胶囊机器人磁驱系统设计及控制研究
发布时间：2021-10-23 15:34
胶囊内窥镜机器人自问世以来,为胃肠道检查领域带来了巨大的改变,展现展现出了广阔的应用前景。同时为了配合医师进行精确检查和治疗,胶囊机器人的主动控制技术成为了科学研究的热点领域。研究表明永磁体能持续产生稳定的能量场且不会出现高热现象,因此对人体没有伤害。同时永磁体控制胶囊机器人相较于电磁场控制,其控制更加直观、简单,在临床情况下医生的手动控制更加有效与方便。为了实现更精确的主动控制,通过借助视觉模块的反馈控制,帮助医生进行检查也渐渐成为热点。针对胃肠道检查中胶囊机器人的主动精确控制和对于特定目标的检测与跟踪,设计了一种基于无标定视觉伺服的胶囊机器人磁驱动系统,目标是为了控制胶囊机器人在三维空间内进行精确的空间位姿控制,同时通过视觉信息反馈实现对目标物体的快速定位、追踪,使胶囊机器人对准目标特征。主要由永磁体驱动平台设计、胶囊机器人结构设计、磁驱动算法设计以及视觉反馈系统设计构成,其中永磁体作为磁场的发生装置,基于磁偶极子模型构建了空间磁场的数学模型,分析了胶囊机器人在驱动磁场中的受力及运动情况,建立了从机械臂关节空间到胶囊机器人所受力和力矩的映射关系;磁驱动算法通过对胶囊机器人的受力分析...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁驱动螺旋桨胶囊机器人
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-a）电磁驱动胶囊机器人b）永磁驱动胶囊机器人图1-1磁驱动螺旋桨胶囊机器人永磁驱动微型机器人的结构如图1-1b)所示，其驱动部分是主要由四个永磁铁组成。根据磁场驱动理论，产生的磁力矩作为一个磁偶极子与原有磁场的磁力矩藕合，因此四个永磁铁对称放置在胶囊机器人周围。当亥姆霍兹线圈产生一个外部旋转磁场，四个永磁铁作为一个整体沿着磁矩磁场的旋转方向旋转。连接四个永磁铁的螺旋结构与轴和轴承一起在流体中旋转产生推动力。通过控制产生旋转磁场控制胶囊机器人在体内运动。2009年卡内基梅隆大学设计了一套电磁线圈驱动磁机器人驱动系统[12]，该系统采用6个空心电磁线圈XYZ方向正交成对组成。通过改变磁场方向以实现有规律的振荡来控制磁性微机器人在工作场的滑移运动，其系统构成图以及微机器人驱动实验如图1-2中a）所示，图1-2中b）部分是2012年改进的磁驱动系统，通过优化过控制策略，实现对多个磁性微机器人的独立驱动控制[13]，其原理是根据每个微机器人的几何形状不同，从而导致在不同控制信号下的响应速度差异，利用其响应的唯一性来实现对多个机器人中的独立目标实现控制。图1-2Mag-Bots磁驱动系统
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-美国卡内基梅隆大学SehyukYim等人研发了一套柔性磁性胶囊机器人驱动系统[14-16]，如图1-3所示。胶囊机器人的壳体是由柔性材料制成的，它具有一个额外的自由度能够进行轴向收缩，可以执行例如药物释放，药物注射或活检的任务。通过实施磁驱动的滚动运动方案，可以使用永磁体从外部控制胶囊。所提出的磁胶囊机器人通过磁引力锚固在组织壁上并通过磁转矩旋转。这种控制方法允许磁胶囊机器人进行稳定的运动，并且在运动过程中其方向是可控制的。通过在合成胃模型中运行控制磁胶囊机器人表明，该胶囊的运动行为是稳定的，并且其磁致动方法具有成功的跟踪性能。这种软且无线控制的胶囊机器人可以潜在地实现针对胃疾病的微创诊断和治疗应用。图1-3软胶囊机器人结构及药物释放2016年MIT研发了一款由猪大肠组织作为外壳的可折叠胶囊机器人[17]。该胶囊的主体包括猪大肠组织外壳、受控永磁体和纽扣电池组成。图1-4展示了该为机器人的形状。其负责进行磁控制的部分是受控永磁体和外部磁常在医学专业人员的指导下将其摄入胃中，定位到所需的位置，修补伤口，清除异物，输送药物并进行生物降解。可以将材料封装在冰中通过食道输送到受伤区域，并通过磁场远程控制其到达特殊位置。图1-4可折叠磁控微机器人在Valdastri等人的研究中[18]，内窥镜胶囊是由手持式外部永磁体操纵，
【参考文献】：
期刊论文
[1]无标定视觉伺服机器人跟踪控制策略研究[J]. 陈梅,车尚岳. 控制工程. 2019(06)
[2]胶囊机器人无线能量传输系统设计[J]. 杨凯,颜国正,高晋阳. 北京生物医学工程. 2016(05)
[3]基于BP神经网络的排爆机械臂逆运动学分析[J]. 李文博,曹兵,张云波. 计算机测量与控制. 2016(01)
[4]基于三个并行BP神经网络的机器人逆运动学求解[J]. 臧庆凯,李春贵,钟宛余. 计算机测量与控制. 2012(08)
[5]The future of wireless capsule endoscopy[J]. Paul Swain. World Journal of Gastroenterology. 2008(26)
博士论文
[1]基于旋转永磁体的磁性螺旋型胶囊内窥镜主动控制研究[D]. 叶波.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]机器人无标定手眼视觉伺服控制系统研究[D]. 张兆旭.杭州电子科技大学 2019
[2]基于单目的机械手无标定视觉伺服系统研究与应用[D]. 梁智超.华南理工大学 2018
[3]基于三维可变磁场微机器人磁驱动控制技术的研究[D]. 宋时间.哈尔滨工业大学 2018
[4]多重推进式鞭毛泳动磁微机器人系统研究[D]. 翟文贺.哈尔滨工业大学 2017
[5]基于磁偶极子模型的三维定位技术研究[D]. 余乐.西南科技大学 2017
[6]一种基于仿生多纤毛的磁力驱动微机器人系统设计和研究[D]. 郑亮.苏州大学 2016
[7]六自由度模块化操作臂的运动学分析及轨迹规划[D]. 姜宏超.华东理工大学 2015
[8]基于磁场驱动技术及MEMS的永磁微机器人系统设计[D]. 李炫颖.上海交通大学 2014
本文编号：3453443
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁驱动螺旋桨胶囊机器人
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-a）电磁驱动胶囊机器人b）永磁驱动胶囊机器人图1-1磁驱动螺旋桨胶囊机器人永磁驱动微型机器人的结构如图1-1b)所示，其驱动部分是主要由四个永磁铁组成。根据磁场驱动理论，产生的磁力矩作为一个磁偶极子与原有磁场的磁力矩藕合，因此四个永磁铁对称放置在胶囊机器人周围。当亥姆霍兹线圈产生一个外部旋转磁场，四个永磁铁作为一个整体沿着磁矩磁场的旋转方向旋转。连接四个永磁铁的螺旋结构与轴和轴承一起在流体中旋转产生推动力。通过控制产生旋转磁场控制胶囊机器人在体内运动。2009年卡内基梅隆大学设计了一套电磁线圈驱动磁机器人驱动系统[12]，该系统采用6个空心电磁线圈XYZ方向正交成对组成。通过改变磁场方向以实现有规律的振荡来控制磁性微机器人在工作场的滑移运动，其系统构成图以及微机器人驱动实验如图1-2中a）所示，图1-2中b）部分是2012年改进的磁驱动系统，通过优化过控制策略，实现对多个磁性微机器人的独立驱动控制[13]，其原理是根据每个微机器人的几何形状不同，从而导致在不同控制信号下的响应速度差异，利用其响应的唯一性来实现对多个机器人中的独立目标实现控制。图1-2Mag-Bots磁驱动系统
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-美国卡内基梅隆大学SehyukYim等人研发了一套柔性磁性胶囊机器人驱动系统[14-16]，如图1-3所示。胶囊机器人的壳体是由柔性材料制成的，它具有一个额外的自由度能够进行轴向收缩，可以执行例如药物释放，药物注射或活检的任务。通过实施磁驱动的滚动运动方案，可以使用永磁体从外部控制胶囊。所提出的磁胶囊机器人通过磁引力锚固在组织壁上并通过磁转矩旋转。这种控制方法允许磁胶囊机器人进行稳定的运动，并且在运动过程中其方向是可控制的。通过在合成胃模型中运行控制磁胶囊机器人表明，该胶囊的运动行为是稳定的，并且其磁致动方法具有成功的跟踪性能。这种软且无线控制的胶囊机器人可以潜在地实现针对胃疾病的微创诊断和治疗应用。图1-3软胶囊机器人结构及药物释放2016年MIT研发了一款由猪大肠组织作为外壳的可折叠胶囊机器人[17]。该胶囊的主体包括猪大肠组织外壳、受控永磁体和纽扣电池组成。图1-4展示了该为机器人的形状。其负责进行磁控制的部分是受控永磁体和外部磁常在医学专业人员的指导下将其摄入胃中，定位到所需的位置，修补伤口，清除异物，输送药物并进行生物降解。可以将材料封装在冰中通过食道输送到受伤区域，并通过磁场远程控制其到达特殊位置。图1-4可折叠磁控微机器人在Valdastri等人的研究中[18]，内窥镜胶囊是由手持式外部永磁体操纵，
【参考文献】：
期刊论文
[1]无标定视觉伺服机器人跟踪控制策略研究[J]. 陈梅,车尚岳. 控制工程. 2019(06)
[2]胶囊机器人无线能量传输系统设计[J]. 杨凯,颜国正,高晋阳. 北京生物医学工程. 2016(05)
[3]基于BP神经网络的排爆机械臂逆运动学分析[J]. 李文博,曹兵,张云波. 计算机测量与控制. 2016(01)
[4]基于三个并行BP神经网络的机器人逆运动学求解[J]. 臧庆凯,李春贵,钟宛余. 计算机测量与控制. 2012(08)
[5]The future of wireless capsule endoscopy[J]. Paul Swain. World Journal of Gastroenterology. 2008(26)
博士论文
[1]基于旋转永磁体的磁性螺旋型胶囊内窥镜主动控制研究[D]. 叶波.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]机器人无标定手眼视觉伺服控制系统研究[D]. 张兆旭.杭州电子科技大学 2019
[2]基于单目的机械手无标定视觉伺服系统研究与应用[D]. 梁智超.华南理工大学 2018
[3]基于三维可变磁场微机器人磁驱动控制技术的研究[D]. 宋时间.哈尔滨工业大学 2018
[4]多重推进式鞭毛泳动磁微机器人系统研究[D]. 翟文贺.哈尔滨工业大学 2017
[5]基于磁偶极子模型的三维定位技术研究[D]. 余乐.西南科技大学 2017
[6]一种基于仿生多纤毛的磁力驱动微机器人系统设计和研究[D]. 郑亮.苏州大学 2016
[7]六自由度模块化操作臂的运动学分析及轨迹规划[D]. 姜宏超.华东理工大学 2015
[8]基于磁场驱动技术及MEMS的永磁微机器人系统设计[D]. 李炫颖.上海交通大学 2014
本文编号：3453443
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