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Orthogonal transformation operation theorem of a spatial universal uniform rotating magnetic field and its application in capsule endoscopy 被引量:9
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作者 ZHANG YongShun YU ZiChun +2 位作者 YANG HuiYuan HUANG YunKui CHEN Jun 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第6期854-864,共11页
According to the anti-phase sine current superposition theorem, the orientation, the magnetic flux density, the angular speed and the rotational direction of the spatial universal rotating magnetic field (SURMF) can... According to the anti-phase sine current superposition theorem, the orientation, the magnetic flux density, the angular speed and the rotational direction of the spatial universal rotating magnetic field (SURMF) can be controlled within the tri-axial orthogonal square Helmholtz coils (TOSHC). Nevertheless, three coupling direction angles of the normal vector of the SURMF in the Descartes coordinate system cannot be separately controlled, thus the adjustment of the orientation of the SURMF is difficult and the flexibility of the robotic posture control is restricted. For the dimension reduction and the decoupling of control variables, the orthogonal transformation operation theorem of the SURMF is proposed based on two independent rotation angular variables, which employs azimuth and altitude angles as two variables of the three-phase sine current superposition formula derived by the orthogonal rotation inverse transformation. Then the unique control rules of the orientation and the rotational direction of the SURMF are generalized in each spatial quadrant, thus the scanning of the normal vector of the SURMF along the horizontal or vertical direction can be achieved through changing only one variable, which simplifies the control process of the orientation of the SURMF greatly. To validate its feasibility and maneuverability, experiments were conducted in the animal intestine utilizing the innovative dual hemisphere capsule robot (DHCR) with active and passive modes. It was demonstrated that the posture adjustment and the steering rolling locomotion of the DHCR can be realized through single variable control, thus the orthogonal transformation operation theorem makes the control of the orientation of the SURMF convenient and flexible significantly. This breakthrough will lay a foundation for the human-machine interaction control of the SURMF. 展开更多
关键词 dual hemisphere capsule robot (DHCR) spatial universal rotating magnetic field surmf orthogonal transformation operation variable decoupling
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肠道胶囊机器人的转向随动力学模型 被引量:9
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作者 张永顺 王楠 马壮 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第1期84-90,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 胶囊机器人 空间旋转磁场 磁驱动力矩 流体力矩 随动效应
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三维梯度旋转磁场内胶囊机器人磁力 被引量:2
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作者 张永顺 徐长亮 +2 位作者 迟明路 白建卫 程存欣 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第17期1-7,共7页
建立三维空间梯度旋转磁场内胶囊机器人的磁力模型,采用截面法研究梯度磁场内磁力的大小与方向特性,分析梯度场内磁力对机器人运动的影响,采用永磁体对磁力方向性进行验证,并采用胶囊机器人对该磁力进行定量分析,结果表明机器人所受磁... 建立三维空间梯度旋转磁场内胶囊机器人的磁力模型,采用截面法研究梯度磁场内磁力的大小与方向特性,分析梯度场内磁力对机器人运动的影响,采用永磁体对磁力方向性进行验证,并采用胶囊机器人对该磁力进行定量分析,结果表明机器人所受磁力的大小和方向与磁场区域相关,研究结果可以解释试验中出现的机器人停滞不前、倒退和振动等现象,梯度磁场拉力特性的研究对进一步提高胶囊机器人的驱动性能具有一定的参考价值。 展开更多
关键词 胶囊机器人 万向旋转磁场 梯度磁场 磁力特性
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胶囊机器人万向旋转磁场的转弯磁矩特性
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作者 张永顺 马壮 +1 位作者 解华英 张建军 《高技术通讯》 CAS CSCD 北大核心 2012年第7期721-726,共6页
针对胶囊机器人任意方向的转弯驱动,提出了向三轴正交亥姆霍兹线圈加载一定幅值和相位关系的同频谐波电流叠加空间万向旋转磁场的技术方案,研制了磁场发生装置与三相变频驱动电源,并成功地进行了万向旋转磁场的验证与转弯试验。根据... 针对胶囊机器人任意方向的转弯驱动,提出了向三轴正交亥姆霍兹线圈加载一定幅值和相位关系的同频谐波电流叠加空间万向旋转磁场的技术方案,研制了磁场发生装置与三相变频驱动电源,并成功地进行了万向旋转磁场的验证与转弯试验。根据磁耦合机理建立了空间磁力矩模型,并基于欧拉方程,建立了机器人摆动方程,研究了转向角与随动力矩和自转力矩的关系,进而分析了磁驱力矩分量对胶囊机器人稳定性和驱动效果的影响,结果表明,旋转磁场的随动效应有利于机器人转弯。 展开更多
关键词 三轴亥姆霍兹线圈 万向旋转磁场 磁矩特性 转向角 随动效应
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胶囊机器人万向旋转磁场负反馈驱动控制
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作者 李银海 张永顺 《机电工程技术》 2016年第9期17-20,共4页
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... 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。 展开更多
关键词 胶囊机器人 空间万向旋转磁场 三轴亥姆霍兹线圈 负反馈控制
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三轴正交亥姆霍兹线圈的磁场均匀性分析 被引量:5
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作者 李辉 张永顺 《现代机械》 2019年第4期1-5,共5页
内窥镜胶囊机器人的外磁场控制已经成为介入诊疗技术的主要驱动方式。本文对三轴正交亥姆霍兹线圈的磁场均匀性进行分析,在对单轴线圈空间内任意位置磁场进行建模的基础上,通过坐标变换扩展为三轴线圈叠加磁场。对三轴磁场均匀性进行了... 内窥镜胶囊机器人的外磁场控制已经成为介入诊疗技术的主要驱动方式。本文对三轴正交亥姆霍兹线圈的磁场均匀性进行分析,在对单轴线圈空间内任意位置磁场进行建模的基础上,通过坐标变换扩展为三轴线圈叠加磁场。对三轴磁场均匀性进行了分析,利用坐标变换对旋转平面内磁场精度进行作图分析,得到相应磁场均匀度分布规律,为三轴正交亥姆霍兹线圈的设计提供了理论依据,为提高旋转磁场的控制精度奠定了基础。 展开更多
关键词 万向旋转磁场 亥姆霍兹线圈 坐标变换 磁场均匀性
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旋转磁场对饲用植酸酶活性影响的试验研究
7
作者 贾志光 孙铁雷 陆文清 《饲料工业》 北大核心 2010年第14期45-48,共4页
试验采用来自国内外不同企业生产的4种植酸酶试剂,常规条件下分别在旋转磁场中处理0、5、10、15、20、25min,用钒钼磷显色法检测酶活性,试验结果表明:其中3种酶活性受到旋转磁场影响不显著,而另一种酶活性却降低到原活性的50%左... 试验采用来自国内外不同企业生产的4种植酸酶试剂,常规条件下分别在旋转磁场中处理0、5、10、15、20、25min,用钒钼磷显色法检测酶活性,试验结果表明:其中3种酶活性受到旋转磁场影响不显著,而另一种酶活性却降低到原活性的50%左右,其原因可能是由于磁场改变了植酸酶的空间结构,从而影响其活性。 展开更多
关键词 旋转磁场 植酸酶 催化活性 空间结构
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一种新型两自由度永磁电机动力学模型
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作者 贾鹏志 张永顺 《机电工程技术》 2020年第10期14-17,共4页
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... 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。 展开更多
关键词 两自由度电机 空间万向旋转磁场 动力学仿真 亥姆霍兹线圈
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锥形螺旋微机器人的结构设计与三维运动控制
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作者 王瀚 范增华 +1 位作者 张坤 高军 《现代制造工程》 2024年第10期67-71,66,共6页
为模拟微机器人在生物体内执行靶向给药、血管疏通等复杂操作,设计了锥形螺旋微机器人。锥形螺旋微机器人主要由圆柱体头部、锥形螺旋尾部和钕铁硼永磁铁组成。针对锥形螺旋微机器人在低雷诺数液体环境中的三维运动控制需求,基于空间矢... 为模拟微机器人在生物体内执行靶向给药、血管疏通等复杂操作,设计了锥形螺旋微机器人。锥形螺旋微机器人主要由圆柱体头部、锥形螺旋尾部和钕铁硼永磁铁组成。针对锥形螺旋微机器人在低雷诺数液体环境中的三维运动控制需求,基于空间矢量叠加原理设计万向旋转磁场发生装置,通过有限元分析方法对万向旋转磁场发生装置的磁场强度及磁场均匀性进行优化。制作锥形螺旋微机器人,并搭建磁驱动系统,进行锥形螺旋微机器人三维运动控制操控实验,实验结果表明,锥形螺旋微机器人在甘油中的最大运动速度为1 mm/s,能够实现稳定的二维及三维运动控制,并完成穿越迷宫的复杂操作。 展开更多
关键词 微机器人 螺旋 万向旋转磁场 运动控制
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磁场与视觉共融的多模态胶囊机器人人机交互控制 被引量:4
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作者 张永顺 杨慧远 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2018年第1期72-80,共9页
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.... 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. 展开更多
关键词 双半球胶囊机器人 多模态转换 空间万向旋转磁场 正交变换 人机交互
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磁控双半球胶囊机器人姿态的图像检测方法 被引量:6
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作者 张永顺 王智博 +1 位作者 刘旭 杨慧远 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期14-19,共6页
提出一种双半球胶囊机器人轴线方位的姿态检测方法.以空间万向旋转磁矢量误差模型所确定最小误差方位为双半球胶囊机器人的初始图像标定位置,对初始位置胶囊自转角信息进行校正.通过内嵌相机获得胶囊初始位置与调姿后的胃肠内壁图像,对... 提出一种双半球胶囊机器人轴线方位的姿态检测方法.以空间万向旋转磁矢量误差模型所确定最小误差方位为双半球胶囊机器人的初始图像标定位置,对初始位置胶囊自转角信息进行校正.通过内嵌相机获得胶囊初始位置与调姿后的胃肠内壁图像,对这两幅图像进行特征点识别与匹配,并结合对极几何约束,最终获得胃肠道等宽裕环境内双半球胶囊机器人轴线方位.设计了模拟实验平台,在体外猪大肠内进行试验验证了该方法的可行性,并且在双半球胶囊实际工作状态下进行试验,确定了该方法在机器人姿态检测上的实用性. 展开更多
关键词 双半球胶囊机器人 姿态估计 空间万向旋转磁矢量 特征识别和匹配 对极几何
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双半球型胶囊机器人弯曲肠道内视觉导航方法 被引量:2
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作者 张永顺 田丰 +2 位作者 王智博 杨慧远 刘旭 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第7期27-34,共8页
为了实现主被动模态双半球型胶囊机器人在肠道内转弯行走,提出了一种视觉导航方法,首先利用动态调姿模态时胶囊轴线与万向旋转磁场轴线的同轴随动特性,并结合同一俯仰角和两个不同侧摆角下单目摄像头所拍摄的两幅无线传输图像确定摄像... 为了实现主被动模态双半球型胶囊机器人在肠道内转弯行走,提出了一种视觉导航方法,首先利用动态调姿模态时胶囊轴线与万向旋转磁场轴线的同轴随动特性,并结合同一俯仰角和两个不同侧摆角下单目摄像头所拍摄的两幅无线传输图像确定摄像头的姿态,然后在摄像机坐标系内提取摄像头对准弯曲肠道时图像的暗区质心像素位置,在万向均匀旋转磁场条件下结合摄像头的姿态信息,通过计算固定坐标系下弯曲肠道图像暗区质心的方位来确定胶囊的视觉导航方位,最终确定胶囊转弯滚动磁场轴线方向,以便实现胶囊在肠道内的视觉辅助导航作业。试验证明该方法可用于胶囊导航,不需要附加传感装置,胶囊结构紧凑,为实现胃肠环境内遍历检查与医疗作业奠定了基础。 展开更多
关键词 双半球型胶囊机器人 万向旋转磁场 姿态确定 暗区质心 视觉导航方位
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