半球形磁场驱动腹腔镜胶囊机器人的运动机理和控制方法研究

Although the operating principle and control method of the laparoscopic capsule robot have been extensively studied, there is still a problem to precisely control its three-dimensional position and pose in the single port laparoscopic surgery. Therefore, a novel method that drives the capsule robot by the hemisphere magnetic field is proposed to solve this problem. At first, we analyze the driving-principle of the capsule robot when its structure is a hemisphere permanent magnet rotor and the stator coils. After building the electromagnetic model and the dynamics model, the current auto flowing method is presented to decouple the redundant magnetic field. Then, we study the mechanism of the intraperitoneal rotation and translation of the capsule robot. The data of the vision sensor and IMU are fused employing the adaptive filtering and the motion of the virtual camera. Therefore, we get the pose of the robot and the depth information of the sense. Consequently, the precise three-dimensional pose is controlled by backstepping decentralized adaptive method. At last, we design the prototype and testify it in biological experiments. The main significance of this project is to explore new theories and to present new control methods. The improvement of the key technology will promote the development of the minimally invasive surgery and its related fields.

深入分析和研究了腹腔镜胶囊机器人的工作原理和控制方法，针对现有胶囊机器人应用于单孔口腹腔镜手术时遇到的难以实现准确的三维位姿控制的问题，提出一种用半球形磁场驱动机器人三维运动的设计思想。课题研究了样机设计和研制中的若干问题，分析了胶囊机器人的半球形永磁转子和定子方案的驱动原理，建立腹腔环境中机器人电磁力矩模型和动力学模型，提出电流自流动的冗余磁场解耦控制方法。以此为基础，针对机器人在腹腔内运动的特点，探索机器人平移和旋转运动的控制机理，融合视觉和惯性传感信息，通过自适应滤波和虚拟摄像头观测的方法获得机器人的位姿和手术场景深度，进而采用反步分散自适应控制方法精确控制机器人的位置和姿态，完成样机设计和生物体实验验证。项目的主要意义是拟通过该项目的研究，深入探索新的理论工具和新的研究方法，以求在腹腔镜胶囊机器人位姿控制关键技术上有所突破和创新，推动微创外科技术及相关学科的发展。

为解决胶囊机器人应用于单孔口腹腔镜手术时存在难以实现准确的三维位姿控制的问题，深入分析了现有胶囊机器人的结构设计和工作原理存在的问题，基于球形电机的思想设计了两种新型胶囊机器人结构，依据各结构特点设计了胶囊机器人运动控制算法，实现了胶囊机器人三维位姿的高精度控制。.本课题分析了胶囊机器人的需求和目前已有结构的不足，研究了样机设计和研制过程中的若干问题，详细分析了半球形磁场驱动的胶囊机器人的运动机理，建立了胶囊机器人的数学模型。本课题最终设计了两套不同运动机理和控制方式的胶囊机器人结构，针对两种结构分别提出了冗余磁场解耦控制算法和基于强化学习和虚拟肌肉的闭环控制算法.改进结构后的胶囊机器人位姿控制精度达到0.5°，实现了不同腹腔壁厚度下的高精度位姿控制。该项目的研究，在腹腔镜胶囊机器人的位姿控制关键技术上取得了较大的突破和创新。此外，本课题的研究成果也为胶囊机器人结构创新和控制算法创新带来了新的思路，为相关学科的发展提供一些理论和技术的支持。