胶囊机器人弯曲环境内万向旋转磁矢量控制原理

体内介入诊疗与手术具有安全、可靠等特征，并能显著降低医疗费用与康复时间。根据近年来国际上的研究热点，胶囊机器人有望突破现有医疗技术的局限性，在诊疗、施药、外科手术等方面将起到重要作用，使胃肠道某些无法触及盲区内的疾病诊疗成为可能。未来，胶囊机器人或将使医学工程领域产生重大变革。

大连理工大学机械工程学院现代制造技术研究所教授张永顺一直稳扎稳打，努力促进胶囊机器人科学的发展。跨越发展的背后，离不开以张永顺教授为带头人的团队所付出的努力。令他欣慰的是，自主创新，一路走来，快乐大于艰辛。

张永顺教授1999年在哈尔滨工业大学机电工程学院获博士学位；2001年在浙江大学流体传动及控制国家重点实验室完成博士后研究。他致力于医疗微型机器人技术及理论、可重构太空臂、机器人机电一体化技术等研究工作。

2006年，作为项目负责人，张永顺教授完成了由加拿大宇航局重点资助的模块化可重构太空臂的国际合作研究。发表论文50余篇，SCI收录8篇，EI、ISTP收录30余篇，申请国家发明专利9项，授权4项，主持国家自然科学基金4项，省部级项目6项，完成科研项目20余项。

径向间隙自补偿胶囊机器人

张永顺教授课题组以无损伤驱动为目标，提出一种螺旋胶囊机器人及外旋转磁场驱动系统，机器人外表螺旋肋与肠内壁形成流体动压保护膜，研究表明螺旋机器人适宜大黏度液体驱动，应用前景良好。

实验时，他们发现了临界间隙现象，胶囊机器人外表面与管壁空隙大于临界间隙时，流体动压不足以驱动机器人；发现端部效应是影响临界间隙与启动的原因，提出启动转速概念，实现了同一磁场下多机器人操作，与以往认知相异，得出驱动特性曲线不过坐标原点的结论。受临界间隙启发，为提高流体动压，张永顺教授又提出胶囊机器人径向间隙补偿方案，并得到国家自然科学基金（60675054）资助，实现了机器人在离体动物肠道内的垂直游动，为临床应用奠定了基础。间隙自补偿是胶囊驱动原理的重要进展，其管径适应范围大，适宜胃肠道驱动，显著提高了流体动压与机器人游动速度。

“随动效应”

张永顺课题组提出依据胶囊机器人轴线与外旋转磁场轴线的随动效应引导机器人转弯的技术方案，在转弯实验时发现胶囊机器人轴线与外旋转磁场平面法线存在“随动效应”现象,。

课题主要对陀螺进动效应约束下的旋转力学特性和机器人与外旋转磁矢量的随动效应进行了研究，建立了弯曲环境内机器人运动方程，确定了机器人稳定条件，揭示了随动效应的力学本质；为了实现机器人在大黏性液体弯管内的无碰撞行走，建立了旋转磁场与机器人内嵌磁体的耦合磁力矩模型和弯管内液体对机器人的阻力矩模型；最后，对转弯过程中磁力矩和流体阻力矩的动态响应特性进行了研究，表明转弯过程中外旋转磁场发生随动效应，流体阻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实现非接触驱动，可顺利实现转弯。

体内花瓣型全悬浮胶囊机器人的多楔形效应

在研究中，张永顺课题组意外发现了多楔形效应，胶囊机器人四片花瓣廓形与管壁形成收敛楔形空间，使流体动压陡增，多楔形效应是一种高效驱动模式，显著提高了离体肠道内转弯与垂直驱动能力。

多楔形效应机器人外表面四周均形成动压保护膜，机器人完全悬浮于管内，实现了非接触驱动。多楔形效应是靠花瓣廓形改变流体路径产生的流体效应增压，从增压效果看，临界间隙增大，启动转速降低，驱动能力显著提高。

突破关键技术 实现弯曲环境内驱动

张永顺课题组提出向三轴正交嵌套亥氏线圈施加同频正弦信号叠加空间万向旋转磁场的方案，获得国家发明专利；他们提出空间万向旋转磁矢量方位与旋转方向的反相位叠加控制原理，归纳并得出反相位电流叠加定律；提出结合幅度与相位补偿的电压信号通过数字化补偿消除感抗对电流相位滞后和对电流幅度衰减的影响，解决了叠加均匀与规则的万向旋转磁场的关键技术。成果作为核心技术申请了国家发明专利，探索了万向旋转磁矢量方位与旋向的可控性，实现了机器人在弯曲环境的驱动。形成了转速、方位、场强和旋向均可数字化调整的空间万向旋转磁矢量叠加装置的设计方法与控制理论。

纵观空间万向旋转磁场的创新史，从两轴亥氏线圈的平面旋转磁场到三轴亥氏线圈的空间万向旋转磁场整整经历了37年的时间，张永顺教授在2004年便提出空间万向旋转磁场的概念，今天万向旋转磁场关键技术终于获得突破，从理论到验证整整历时8年。空间万向旋转磁场技术的突破，必将推动物理学与体内介入医疗工程的发展，使胃肠和血管内窥视诊断、介入治疗的梦想变成现实。

从日前举行的中国科协科技期刊与新闻媒体见面会上了解到，张永顺为第一作者的《肠道内多胶囊机器人的控制策略》一文，提出了同一磁场下对多个胶囊机器人实施驱动控制的方法，实现了多机器人群组操作与控制。为同一体内驱动环境下对多胶囊机器人分别实施摄像、取样、诊断、喷药等多个任务奠定了基础。

　　这项成果发表在《中国科学技术科学》２０１１年第１１期上。

　　据介绍，万向旋转磁场适宜在肠道复杂结构内驱动。转弯这个难关的攻克，使我国胶囊机器人这一领域的研究又前进了一大步，为临床应用奠定了坚实的基础。

　　目前，张永顺团队正在进行胶囊机器人多楔形效应驱动原理的研究，以期优化产生多楔形效应的机器人结构，进一步突破胶囊机器人的驱动性能。这一研究再次得到了国家自然科学基金的资助。

　　“我们的最终目标是建构体内窥视、诊疗为一体的医疗微型机器人系统。通过体外无缆驱动控制与姿态调整，安全地实施窥视、诊断、施药、取样等介入医疗作业。”张永顺说，一旦研制成功并应用于临床，能减轻患者痛苦，缩短康复时间，降低医疗费用。