【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗器械，具体涉及一种磁控胶囊体引导机械臂系统、装置及操作方法。
技术介绍
1、随着医疗技术的不断进步，胶囊体成为一种无创、便捷的消化道检查手段。然而，传统的胶囊体在人体内的移动完全依赖于自然蠕动和重力作用，这使得医生无法主动控制胶囊的位置和姿态，限制了诊断的准确性和灵活性。为了解决这一问题，本专利技术提出了一种磁控胶囊体引导机械臂装置。
2、传统上，胶囊体技术允许患者吞服一颗内置有微型摄像头的小型胶囊，该胶囊能够拍摄消化道内部的照片并通过无线传输至外部接收器。这种方案的优点在于它的非侵入性以及对患者的舒适度影响小。但是，由于缺乏对外部控制的能力，胶囊可能会错过某些重要的观察区域，或者在一些狭窄或弯曲部位停滞不前，导致检查结果不够全面。
3、现有的技术尝试通过使用外部磁场来遥控胶囊，但这些方法往往存在精度不足、操作复杂或需要大型设备的问题。例如，有些系统虽然可以实现一定程度上的胶囊导航，但由于磁场分布不均或控制算法不够精确，仍然难以达到理想的定位效果。此外，它们可能不具备实时反馈机制，因此不能很好地适应胶囊在体内的动态变化。
4、相比之下，本专利技术提供了一种集成高分辨率摄像头与永磁铁的胶囊体模块，并且结合了精密的机械臂伺服电机和编码器系统，通过粒子群优化算法计算最优关节角度序列，配合pid控制器调整机械臂动作，从而实现胶囊体内运动的精准控制。
技术实现思路
1、本专利技术一种磁控胶囊体引导机械臂系统，包括机械臂操作模块、胶囊体模块
2、所述机械臂操作模块包括机械臂伺服电机(14)、第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)和永磁铁(19)；所述机械臂伺服电机(14)通过内置的第一编码器对第一机械臂(16)进行控制，通过第二编码器对第二机械臂(17)进行控制，通过第三编码器对第三机械臂(18)进行控制，实现精确的全方位运动；所述机械臂操作模块通过改变永磁铁(19)的位置和方向，控制胶囊体在患者体内的姿态和轨迹；
3、所述胶囊体模块包括内置摄像头和内置永磁铁，内置摄像头通过捕捉胶囊体当前位置的实时图像，通过无线传输将图像数据传输至操作端；所述内置永磁铁与第三机械臂(18)端部的永磁铁(19)相互作用，通过永磁铁(19)控制内置胶囊体在体内运动；
4、所述图像传输模块安装在胶囊体模块上，进行拍摄体内图像，通过无线通信使图像传输到操作端，通过图像操控机械臂进行控制胶囊体移动；所述图像传输模块还具备图像处理能力，对接收的图像进行优化图像质量；
5、所述滑轨运行模块包括双侧的滑轨(3)和弧形结构(20)；所述滑轨(3)提供稳定的支撑基础，确保机械臂在整个检查过程中平稳移动，所述弧形结构(20)固定于滑轨顶部，为机械臂提供广阔的活动范围；
6、所述操作端通过接收图像进行控制机械臂操作模块，实现精准引导。
7、优选的，所述机械臂操作模块包括位置传感器和角度传感器；所述位置传感器和角度传感器均安装在第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)的关节处，通过位置传感器进行反馈机械臂操作模块的动作位置，将动作位置传输至操作端，进行控制；所述角度传感器通过角度测量反馈第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)的角度大小，同时通过角度传感器进行反馈第三机械臂(18)的永磁铁(19)的角度大小，将角度大小传输至操作端，实现精准控制。
8、优选的，所述机械臂操作模块得到位置传感器和角度传感器采集的数据通过pid控制器进行处理，所述pid控制器接受指令后，通过胶囊体的摄像头捕捉到的图像和位置传感器和角度传感器的数据，获取胶囊体的的实际位置和姿态信息，将实际位置与目标位置对比，计算出当前位置误差，通过误差计算出控制量，通过控制量进行输出控制信号到达机械臂伺服电机(14)进行调整，改变胶囊体的姿态和位置。
9、一种磁控胶囊体引导机械臂装置，包括机架(1)和弧形结构(21)；所述机架(1)顶部两侧设置滑轨(3)，所述滑轨(3)通过滑轨卡扣(25)进行左右滑动；所述基座连接件(4)与升降机(26)连接，通过升降机(26)控制弧形结构(21)上下移动；所述基座连接件(4)中间开设螺纹孔，螺纹孔内设置滑轨丝杆(2)；所述滑轨丝杆(2)端部连接基座伺服电机(9)实现弧形结构(21)的左右滑动；
10、所述弧形结构(21)上侧设置齿圈(10)，滑动装置(11)通过齿圈(10)进行上下移动，所述滑动装置(11)内侧设置小齿轮(13)，所述小齿轮(13)与滑轨伺服电机(14)连接，通过滑轨伺服电机(14)带动滑动装置(11)内齿轮转动实现与弧形结构(21)的齿圈(10)不断啮合进行移动；所述滑动装置(11)内部设置凹形滑轮(12)，所述凹形滑轮(12)分布在滑动装置(11)左右两侧和上下两端，所述上下两端的凹形滑轮(12)的凹下部位紧贴弧形结构(21)的凸形导轨放置，保证滑动装置(11)沿弧形结构(21)运动；所述滑动装置(11)外部平台设置机械臂伺服电机(15)，所述滑动装置(11)外部平台通过圆形法兰连接机械臂结构，机械臂结构通过机械臂伺服电机(15)进行多角度转动；所述机械臂结构包括第一机械臂(16)、第二机械臂(17)和第三机械臂(18)，所述机械臂通过多关节部件连接，实现多角度的转动；所述第三机械臂(18)端部连接永磁铁(19)，使用永磁铁(19)通过磁驱动方式精确控制胶囊体运动；
11、所述滑动装置(11)的滑轨伺服电机(14)通过上连接螺栓(23)和下连接螺栓(24)固定连接，防止滑动；所述滑动装置(11)的机械臂伺服电机(15)通过圆形连接件(22)进行连接；所述滑动装置(11)的永磁铁(19)端部平面中间通过螺栓(21)进行固定
12、所述滑轨丝杆(2)端部还设置滑动软垫(5)和滑动止停圈(6)，滑动软垫(5)对基座连接件(4)起到缓冲作用，滑动止停圈(6)对基座连接件(4)起到止停作用；所述滑轨丝杆(2)端部的基座伺服电机(9)通过连接杆件(7)固定，连接杆件(7)与基座伺服电机(9)中间设置控制板(8)。
13、优选的，所述滑动装置(11)的滑动伺服电机(14)支持14bit-16bit的指令分辨率和5mbps-7mbps的串行通信速率，滑动伺服电机准确快速的接收控制命令，控制小齿轮(13)在齿圈上(10)进行滑动，实现快速定位。
14、优选的，所述滑动装置(11)的机械臂伺服电机(15)第一机械臂(16)中内置第一编码器，所述第一编码器具备12bit-14bit的高分辨率，实现对第一机械臂(16)的控制精度达到小于1°的精确度；所述第一机械臂(16)通过内置编码器对第二机械臂(17)进行控制，所述第二编码器具备14bit-16bit的高分辨率，实现对第二机械臂(17)的控制精度达到小于0.5°的精确度；所述第二机械臂(17)通过内置第三编码器对第三机械臂(18)进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁控胶囊体引导机械臂系统，其特征在于，包括机械臂操作模块、胶囊体模块、图像传输模块、滑轨运行模块和操作端；
2.根据权利要求1所述的一种磁控胶囊体引导机械臂系统，其特征在于，所述机械臂操作模块包括位置传感器和角度传感器；所述位置传感器和角度传感器均安装在第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)的关节处，通过位置传感器进行反馈机械臂操作模块的动作位置，将动作位置传输至操作端，进行控制；所述角度传感器通过角度测量反馈第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)的角度大小，同时通过角度传感器进行反馈第三机械臂(18)的永磁铁(19)的角度大小，将角度大小传输至操作端，实现精准控制。
3.根据权利要求2所述的一种磁控胶囊体引导机械臂系统，其特征在于，所述机械臂操作模块得到位置传感器和角度传感器采集的数据通过PID控制器进行处理，所述PID控制器接受指令后，通过胶囊体的摄像头捕捉到的图像和位置传感器和角度传感器的数据，获取胶囊体的的实际位置和姿态信息，将实际位置与目标位置对比，计算出当前位置误差，通过误差计算出控制量，通过控制
4.一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，包括机架(1)和弧形结构(21)；所述机架(1)顶部两侧设置滑轨(3)，所述滑轨(3)通过滑轨卡扣(25)进行左右滑动；所述基座连接件(4)与升降机(26)连接，通过升降机(26)控制弧形结构(21)上下移动；所述基座连接件(4)中间开设螺纹孔，螺纹孔内设置滑轨丝杆(2)；所述滑轨丝杆(2)端部连接基座伺服电机(9)实现弧形结构(21)的左右滑动；
5.根据权利要求4所述的一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，所述滑动装置(11)的滑动伺服电机(14)支持14bit-16bit的指令分辨率和5Mbps-7Mbps的串行通信速率，滑动伺服电机准确快速的接收控制命令，控制小齿轮(13)在齿圈上(10)进行滑动，实现快速定位。
6.根据权利要求4或5所述的一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，所述滑动装置(11)的机械臂伺服电机(15)第一机械臂(16)中内置第一编码器，所述第一编码器具备12bit-14bit的高分辨率，实现对第一机械臂(16)的控制精度达到小于1°的精确度；所述第一机械臂(16)通过内置编码器对第二机械臂(17)进行控制，所述第二编码器具备14bit-16bit的高分辨率，实现对第二机械臂(17)的控制精度达到小于0.5°的精确度；所述第二机械臂(17)通过内置第三编码器对第三机械臂(18)进行控制，所述第三编码器具备18bit-20bit的高分辨率，实现对第三机械臂(18)的控制精度达到小于0.1°的精确度，所述第一机械臂(16)、第二机械臂(17)和第三机械臂(18)通过之间连接的关节控制。
7.根据权利要求6所述的一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，所述滑动装置(11)的第一机械臂(16)、第二机械臂(17)和第三机械臂(18)内部安装微型散热器，通过微型散热器将第一机械臂(16)、第二机械臂(17)和第三机械臂(18)因多角度转动的热量通过第一机械臂(16)、第二机械臂(17)和第三机械臂(18)内部的散热通道进行排出，实现快速散热。
8.一种磁控胶囊体引导机械臂操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种磁控胶囊外部体机械臂操作方法，其特征在于，所述S2中的粒子群优化算法包括以下内容：初始化粒子群，每个粒子代表一组可能的机械臂关节角度组合，即第一机械臂(16)、第二机械臂(17)和第三机械臂(18)的角度(θ1、θ2、θ3)，每个粒子的位置在允许的角度范围内随机生成，速度初始化为零，粒子位置进行更新，公式为：其中，为第i个粒子在第j维度上的当前位置，为第i个粒子在第j维度上更新的速度，为更新后的位置；所述的更新速度公式为：其中w是惯性权重；c1和c2分别是认知因子和社会学习因子；r1是单粒子系数，r2是所有粒子系数；pbesti,j是第i个粒子的历史最佳位置gbestj是所有粒子在第j维度上的全局最佳位置；
10.根据权利要求8所述的一种磁控胶囊体引导机械臂操作方法，其特征在于，所述S4中的胶囊体是否按预期路径移动的过程中，构建机械臂预测机制进行实时调整机械臂的运动，所述机械臂预测机制通过建立一个包含机械臂动力学特性和胶囊体运动特性的预测模型，能够在每个时间步长内预测未来一段时间内的系统状态；所述机械臂预测机制根据当前的状态和控制输入，利用机械臂预测机制计算未来多个时间步长内的胶囊...
【技术特征摘要】
1.一种磁控胶囊体引导机械臂系统，其特征在于，包括机械臂操作模块、胶囊体模块、图像传输模块、滑轨运行模块和操作端；
2.根据权利要求1所述的一种磁控胶囊体引导机械臂系统，其特征在于，所述机械臂操作模块包括位置传感器和角度传感器；所述位置传感器和角度传感器均安装在第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)的关节处，通过位置传感器进行反馈机械臂操作模块的动作位置，将动作位置传输至操作端，进行控制；所述角度传感器通过角度测量反馈第一机械臂(16)、第二机械臂(17)、第三机械臂(18)的角度大小，同时通过角度传感器进行反馈第三机械臂(18)的永磁铁(19)的角度大小，将角度大小传输至操作端，实现精准控制。
3.根据权利要求2所述的一种磁控胶囊体引导机械臂系统，其特征在于，所述机械臂操作模块得到位置传感器和角度传感器采集的数据通过pid控制器进行处理，所述pid控制器接受指令后，通过胶囊体的摄像头捕捉到的图像和位置传感器和角度传感器的数据，获取胶囊体的的实际位置和姿态信息，将实际位置与目标位置对比，计算出当前位置误差，通过误差计算出控制量，通过控制量进行输出控制信号到达机械臂伺服电机(14)进行调整，改变胶囊体的姿态和位置。
4.一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，包括机架(1)和弧形结构(21)；所述机架(1)顶部两侧设置滑轨(3)，所述滑轨(3)通过滑轨卡扣(25)进行左右滑动；所述基座连接件(4)与升降机(26)连接，通过升降机(26)控制弧形结构(21)上下移动；所述基座连接件(4)中间开设螺纹孔，螺纹孔内设置滑轨丝杆(2)；所述滑轨丝杆(2)端部连接基座伺服电机(9)实现弧形结构(21)的左右滑动；
5.根据权利要求4所述的一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，所述滑动装置(11)的滑动伺服电机(14)支持14bit-16bit的指令分辨率和5mbps-7mbps的串行通信速率，滑动伺服电机准确快速的接收控制命令，控制小齿轮(13)在齿圈上(10)进行滑动，实现快速定位。
6.根据权利要求4或5所述的一种磁控胶囊体引导机械臂装置，其特征在于，所述滑动装置(11)的机械臂伺服电机(15)第一机械臂(16)中内置第一编码器，所述第一编码器具备12bit-14bit的高分辨率，实现对第一机械臂(16)的控制精度达到小于1°的精确度；所述第一机械臂(16)通过内置编码器对第二机械臂(17)进行控制，所述第二编码器具备14bit-16bit的高分辨率，实现对第二机械臂(17)的...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵鱼帆，张沛森，张赫，陈文才，王凯，田少凯，翁莉茗，曹璐，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：
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