速测量盘5组成转速检测装置；
步骤S3、交变磁场驱动装置驱动胶囊机器人2旋转，以红外测速仪3对胶囊机器人2进行旋转速度测量，同时依靠胶囊机器人2的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器2人前进；
步骤S4、胶囊机器人2平稳转弯，当胶囊机器人2达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；
步骤S5、再通过计算得到胶囊机器人2在液体中的流体扭转力矩。
如图1所示，一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，包括：
交变磁场驱动装置，用于产生交变旋转磁场；
转速检测装置，由胶囊机器人2、PVC管6和红外转速测量盘5组成；
红外测速仪3，用于对胶囊机器人进行旋转速度测量；
有机玻璃弯管1，用于放置转速检测装置；
主控器，用于控制交变磁场驱动装置、转速检测装置和红外测速仪3。
其中，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置；三个线圈组均为同方向设置的两个相同的线圈的组成。
本发明，首先提供封闭流体弯曲环境中胶囊机器人流体扭转力矩的在线非接触检测方法，是一种在充液(祛泡剂)弯曲环境内，利用亥姆霍兹线圈产生的交变旋转磁场提供驱动力，根据磁机耦合原理，在胶囊机器人总磁力矩与总流体力矩达到平衡状态时的临界状态，实现封闭流体弯曲环境中胶囊机器人流体扭转力矩的在线非接触检测方法。其次，提供一种空间转差角和换向角的计算方法，根据胶囊机器人转弯时磁矢量由初始驱动方向转换到新驱动方向的换向角和空间转差角关系，总磁力矩与总流体力矩达到相等的平衡状态，计算转弯磁矢量与磁矩耦合过程中的机器人空间转差角和换向角。
本发明的在线非接触检测方法，是为了实现肠道内弯曲复杂条件下的准确驱动，提供足够大小的磁感应强度和频率，根据弯曲环境内的磁耦合力矩与临界驱动电流以及空间转差角的相互关系，实现封闭液体弯曲环境内机器人流体扭转力矩的非接触测量，提供了一种快捷、准确的封闭弯曲环境内胶囊机器人流体扭转力矩的检测手段；本发明实施方便，能够在非接触条件下准确测量胶囊机器人2在转弯过程中的流体扭转力矩，可准确提供总耦合磁力矩大小，高效提供磁场驱动力，还可以减少系统电量损耗，降低功耗，为最终实现复杂弯曲肠道内胶囊机器人的高效驱动与检测，以及无损伤驱动奠定了基础。
在本发明中，在转速检测装置内，将胶囊机器人2、PVC管6和红外转速测量盘5依次连接后放置于有机玻璃弯管1中，PVC管6穿过有机玻璃弯管1的外弧侧的长孔7，与PVC管6的另一端连接的红外转速测量盘5放置于有机玻璃弯管1的外侧。
如图14所示，在本发明中，在步骤S1内，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。
在本发明中，在步骤S2内，将胶囊机器人2、PVC管6和红外转速测量盘5依次连接后放置于有机玻璃弯管1中，PVC管6穿过有机玻璃弯管1的外弧侧的长孔7，与PVC管6另一端连接的红外转速测量盘5放置于有机玻璃弯管的外侧。在步骤S3内，将三组线圈组分别通入相应电流，在线圈组的中心产生交变旋转磁场，进而形成动态耦合磁力矩，交变旋转磁场包围胶囊机器人2，该动态耦合磁力矩作用于胶囊机器人2，依靠胶囊机器人2的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进；具体地讲，第一步，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置，在其公共中心部分形成的均匀磁场包围螺旋胶囊机器人2，将胶囊机器人2、PVC管6和红外转速测量盘5依次连接后放置于封闭充液弯曲的有机玻璃弯管1中，PVC管6穿过有机玻璃弯管1的外弧侧的细的长孔7(如图1虚线所示)，确保转弯时PVC管6不与长孔7壁接触，与PVC管6另一端连接的红外转速测量盘5放置于有机玻璃弯管1外侧，利用红外测速仪3对胶囊机器人2、PVC管6和红外转速测量盘5构成的转速检测装置进行胶囊机器人2旋转速度测量；第二步，将三组线圈分别通入相应电流，线圈中心产生交变旋转磁场，进而形成动态耦合磁力矩，直接作用于胶囊机器人2内部装载的钕铁硼永磁体，驱动胶囊机器人2旋转，胶囊机器人2的螺旋力与封闭的有机玻璃弯管1内液体相互作用后推动胶囊机器人2前进；第三步，胶囊机器人2平稳转弯时的总磁力矩与总流体力矩处于相等的一般平衡态，采取逐渐减小驱动电流的方式，到胶囊机器人达到临界丢步态为止，即可由转弯总磁力矩求出与总流体力矩相等的临界耦合磁力矩；第四步，根据交变旋转磁场平面的法向向量与变换角度之间关系，在总磁耦合力矩与流体力矩相等的基础上，计算胶囊机器人2平稳转弯时相邻驱动位置的换向角与空间转差角。
如图15所示，在本发明内，步骤S4包括：
步骤S41、在三维亥姆霍兹线圈中心建立定坐标系，再以胶囊机器人的中心建立动坐标系，通过转动变换，计算出胶囊机器人的换向角；
步骤S42、通过胶囊机器人的换向角，从而计算出胶囊机器人的平面转角差；
步骤S43、通过胶囊机器人的平面转角差，结合胶囊机器人的旋转变换关系，得到胶囊机器人的空间转角差；
步骤S44、胶囊机器人平稳转弯，采取逐渐减小驱动电流的方式，到胶囊机器人机器人达到临界丢步态为止，从而通过胶囊机器人的空间转角差，再结合交变磁场驱动装置的磁感应强度得到胶囊机器人的转弯总磁力矩。
具体地说明下，弯曲环境内胶囊机器人2转弯时换向角与空间转差角的相互关系，计算总磁耦合力矩与空间弯曲环境内临界耦合磁矩，以及弯曲环境内流体扭转力矩的推导过程：
根据微分几何原理得到空间曲线C一般方程为：
其中，F(x,y,z)＝0和G(x,y,z)＝0分别为两个曲面方程，其交线为空间曲线C。
除了上述空间曲线一般方程，空间曲线亦可由参数方程表示，将空间曲线C上动点的坐标x，y，z表示为参数t的函数r(t)：
该函数连续可微，所以它是一条C1类光滑的正则曲线，如图2所示，当给定t＝t0时，得到胶囊机器人2初始位置坐标(x0，y0，z0)，随着参数t的变化便可得到机器人在空间曲线上的所有驱动点，该点处切线的方向向量为(x0'，y0'，z0')，ρi为矢径，驱动点Oi与Oi+1之间的方向向量为：
在空间曲线上建立运动坐标系Oixiyizi，进行坐标系的运动变换分析，首先在亥姆霍兹线圈中心建立定坐标系Oxyz，再按如下方式定义固结于机器人中心的动坐标系Oixiyizi：zi轴沿着所在点处曲线的切向，xi轴指向曲线凹入的方向，yi轴的方向与zi轴和xi轴两两垂直，显然，定义的运动坐标系与微分几何中的活动标架为一一对应关系，其中，空间曲线的切向量为zi轴，主法向量为xi轴，副法向量为yi轴，如图2所示。
为便于分析，将所有向量变换至同一坐标系，由于空间磁场为均匀磁场，因此坐标系间忽略平动，只考虑转动变换，图3为动坐标系Oixiyizi与定坐标系Oxyz之间的转换关系，Oixiyizi初始时与固定坐标系Oxyz重合，机器人轴线与动坐标系Oizi轴重合，胶囊机器人2的方位只需要α和β两个变量进行确定，其先绕固定坐标系Ox轴转过α角度，得到中间动坐标系Oixyiz'；再将中间动坐标系Oixyiz'绕Oiyi轴旋转β角度，得到动坐标系Oixiyizi。
动坐标系Oixiyizi到固定坐标系Oxyz的齐次变换矩阵为：
即
点Oi+1处磁场旋转平面单位法向量nB在固定坐标系Oxyz中表示为：
则向量nB变换到动坐标系Oixiyizi下为：
nB1＝A-1·nB (8)
记磁矢量旋转平面所在坐标系Oi+1xi+1yi+1zi+1向动坐标系Oixiyizi变换的齐次变换矩阵为：
式中，αi，βi由nB1决定，即满足：
nB1＝AB·[0 0 1]T (10)
由上述公式可解得：
换向角为：
其中，换向角σi为相邻动坐标系zi与zi+1轴的夹角。
选取空间弯曲环境的圆柱螺旋管道为例，分析换向角与空间转差角，螺旋线起点选择y轴负半轴可保证在原点时(Oixiyizi)和(Oxyz)两个坐标系各对应坐标轴线方向一致，动坐标系的zi轴与胶囊机器人2轴线ni重合，因此，相邻zi与zi+1轴夹角也就是换向角σi。
如图4所示为圆柱螺旋管中Oixiyizi与Oxyz之间的旋转变换关系，Oixiyizi初始时与Oxyz重合，机器人轴线与动坐标系Oizi轴重合，机器人的方位仅需α和β两个变量确定，其先绕固定坐标系Ox轴转过α角度，得到中间动坐标系Oixyiz'；再将中间动坐标系Oixyiz'绕Oiyi轴旋转β角度，得到动坐标系Oixiyizi。动坐标系Oixiyizi到定坐标系Oxyz的旋转齐次变换矩阵为：
胶囊机器人2在动坐标系Oixiyizi处转弯，需在弯曲轨迹前端驱动点处动坐标系Oi+1xi+1yi+1zi+1内预先施加旋转磁矢量，因此，建立动坐标系Oi+1xi+1yi+1zi+1向动坐标系Oixiyizi的齐次变换矩阵。
点Oi+1处磁场旋转平面单位法向量nB在定坐标系Oxyz中表示为：
其中，相邻动坐标系Oixiyizi和Oi+1xi+1yi+1zi+1与螺旋线起点的水平夹角分别为θi和θi+1，则向量nB变换到动坐标系Oixiyizi下为：
nB1＝A-1·nB (15)
磁矢量旋转平面所在坐标系Oi+1xi+1yi+1zi+1向动坐标系Oixiyizi变换的齐次变换矩阵：
其中，αi，βi由nB1决定，即满足：
磁矢量nB在动坐标系Oi+1xi+1yi+1zi+1内表示为nB2＝[0 0 1]T，并满足：
nB1＝AB·nB2＝AB·[0 0 1]T (17)
将式(14)和式(15)代入式(17)解得：
其中，P为螺距，R为投影半径。
由于初始时动坐标系Oixiyizi与定坐标系不重合，可看成沿定坐标系x轴旋转一个(－θi)角度，然后绕中间坐标系y轴旋转一个螺旋升角得到，因此，α和β角可表示为：
化简后则αi和βi角可表示成：
胶囊机器人2由初始驱动方向转换到新驱动方向需经两次旋转坐标变换，转弯磁矢量与磁矩耦合过程如图5所示，图5中，Tx为侧摆力矩，Ty为俯仰力矩，Tz为转动力矩。
为了引导转弯，在i+1处沿弯管切线方向预先施加磁矢量，则在i+1处施加的磁矢量Bi+1在动坐标系Oixiyizi中可表示为：
第i次转弯时永磁体磁矩矢量在动坐标系Oixiyizi中可写成：
其中，m0为永磁体磁矩。
根据磁耦合力矩公式T＝m×B，可得坐标系Oixiyizi中的转弯总磁力矩：
由前述分析可知，动坐标系Oxiyizi由定坐标系Oxyz绕Ox轴旋转θi角度，再绕Oyi轴旋转β0角度得到。动坐标系Oxi+1yi+1zi+1由定坐标系Oxyz绕Ox轴旋转θi+1角度，再绕Oyi+1轴旋转β0角度得到，如图6所示，根据图中几何关系，令OB＝h，则有
其中z”zi+1＝Oz”·tanβ0，因此
同理：
而σi＝∠DOzi+1-∠DOzi，因此，换向角σi与水平夹角关系表达式为
如图7所示，i+1处施加的磁矢量Bi+1在xiOyi面的投影为B'i+1，由于磁矩矢量mi＝(mx，my，mz)，则向量向量Omi＝(mx,my,mz)，OB'i+1与OBi+1的夹角即为换向角σi，OBi+1与磁矩矢量Omi的夹角即为空间转差角δi+1，因此，得到空间转差角δi+1与平面转差角δ1之间关系为
在本发明中，在步骤S5内，通过胶囊机器人的转弯总磁力矩，得到流体的总流体力矩，即胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。
具体地讲解下：由于转弯试验中平面转差角容易观察与检测，因此，我们在试验中可以通过平面转差角的检测间接求得空间转差角。
最终计算得到转弯总磁力矩为：
三维亥姆霍兹线圈其中的任一组亥姆霍兹线圈中心点磁感应强度与电流及线圈结构之间有如下关系：
其中，I为通入三维亥姆霍兹线圈的电流，结构系数Ki与线圈自身结构相关，如图8为任一组亥姆霍兹线圈的立体剖面图，其结构系数为：
其中，2a为线圈内边距离，t为线圈的厚度，2d为线圈中心点间距，l为线圈宽度，b为两单独线圈的间距，真空磁导率μ0＝4π×10-7H/m，N为线圈匝数。可求得K1＝9.10747×10-4N/(A2m)，K2＝8.97703×10-4N/(A2m)，K3＝8.90422×10-4N/(A2m)。综上，磁感应强度幅值B0与电流幅值关系为：
B0＝Ki·Ii,i＝1,2,3 (33)
如图9所示为静止状态，旋转磁场处于静止状态，转差角δ始终为零，耦合磁力矩为零，胶囊机器人2静止，该状态下耦合磁力矩与磁场强度无关，机器人启动瞬间便处于静止状态。
当磁场频率为8Hz时，胶囊机器人稳定转速为8r/s，转差角由静止状态逐渐增加至某一恒定值，直到胶囊机器人2和磁场同步转动，如图10所示。
由于采用离散控制策略驱动胶囊机器人2转弯，转弯过程中胶囊机器人2行走轨迹均为直线段，因此，每一段直线驱动距离，机器人总磁力矩与总流体力矩达到平衡状态：
M＝T (34)
其中，M为总流体力矩。
胶囊机器人2稳定旋转后，再以0.05A的幅度逐渐减小磁场驱动电流，直到磁场幅度减小，转差角逐渐增加到90°，如图11所示，胶囊机器人2为临界丢步状态，临界丢步状态濒于平衡状态，再次降低电流，即会出现丢步，总磁耦合力矩变为临界耦合磁矩，此时胶囊机器人转速小于8r/s(为7.9r/s)，磁场强度最小，驱动电流即为临界电流，与总流体力矩相等的临界耦合磁力矩便可由胶囊机器人的转弯总磁力矩求出，从而得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。
在本发明中，具体地实施步骤如下：
(1)如图1和图12所示，令胶囊机器人2沿弯曲的有机玻璃弯管1轴线方向前进，当胶囊机器人2运动至第一个驱动点时，磁场驱动方向为第1个驱动点处弯管中径切线方向，此时改变磁场驱动方向向量n为第2个驱动点处弯管中径切线方向使机器人旋进至下一点，依次类推可完成胶囊机器人2的转弯运动，将有机玻璃弯管1划分为4个驱动点，驱动向量分别为：第1个驱动点处磁场驱动方向向量为n＝[cosα' cosβ' cosγ']T＝[cos90° cos0°cos90°]T，其中(90°，0°，90°)分别为n与x，y，z轴的方向角，同理，第2个驱动点处磁场驱动方向向量为：n＝[cos90° cos10° cos80°]T，第3个驱动点处磁场驱动方向向量为：n＝[cos90° cos20° cos70°]T，第4个驱动点处磁场驱动方向向量为：n＝[cos90° cos30°cos60°]T，驱动方式如图12所示。
(2)亥姆霍兹线圈的三组线圈的结构系数分别为：
计算得出K1＝9.10747×10-4N/(A2m)，K2＝8.97703×10-4N/(A2m)，K3＝8.90422×10-4N/(A2m)。以大线圈为计算基准，首先，向亥姆霍兹线圈中的最大大线圈输入电流I0＝6A，然后根据线圈结构系数与I1、I2和I3的关系：I3＝I0，计算出小线圈输入电流I1＝5.87A，中间线圈输入电流I2＝5.95A，大线圈输入电流I3＝6A，此时胶囊机器人2稳定游动。
(3)在胶囊机器人2自转游动的转弯过程中，逐渐减小磁场驱动电流，直到产生丢步现象，相应丢步电流即为临界驱动电流。所以，能够得到流体扭转力矩与临界耦合磁力矩相等。当磁场频率为8Hz时，机器人稳态转速为8r/s，按照上述操作手段，以0.05A的幅度逐渐减小驱动电流直至发生丢步，此刻机器人的转速小于8r/s(为7.9r/s)，转差角为90°。亥姆霍兹线圈的大线圈组10输入电流为I3＝4.7A时，小线圈组8电流为I1＝4.6A，中线圈组9电流为I2＝4.66A。临界驱动电流越小，则流体扭转力矩越小，就会有更好的驱动能力，还能减少线圈电量损耗，降低驱动系统功耗。
(4)根据线圈磁感应强度B0与驱动电流之间关系B0＝Ki·Ii,i＝1,2,3，计算得出B0＝4.18mT，机器人内置永磁体磁矩为m0＝0.35478A·m2，将上述参数带入总磁力矩公式：
并有总磁力矩与总流体力矩相等的平衡态：
Mt＝Tt (36)
计算得出总流体力矩Mt＝1.5×10-3N·m。
此外，胶囊机器人2沿其它方向的总流体力矩测量方式相同。
(5)磁场频率为8Hz，转弯总磁力矩与总流体力矩达到平衡状态时，恒有Mt＝Tt＝1.5×10-3N·m，取大线圈组10驱动电流I3＝I0＝16A时为例计算平面转差角δ1，首先，利用式B0＝K3·I3计算磁感应强度B0＝14.247mT，然后，将图13所示的螺距P＝90mm，投影半径R＝100mm，角频率ω＝16πrad/s，水平夹角和θi+1－θi＝10°，带入式(20)，再将计算出的αi和βi角，连同磁矩m0＝0.35478A·m2，总流体力矩Mt＝1.5×10-3N·m等参数全部代入总磁力矩公式，最终计算平面转差角δ1＝16.2°；在其它磁场频率下，向线圈施加其它电流值时转差角的计算方法相同。
为了高效驱动胶囊机器人，减少肠道内胶囊机器人遍历时间，实现肠道内多弯曲复杂条件下的准确驱动，并提供满足需求的磁感应强度和频率，本发明提出封闭流体弯曲环境中胶囊机器人流体扭转力矩的在线非接触检测方法以及胶囊机器人与线圈磁场间的转差角和换向角计算方法，该方法简单可靠，操作性强，能够在不接触胶囊机器人的情况下实现弯曲环境内的流体扭转力矩检测，提高有效磁场利用率，减少线圈驱动系统的驱动功率与磁能耗，有效节约了医疗资源，并能够准确确定机器人转弯时所需磁感应强度和流体扭转力矩，实现以较低功耗对全消化道进行安全的在线检测。非接触检测的主要特点就是测量环境无需改变，外界干扰因素少，因此，检测结果误差小、可信度高，提供了实用有效的检测手段，为未来消化道介入诊治铺平道路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、以三个线圈组正交构成交变磁场驱动装置；
步骤S2、以胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成转速检测装置；
步骤S3、交变磁场驱动装置驱动胶囊机器人旋转，以红外测速仪对胶囊机器人进行旋转速度测量，同时依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进；
步骤S4、胶囊机器人平稳转弯，当胶囊机器人达到临界丢步态时，可得到临界耦合磁力矩；
步骤S5、再通过计算得到胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。
2.根据权利要求1的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S1内，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。
3.根据权利要求2的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S2内，将胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于有机玻璃弯管中，PVC管穿过有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与PVC管另一端连接的红外转速测量盘放置于有机玻璃弯管的外侧。
4.根据权利要求3的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S3内，将三组线圈组分别通入相应电流，在线圈组的中心产生交变旋转磁场，进而形成动态耦合磁力矩，交变旋转磁场包围胶囊机器人，该动态耦合磁力矩作用于胶囊机器人，依靠胶囊机器人的旋转力与液体的流体推动力相互作用推动胶囊机器人前进。
5.根据权利要求4的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，步骤S4包括：
步骤S41、在三维亥姆霍兹线圈中心建立定坐标系，再以胶囊机器人的中心建立动坐标系，通过转动变换，计算出胶囊机器人的换向角；
步骤S42、通过胶囊机器人的换向角，从而计算出胶囊机器人的平面转角差；
步骤S43、通过胶囊机器人的平面转角差，结合胶囊机器人的旋转变换关系，得到胶囊机器人的空间转角差；
步骤S44、胶囊机器人平稳转弯，采取逐渐减小驱动电流的方式，到胶囊机器人机器人达到临界丢步态为止，从而通过胶囊机器人的空间转角差，再结合交变磁场驱动装置的磁感应强度得到胶囊机器人的转弯总磁力矩。
6.根据权利要求5的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测方法，其特征在于，在步骤S5内，通过胶囊机器人的转弯总磁力矩，得到流体的总流体力矩，即胶囊机器人在液体中的流体扭转力矩。
7.一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，其特征在于，包括：
交变磁场驱动装置，用于产生交变旋转磁场；
转速检测装置，由胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘组成；
红外测速仪，用于对胶囊机器人进行旋转速度测量；
有机玻璃弯管，用于放置所述转速检测装置；
主控器，用于控制所述交变磁场驱动装置、转速检测装置和红外测速仪。
8.根据权利要求7所述的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，其特征在于，以x方向、y方向、z方向三个正交方向的三个线圈组构成的三维亥姆霍兹线圈作为交变磁场驱动装置。
9.根据权利要求8所述的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，其特征在于，所述线圈组为同方向设置的两个相同的线圈的组成。
10.根据权利要求9所述的一种胶囊机器人的流体扭转力矩的非接触检测系统，其特征在于，在所述转速检测装置内，将所述胶囊机器人、PVC管和红外转速测量盘依次连接后放置于所述有机玻璃弯管中，所述PVC管穿过所述有机玻璃弯管的外弧侧的长孔，与所述PVC管的另一端连接的所述红外转速测量盘放置于所述有机玻璃弯管的外侧。
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