膠囊內(nèi)窺鏡機器人自問世以來,為胃腸道檢查領(lǐng)域帶來了巨大的改變,展現(xiàn)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。同時為了配合醫(yī)師進行精確檢查和治療,膠囊機器人的主動控制技術(shù)成為了科學研究的熱點領(lǐng)域。研究表明永磁體能持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的能量場且不會出現(xiàn)高熱現(xiàn)象,因此對人體沒有傷害。同時永磁體控制膠囊機器人相較于電磁場控制,其控制更加直觀、簡單,在臨床情況下醫(yī)生的手動控制更加有效與方便。為了實現(xiàn)更精確的主動控制,通過借助視覺模塊的反饋控制,幫助醫(yī)生進行檢查也漸漸成為熱點。針對胃腸道檢查中膠囊機器人的主動精確控制和對于特定目標的檢測與跟蹤,設(shè)計了一種基于無標定視覺伺服的膠囊機器人磁驅(qū)動系統(tǒng),目標是為了控制膠囊機器人在三維空間內(nèi)進行精確的空間位姿控制,同時通過視覺信息反饋實現(xiàn)對目標物體的快速定位、追蹤,使膠囊機器人對準目標特征。主要由永磁體驅(qū)動平臺設(shè)計、膠囊機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、磁驅(qū)動算法設(shè)計以及視覺反饋系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成,其中永磁體作為磁場的發(fā)生裝置,基于磁偶極子模型構(gòu)建了空間磁場的數(shù)學模型,分析了膠囊機器人在驅(qū)動磁場中的受力及運動情況,建立了從機械臂關(guān)節(jié)空間到膠囊機器人所受力和力矩的映射關(guān)系;磁驅(qū)動算法通過對膠囊機器人的受力分析... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

磁驅(qū)動螺旋槳膠囊機器人

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-4-a）電磁驅(qū)動膠囊機器人b）永磁驅(qū)動膠囊機器人圖1-1磁驅(qū)動螺旋槳膠囊機器人永磁驅(qū)動微型機器人的結(jié)構(gòu)如圖1-1b)所示，其驅(qū)動部分是主要由四個永磁鐵組成。根據(jù)磁場驅(qū)動理論，產(chǎn)生的磁力矩作為一個磁偶極子與原有磁場的磁力矩藕合，因此四個永磁鐵對稱放置在膠囊機器人周圍。當亥姆霍茲線圈產(chǎn)生一個外部旋轉(zhuǎn)磁場，四個永磁鐵作為一個整體沿著磁矩磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。連接四個永磁鐵的螺旋結(jié)構(gòu)與軸和軸承一起在流體中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推動力。通過控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場控制膠囊機器人在體內(nèi)運動。2009年卡內(nèi)基梅隆大學設(shè)計了一套電磁線圈驅(qū)動磁機器人驅(qū)動系統(tǒng)[12]，該系統(tǒng)采用6個空心電磁線圈XYZ方向正交成對組成。通過改變磁場方向以實現(xiàn)有規(guī)律的振蕩來控制磁性微機器人在工作場的滑移運動，其系統(tǒng)構(gòu)成圖以及微機器人驅(qū)動實驗如圖1-2中a）所示，圖1-2中b）部分是2012年改進的磁驅(qū)動系統(tǒng)，通過優(yōu)化過控制策略，實現(xiàn)對多個磁性微機器人的獨立驅(qū)動控制[13]，其原理是根據(jù)每個微機器人的幾何形狀不同，從而導致在不同控制信號下的響應(yīng)速度差異，利用其響應(yīng)的唯一性來實現(xiàn)對多個機器人中的獨立目標實現(xiàn)控制。圖1-2Mag-Bots磁驅(qū)動系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-5-美國卡內(nèi)基梅隆大學SehyukYim等人研發(fā)了一套柔性磁性膠囊機器人驅(qū)動系統(tǒng)[14-16]，如圖1-3所示。膠囊機器人的殼體是由柔性材料制成的，它具有一個額外的自由度能夠進行軸向收縮，可以執(zhí)行例如藥物釋放，藥物注射或活檢的任務(wù)。通過實施磁驅(qū)動的滾動運動方案，可以使用永磁體從外部控制膠囊。所提出的磁膠囊機器人通過磁引力錨固在組織壁上并通過磁轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)。這種控制方法允許磁膠囊機器人進行穩(wěn)定的運動，并且在運動過程中其方向是可控制的。通過在合成胃模型中運行控制磁膠囊機器人表明，該膠囊的運動行為是穩(wěn)定的，并且其磁致動方法具有成功的跟蹤性能。這種軟且無線控制的膠囊機器人可以潛在地實現(xiàn)針對胃疾病的微創(chuàng)診斷和治療應(yīng)用。圖1-3軟膠囊機器人結(jié)構(gòu)及藥物釋放2016年MIT研發(fā)了一款由豬大腸組織作為外殼的可折疊膠囊機器人[17]。該膠囊的主體包括豬大腸組織外殼、受控永磁體和紐扣電池組成。圖1-4展示了該為機器人的形狀。其負責進行磁控制的部分是受控永磁體和外部磁常在醫(yī)學專業(yè)人員的指導下將其攝入胃中，定位到所需的位置，修補傷口，清除異物，輸送藥物并進行生物降解。可以將材料封裝在冰中通過食道輸送到受傷區(qū)域，并通過磁場遠程控制其到達特殊位置。圖1-4可折疊磁控微機器人在Valdastri等人的研究中[18]，內(nèi)窺鏡膠囊是由手持式外部永磁體操縱，

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]基于旋轉(zhuǎn)永磁體的磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡主動控制研究[D]. 葉波.華中科技大學 2016

碩士論文
[1]機器人無標定手眼視覺伺服控制系統(tǒng)研究[D]. 張兆旭.杭州電子科技大學 2019
[2]基于單目的機械手無標定視覺伺服系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D]. 梁智超.華南理工大學 2018
[3]基于三維可變磁場微機器人磁驅(qū)動控制技術(shù)的研究[D]. 宋時間.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[4]多重推進式鞭毛泳動磁微機器人系統(tǒng)研究[D]. 翟文賀.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[5]基于磁偶極子模型的三維定位技術(shù)研究[D]. 余樂.西南科技大學 2017
[6]一種基于仿生多纖毛的磁力驅(qū)動微機器人系統(tǒng)設(shè)計和研究[D]. 鄭亮.蘇州大學 2016
[7]六自由度模塊化操作臂的運動學分析及軌跡規(guī)劃[D]. 姜宏超.華東理工大學 2015
[8]基于磁場驅(qū)動技術(shù)及MEMS的永磁微機器人系統(tǒng)設(shè)計[D]. 李炫穎.上海交通大學 2014



本文編號：3453443