与传统柔性拖缆内窥镜相比,无线胶囊内窥镜检查安全、舒适、无创伤,在胃肠道疾病的诊断方面优势明显。然而,现有胶囊内窥镜缺乏主动行走和姿态控制功能,仅能依靠胃肠道蠕动或重力被动运动,其诊断效果在小肠内较好,但在胃、结肠等三维宽裕环境则存在漏检率较高的问题。此外,被动式胶囊也无法实现未来的药物输送、活检和微创手术等扩展功能。因此,通过姿态的主动控制将胶囊内窥镜的诊疗范围扩展到胃、结肠等三维宽裕环境已成当务之急。为此,本文开展了新型磁控主动胶囊的结构设计、动力学建模、姿态动力学特性分析以及非线性动力学特性研究,具体研究内容如下:为实现胶囊的主动运动与姿态控制,提出一种由空间万向均匀旋转磁场驱动的双自旋球形胶囊机器人,并提出了空间万向均匀旋转磁场的正交变换控制方法。该主动胶囊的结构特点是旋转的上半球和消旋的下半球构成了一个双自旋体,并具备良好的定向能力和调姿能力。双自旋胶囊以内嵌径向磁化永磁体和空间万向均匀旋转磁场的耦合磁力矩为媒介,通过控制旋转磁场方位可实现胶囊姿态与位置的有效控制,并能解决胶囊定点调姿和滚动行走相互分离和转换的难题。为实现空间万向均匀旋转磁场方位控制变量的降维解耦与胶囊姿态的灵活控制,依据正交变换原理推得以侧摆角和俯仰角为独立控制变量的三相电流叠加公式,实现了旋转磁场方位沿侧摆和俯仰方向的独立调整。为实现双自旋胶囊在弯曲肠道内的转弯驱动,建立了肠道暗区质心像素坐标和肠道弯曲方向的对应关系,并提出了基于胶囊单目视觉的转弯驱动策略。通过旋转磁场方位的引导与控制,双自旋胶囊可实现被动模态的定点调姿功能、主动模态的滚动行走功能,以及弯曲肠道内的转弯滚动功能,从而为胃、结肠等三维宽裕环境的遍历检查提供了一个全新可靠的诊疗平台。为实现双自旋球形胶囊机器人的精准磁控,对双自旋胶囊的姿态稳定性和进动性展开了研究。分析了双自旋胶囊的耦合磁力矩、粘弹性摩擦力矩以及重力矩等外部力矩模型,基于欧拉动力学建立了描述双自旋胶囊电-磁-力-液耦合行为的姿态动力学方程,分析得到了双自旋胶囊定点调姿时的三种运动形式,即渐进稳定运动、周期运动和混沌运动。基于Floquet理论分别对双自旋胶囊的平衡点稳定性和周期运动稳定性进行了研究,运用区间状态转移矩阵算法得到了系统的平衡点稳定域,运用Hsu方法得到了系统的周期运动稳定域。此外,还研究了双自旋胶囊定点调姿时的进动动力学特性,依次分析了重心偏移量、粘弹性阻尼系数、磁场转速和磁感应强度等参数对系统进动特性的影响。以系统平均方位误差和系统进动幅值为优化目标,采用遗传算法进行多目标优化,求得了双自旋胶囊的一组优化控制参数。为探究控制参数大范围变化时系统的全局非线性动力学响应规律,运用增量谐波平衡法和龙格库塔法对双自旋胶囊的分岔混沌动力学特性进行了研究。求得了双自旋胶囊姿态动力学方程半解析形式的周期解,并运用Floquet理论分析了周期解的稳定性。分别以磁感应强度和磁场转速为分岔控制参数,以分岔图、时域图、相图、Poincare映射图和Lyapunov指数图为分析手段研究系统的全局非线性动力学响应,并最终得到了磁感应强度和磁场转速大范围变化时,系统全局拓扑结构的变化规律以及系统产生混沌的机制。搭建了空间万向旋转磁场系统实验平台,对双自旋球形胶囊机器人的综合性能进行了实验验证。理论和实验研究表明,双自旋胶囊能可靠的实现被动模态定点调姿功能、主动模态滚动行走功能,以及主、被动模态的相互转换功能,并具有较好的姿态稳定性和较强的抗干扰能力。双自旋胶囊定点调姿时,增大粘弹性阻尼系数并减小重心偏移量,有利于减小胶囊极轴与目标方位的偏差,从而提高系统控制精度;增大磁场转速并减小磁感应强度,有利于提高系统稳定性并减小胶囊极轴的抖振程度。