17)、（18)中計(jì)算空間曲線的曲率k和撓率τ，
[0048] 通過化簡計(jì)算發(fā)現(xiàn)，k>0且τ =〇。根據(jù)曲線論定理：若空間曲線ρ⑴的曲率 k>0,則p在某平面中的充要條件是τ =〇。故可以證明公式（14)三組線圈產(chǎn)生的實(shí)際旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)末端軌跡為平面曲線，其軌跡所在平面的法向量即為實(shí)際旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)軸方向向 量。
[0049] 為便于求取該法向量，取曲線在七等于0，1'/4，1'/2,31'/4(其中丁 = 231/〇)時(shí)對(duì) 應(yīng)的A、B、C、D四個(gè)特殊點(diǎn)，構(gòu)成平面內(nèi)的兩個(gè)向量，這兩個(gè)向量的向量積就是該曲線所在 平面的法向量，也是實(shí)際磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸的方向向量。其中，A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)分別為：
[0057] 則實(shí)際旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸的方向向量Y為：
[0058]
[0059] 理想旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸的方向向量η為（cos α，cos β，cos γ )，且滿足 cos2 α+cos2 β+C0S2Y = 1，故線圈產(chǎn)生的實(shí)際旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)軸與理想旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)軸之間的誤 差為：
[0061] 為了減小或者消除磁場(chǎng)方位誤差，需要對(duì)控制系統(tǒng)輸入的電壓相位進(jìn)行補(bǔ)償，消 除由于奶、妗、灼不同以及線圈互感對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度相位所產(chǎn)生的影響。
[0062] 實(shí)際補(bǔ)償時(shí)，無法直接測(cè)得三組線圈之間磁感應(yīng)強(qiáng)度的相位關(guān)系，因而直接對(duì)三 組線圈的輸入電壓相位進(jìn)行補(bǔ)償，使其嚴(yán)格滿足公式（1)中的相位關(guān)系具有一定難度。顯 而易見，為了嚴(yán)格滿足公式（1)中的相位關(guān)系，最直接的方法就是通過連接電感或者電阻 的方法使三組線圈的電感與電阻相匹配，即電感和電阻完全相同，或者滿足相同的比例關(guān) 系。實(shí)踐證明這并非易事，因?yàn)檫B接電感在滿足電感匹配關(guān)系的同時(shí)，由于電感本身有電 阻，所以又破壞了電阻的匹配關(guān)系。并且由于線圈之間的互感值計(jì)算、測(cè)量十分困難，通過 對(duì)三組線圈分別單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞綗o法有效的消除線圈互感所引起的磁場(chǎng)方位誤差。為 此，必須另辟蹊徑。本專利將給出一種簡便的輸入電壓相位補(bǔ)償方法，從而對(duì)由三組線圈電 阻和電感值不同和線圈互感所引起的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方位誤差進(jìn)行校正。
[0063] 綜上所述，空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)膠囊機(jī)器人在人體胃腸道復(fù)雜彎曲 環(huán)境內(nèi)驅(qū)動(dòng)和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過有效手段，對(duì)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)的方位誤差進(jìn)行校正，保證膠囊機(jī)器人行走方向的準(zhǔn)確性和行走過程的穩(wěn)定性，是旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)膠囊機(jī)器人走向?qū)嵱没年P(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0064] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種對(duì)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制系統(tǒng)輸入電壓相 位進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償?shù)姆椒?，消除三組不同結(jié)構(gòu)亥姆霍茲線圈的電學(xué)參數(shù)差異及線圈互感對(duì) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方位誤差的影響，提高旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方位精度。
[0065] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0066] 提出一種直線極化電壓相位差補(bǔ)償法，即以大線圈的電壓相位為測(cè)量基準(zhǔn)，借助 于兩相正交諧波信號(hào)疊加的直線極化特性，分別測(cè)出其余兩組線圈內(nèi)正弦信號(hào)所疊加磁場(chǎng) 發(fā)生直線極化時(shí)的電壓相位，求出其輸入電壓相位差，并進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償。
[0067] 具體操作過程如下：
[0068] (1)利用直線極化時(shí)兩相正交諧波信號(hào)相位特性確定小線圈和中間線圈的輸入電 壓相位差Θ jp Θ 2
[0069] 以大線圈的電壓相位為測(cè)量基準(zhǔn)，小線圈和中間線圈的輸入電壓相位差Θ^Ρ Θ 2 分別為：
[0072] 其中，輸入電壓相位差Θ JP Θ 2的獲得，可借助于電磁波的直線極化特性規(guī)律進(jìn) 行測(cè)量?，F(xiàn)結(jié)合附圖5對(duì)兩組正交線圈內(nèi)正弦信號(hào)疊加的定軸旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極化規(guī)律進(jìn)行簡 要說明。
[0073] 兩組正交線圈中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足如下關(guān)系式：
[0075] 式中，Bz為大線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以其電壓相位為基準(zhǔn)，則相位可視為零；Φ為小線 圈或者中間線圈輸入電壓的可調(diào)校準(zhǔn)相位。
[0076] $ + 01由31/2逐漸增大到331/2時(shí)，得到的極化特性圖形如附圖5所示。當(dāng)1]) + 01 =π /2時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為右旋圓極化；當(dāng)：π /2〈 Φ + Θ Z π時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為右旋橢圓極化； 當(dāng)φ + θ 1= π時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為直線極化；當(dāng)π〈 φ + Θ '3 π /2時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為左旋橢圓 極化；當(dāng)+ 時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為左旋圓極化。
[0077] 輸入電壓相位差0滿測(cè)量可借助當(dāng)φ+θ 1= π時(shí)的直線極化特性，即所疊加磁 場(chǎng)為直線極化，而直線極化位相左右兩邊磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相反。實(shí)際測(cè)量過程中，控制系統(tǒng) 大線圈的輸入電壓相位始終為〇,通過控制器不斷改變小線圈的輸入電壓的可調(diào)校準(zhǔn)相位 Φ，通過觀察磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向，直至找到疊加磁場(chǎng)為直線極化時(shí)小線圈的可調(diào)校準(zhǔn)相位，記為 。此時(shí)，兩組線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量的相位必定相差π，即滿足等式：
[0078]
[0079] 故Φ C1的補(bǔ)角就是小線圈的輸入電壓相位差，即Θ 1= π-φ。。同理，可測(cè)得θ2。
[0080] (2)控制系統(tǒng)輸入電壓相位的補(bǔ)償與磁場(chǎng)疊加效果分析
[0081] 以大線圈的電壓相位為基準(zhǔn)，分別測(cè)得小線圈和中間線圈輸入電壓相位差Θ 4口 Θ 2后，對(duì)控制系統(tǒng)的輸入電壓相位進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償，即三組線圈的輸入電壓相位由原來的 JT/2 變?yōu)?供X-A、灼廠込、π/2〇
[0082] 經(jīng)過補(bǔ)償之后，三組線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量分別為：
[0084] 由于0 =約-奶，A =灼-朽，即磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為：
[0086] 此時(shí)三組線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度相位中的_灼可以相互抵消，從而使三者的相位嚴(yán)格滿 足公式（1)中理想旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相位要求，消除了三組亥姆霍茲線圈電學(xué)參數(shù) (電阻、電感）不一致對(duì)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方位精度的影響，也消除了線圈互感對(duì)空間萬向 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方位精度的影響。
[0087] 本發(fā)明通過采用直線極化電壓相位差補(bǔ)償法對(duì)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制系統(tǒng)的輸 入電壓相位參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，消除了三組不同結(jié)構(gòu)亥姆霍茲線圈的電學(xué)參數(shù)對(duì)所疊加旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)產(chǎn)生的方位誤差，提高了空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方位精度，保證了膠囊機(jī)器人行走的方向 性和穩(wěn)定性，對(duì)膠囊機(jī)器人的臨床應(yīng)用具有重要意義，尤其消除了線圈互感對(duì)空間萬向旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方位精度的影響，解決了線圈互感計(jì)算與補(bǔ)償困難這一技術(shù)難題。
【附圖說明】
[0088] 圖1是本發(fā)明所校正的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置用于體內(nèi)介入醫(yī)療的技術(shù)方案示 意圖。
[0089] 圖1中：1小線圈組，由沿X軸方向放置的兩個(gè)相同線圈組成；2中間線圈組，由沿 Y軸方向放置的兩個(gè)相同線圈組成；3大線圈組，由沿Z軸方向放置的兩個(gè)相同線圈組成； 同一方向的兩個(gè)相同線圈為串聯(lián)關(guān)系，但三個(gè)方向的控制信號(hào)相互獨(dú)立；4控制器；5控制 系統(tǒng)操作界面。
[0090] 圖2是理想空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的示意圖。
[0091] 圖2中：向量η為膠囊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，也是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線方向；α、β、γ為 向量η分別與X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角；向量B表示理想旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其 末端軌跡為圓。
[0092] 圖3是亥姆霍茲線圈互感計(jì)算模型。
[0093] 圖3中：A和C為構(gòu)成單組亥姆霍茲線圈的兩個(gè)相同線圈；B為輔助線圈，便于計(jì) 算；a'為單個(gè)亥姆霍茲線圈邊長之半；b'為輔助線圈的寬度；t'為單個(gè)亥姆霍茲線圈厚 度；U為單個(gè)亥姆霍茲線圈寬度。
[0094] 圖4是經(jīng)過序列二次規(guī)劃方法優(yōu)化得到的單組方形亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)圖。
[0095] 圖4中：a為優(yōu)化后單個(gè)亥姆霍茲線圈邊長之半；t為優(yōu)化后單個(gè)亥姆霍茲線 圈厚度；1為優(yōu)化后單個(gè)亥姆霍茲線圈寬度；b為優(yōu)化后兩個(gè)亥姆霍茲線圈之間的距離； d為優(yōu)化后兩個(gè)亥姆霍茲線圈中心距離之半，標(biāo)準(zhǔn)的方形亥姆霍茲線圈中心距滿足d = 0.5445 (a+t/2)〇
[0096] 圖5是Φ + Θ1? π/2增大到3 π /2過程中，所疊加定軸旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極化特性圖 形。
[0097] 圖5中：圖5(1)為Φ + Θ 1= jt/2時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為右旋圓極化；圖5(2)為 π /2〈 Φ + θ Z π時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為右旋橢圓極化；圖5 (3)為Φ + θ1= π時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為 直線極化；圖5 (4)為π〈 φ + Θ '3 π /2時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為左旋橢圓極化；圖5 (5)為Φ + Θ i =3 π /2時(shí)，所疊加磁場(chǎng)為左旋圓極化。
【具體實(shí)施方式】
[0098] 以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0099] 實(shí)施例：
[0100] 以疊加頻率為10Hz、空間方向角為（45°，60°，60° )旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方位誤差校正 為例，對(duì)方位誤差的大小進(jìn)行理論估算并介紹利用直線極化電壓相位差補(bǔ)償法對(duì)控制系統(tǒng) 輸入電壓相位進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償?shù)脑敿?xì)過程。
[0101] (1)空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方位誤差的估算
[0102] 通過序列二次規(guī)劃得到的方形亥姆霍茲線圈的結(jié)構(gòu)如附圖4所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如 表1所示。
[0103] 表1優(yōu)化后的亥姆霍茲線圈參數(shù)
[0105] 根據(jù)亥姆霍茲線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以計(jì)算得到三組線圈電