基于空间旋转磁场的全方向无人机无线电能传输系统

针对传统磁耦合式无人机无线电能传输系统存在的能量发射侧与接收侧需同向对准问题,该文提出一种基于空间旋转磁场的全方向无人机无线电能传输系统。新型磁耦合装置原边采用3个共面正六边形发射线圈,控制其激励电流幅值相等、相位互差120°,可在发射线圈上方生成空间旋转磁场,提供全向能量传输通道。该磁场的主磁通在水平面内旋转,与垂直于发射线圈平面的空芯接收线圈形成有效耦合,使磁场工作区域远离无人机机身。搭建实验平台,以系统能量传递功率和效率作为评价指标,验证系统应用于无人机无线电能补给的有效性。实验结果表明,在设计区域内,接收线圈旋转任意角度时,均可实现高效传能。

胶囊机器人万向旋转磁场负反馈驱动控制

三轴亥姆霍兹线圈可叠加空间万向旋转磁场,使胶囊机器人在弯曲环境内的驱动成为可能。驱动电流频率变大,线圈感抗变大,旋转磁场强度变小,方位精度变差。为此,研制以DSP芯片为核心的负反馈控制系统,提高了旋转磁场的准确性和稳定性。根据系统的等效电路,建立了微分方程,推导传递函数,求得特征方程根,证明了系统的稳定性。通过保证三组线圈的电感与电阻的比值相等,使三组线圈滞后角及时间常数相等,降低了系统故障率,提高了系统效率与安全性。

肠道胶囊机器人的转向随动力学模型

为了实现旋进式胶囊机器人在充满黏性液体弯管内的无碰撞转弯行走,提出一种离散逼近的空间万向旋转磁场控制策略,采用与机器人相连的赖柴坐标系确定机器人的姿态,建立旋转磁场与机器人内驱动器耦合所产生的空间磁力矩模型和弯管液体环境对机器人转弯运动响应的流体力矩模型,对转弯过程中磁力矩和流体力矩的动态响应特性进行理论研究。结果表明在转弯过程中外旋转磁场使机器人发生随动效应,流体力矩使磁力矩诱导的摆动响应迅速衰减现象有利于机器人在弯曲环境内的非接触式驱动。

一种新型两自由度永磁电机动力学模型

提出了一种新型结构的两自由度永磁电机,阐述了基本结构及各部分功能。电机转子仅由径向磁化永磁体构成,定子部分为三轴亥姆霍兹线圈组,显著降低了永磁电机内部多维磁场的复杂程度。根据径向磁化永磁体对空间万向旋转磁场的随动效应,即径向磁化永磁体轴线会转动直到与空间万向旋转磁场轴线重合这一现象,通过空间万向旋转磁场控制电机输出端到达空间指定位置,实现空间两自由度任意运动。动力学仿真验证了基于随动效应的两自由度永磁电机方案的可行性,可控制电机输出端到达指定位置。

磁场与视觉共融的多模态胶囊机器人人机交互控制

为了实现磁驱动胶囊内窥镜基于定点悬停调姿的全景观察,提出一种欠驱动双半球胶囊机器人,突破了悬停调姿与滚动行走双重工作模态转换关键技术.为了在肠道弯曲环境内实现滚动行走,提出与视觉相融合的空间万向旋转磁场人机交互控制策略.理论上,依据正交变换推得经纬坐标系下以磁场轴线的侧摆角与俯仰角为独立变量的三相电流形式空间万向旋转磁场叠加公式,完成控制变量降维与解耦,实现磁场轴线沿侧摆或俯仰方向的单独调整;实践上,通过磁矩随动效应带动双半球形胶囊机器人摄像头分别实现侧摆与俯仰2个方向的独立扫描,使机器人轴线对准各段肠道弯曲方向,沿弯曲方向施加滚动磁矩实现胶囊机器人滚动转弯.最后,采用离体猪大肠模拟环境验证人机交互性能.试验表明,通过结合弯曲肠道图像与磁场方位的人机交互控制,既能实现双半球形胶囊机器人在被动模态下的姿态任意调整与全景观察,也能实现在主动模态下沿弯曲环境的滚动行走.