膠囊機器人彎曲環(huán)境驅動控制策略優(yōu)化.pdf

1、自主型膠囊機器人作為當前無創(chuàng)介入式診療技術的發(fā)展方向與研究熱點，能夠有效地繼承和發(fā)展被動式膠囊內窺鏡在臨床應用中的優(yōu)勢和作用。無纜磁驅式膠囊機器人具有安全、可靠、操作簡單、供能不受限制等諸多優(yōu)點，成為自主型膠囊機器人最有應用前途的驅動方式之一。
　　目前，大連理工大學膠囊機器人研究團隊已經實現三軸正交亥姆霍茲線圈驅動下膠囊機器人在彎曲環(huán)境中的轉彎游動，本文在此基礎上，對膠囊機器人在彎曲環(huán)境中所采取的轉彎驅動控制策略的優(yōu)化進行了研究

2、，以提高膠囊機器人的轉彎游動性能，降低轉彎時姿態(tài)的不穩(wěn)定擺動。
　　首先，構建了以轉彎平均速度和轉彎平均軌跡偏移量為膠囊機器人轉彎游動性能的綜合評價指標體系，并以這兩個指標作為優(yōu)化的目標，建立了求解最優(yōu)轉彎驅動控制策略的多目標優(yōu)化問題(MOOP)，采用基于影響度因子的模糊綜合優(yōu)選方法求解得到了優(yōu)化目標轉彎平均速度和轉彎平均軌跡偏移量的最優(yōu)值，并得到了最優(yōu)轉向角與最優(yōu)驅動距離。
　　然后，以MOOP的最優(yōu)解為基礎，對空間磁矢量

3、施加方向進行優(yōu)化，以將膠囊機器人轉彎時磁力矩擺動分量對姿態(tài)的的非轉彎擺動的影響降到最低，同時保持膠囊機器人轉彎效果不變，并保證自轉驅動力矩的大小。以空間磁矢量相對與初始磁矢量方向的變換角度為決策變量，將上述目標通過主要目標法化成單目標后，求解此優(yōu)化問題，得到了優(yōu)化后空間磁矢量的施加方向。
　　隨后，根據彎曲環(huán)境與膠囊機器人尺寸的幾何約束，研究了膠囊機器人在圓弧彎管、轉角彎管內的非接觸通過性以及相應的萬向旋轉磁矢量的控制策略。首先根

4、據路徑規(guī)劃，推導了膠囊機器人在彎曲環(huán)境內實現非接觸轉彎游動所需要轉彎位置、轉向角和驅動距離;為了順利實現膠囊機器人轉彎磁矢量控制，基于上述參量，建立了萬向旋轉磁矢量的空間變換模型。
　　最后，搭建了由三軸正交亥姆霍茲線圈系統(tǒng)、三相變頻電源調節(jié)裝置、花瓣狀膠囊機器人和彎曲管道等所構成的實驗平臺，進行了膠囊機器人轉彎驅動控制策略優(yōu)化與非接觸通過性的驗證試驗。實驗結果表明了膠囊機器人彎曲環(huán)境轉彎驅動控制策略優(yōu)化對機器人轉彎游動性能的提高