无线胶囊内窥镜由于具有风险低,创伤小、方便快捷的优点已经得到广泛应用。随着无线内窥镜的发展,具有主动运动控制功能的胶囊机器人已成为临床医疗检查的发展趋势。目前已投入使用的无线胶囊内镜通常仅适用于对小肠病变的检查,对于能够在胃与结肠等宽裕环境内主动运动的胶囊机器人的研究仍然是个难点。本课题组研制的双半球形胶囊机器人采用三轴亥姆霍兹线圈作为驱动源,实现了旋转磁场强度与方向的任意调节,解决了姿态调整和位置移动无法分离控制的难题,在胃与结肠等宽裕环境内的适用性增强。然而,胶囊机器人主动滚动运动的动力学系统更加复杂,机器人的稳定控制难度增大。为保证机器人能够根据需要实时调整速度,实现宽裕环境内稳定精确的位置与运动控制,同时探究旋转磁场强度、旋转速度等参数对胶囊稳定性的影响,本文对该胶囊机器人主动滚动运动的动力学性能及稳定性进行了研究。首先,本文针对外部旋转磁场驱动的胶囊机器人的运动原理进行了研究。采用动量矩定理对磁驱动动力学的动态特性进行了分析,明确胶囊机器人的自转角与转差角之间的变化规律。针对机器人主动滚动的运动特性,建立其运动学方程;对机器人受到的磁力矩以及摩擦力矩进行分析,并利用拉格朗日动力学建模方法结合坐标系之间的旋转变换建立了机器人滚动动力学模型,为机器人的运动分析提供了理论基础。然后,针对胶囊机器人主动滚动运动的高阶非线性微分方程形式的动力学模型进行降阶及线性化处理,在非线性系统的平衡点邻域内对其进行线性化以代替原系统,利用区间状态转移矩阵逼近算法求得近似系统数值解,对其动态特性进行分析。采用将状态转移矩阵的特征值作为特征指数的方法判断了系统的稳定性,并分析了各磁场参数对系统动态稳定性的影响,确定了能够实现稳定滚动的最优和临界控制参数,为机器人控制策略提供理论依据。最后,研制了基于激光测量原理的主动滚动运动的姿态角测量装置,根据轴线轨迹与基准线的最大偏移量来计算机器人姿态偏移角度,通过试验验证了磁场参数对机器人稳定性的影响,验证了理论分析得到的控制参数条件的正确性以及可行性。