新型肠道胶囊式微型机器人的运动特性

提出一种胶囊微机器人的外旋转磁场驱动方法,原理是以径向磁化瓦状多磁极构成的圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器,以胶囊微机器人内嵌同磁极结构NdFeB永磁体为内驱动器,通过外驱动器旋转产生旋转磁场的磁机耦合作用,形成内嵌驱动器对胶囊微机器人的驱动力矩,在胶囊表面螺旋与流体形成的动压力作用下,实现胶囊微机器人在肠道内旋进。首先介绍胶囊微机器人系统的结构,然后根据雷诺和Navier-Stokes方程建立管道环境内胶囊微机器人的运动数学模型,对其螺旋参数与速度的关系进行理论与试验研究,并发现了临界间隙现象。试验表明,该胶囊微机器人具有驱动力矩大、适合大粘度液体封闭管道内行走等特点,在人体肠道和血管内具有很好的应用前景。     

三轴正交亥姆霍兹线圈的磁场均匀性分析

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。     

肠道胶囊式微机器人轴向磁拉力特性

提出一种以径向磁化的瓦状多磁极组成的圆筒式永磁体为外驱动器，以嵌入机器人本体内与外驱动器同磁极结构的永磁体为内驱动器的非接触式驱动控制方案。通过外驱动器的旋转产生旋转磁场，借助于磁机耦合作用，驱动机器人旋转并在其外螺纹表面形成的流体动压力作用下产生轴向推力，进而实现胶囊式机器人在肠道内旋进。基于等效磁荷理论，采用磁荷积分法建立了驱动器的轴向磁拉力模型，对驱动器磁极结构参数与磁拉力的关系特性以及磁拉力与机器人游动关系特性进行了理论与试验研究。     

利用硅微传感器实现智能内窥镜的主动避障

内窥镜主动避障系统是利用微型接触传感器、电动机械卡爪和伺服控制系统等构成的一个实验系统,尝试用机器人技术改造传统内窥镜,使其在介入人体肠道时,端部能对人体肠道壁面主动回避,减少穿孔发生的可能性。就基于硅微触觉传感器的内窥镜主动避障子系统的主要关键技术进行了详细分析和描述,最后给出了部分技术指标及试验数据。     

外磁场驱动无缆微型机器人行走特性的分析

研制了以超磁致伸缩合金为驱动器的微型管道机器人,提出了一种以管外磁场无缆方式驱动控制微型管道机器人行走的方法,使其可靠性和实用性都得到提高。控制原理是通过管外时变振荡磁场频率的改变,媒介于微机器人磁致伸缩微驱动器的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人弹性腿的振动机械能,从而实现机器人的行走。介绍了系统组成及工作原理,然后对行走动态特性进行了深入研究,得出了基于振动原理的微机器人移动速度和牵引力的方程式。试验表明机器人系统切实可行,能实现微型机器人的外磁场无缆驱动控制。     

基于磁定位的消化道遥控药物释放胶囊的研究

对药物释放胶囊内部结构进行设计,用电磁线圈和永磁体之间斥力作为驱动来实现药物的挤压释放.以胶囊内的干簧管作为磁继电器,由体外通电线圈的磁场对药物释放动作进行遥控触发.在分析永磁体空间磁场分布规律的基础上,讨论药物释放胶囊的磁定位技术,并进行了相关信号处理电路的设计.     

间歇工作图像胶囊内窥镜的设计与实验

针对图像胶囊内窥镜受到能量限制而工作时间较短的问题,基于图像胶囊在人体肠道蠕动的速度设计了一种间歇工作模式的微型化、低功耗图像胶囊内窥镜。采用霍尔开关代替干簧管作为电源总开关,进一步降低了图像胶囊的体积。通过对电池电源模块、模拟开关电路和软件进行设计研究,实现了无线发射和照明电路的间歇供电和图像传感器的间歇休眠。动物实验验证了整个系统的工作时间和可行性。结果表明,整个系统的尺寸仅为Φ12mm×25mm,1s间隔工作模式下系统的工作时间超过9h。     

应用磁传感器阵列定位跟踪消化道诊疗胶囊

为实现对消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与跟踪,建立了一种基于三轴磁传感器阵列的磁目标实时定位跟踪系统.该系统使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁传感器阵列检测固定在电子胶囊中的永磁体产生的磁场,通过控制电路和USB接口适配器,将检测出的磁场信号传入计算机,使用非线性最优化方法由磁场信号解出电子胶囊的位置和姿态信息,最后由定位软件实时显示定位结果并保存数据.实验结果表明,该系统对于距离传感器阵列平面150 mm的电子胶囊,平均定位精度＜7 mm,平均定向精度＜6°;同时,该系统能够对距离传感器阵列平面60～220 mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现实时跟踪;并且该系统对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感,基本上能够满足消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与连续跟踪的要求.     

超磁致伸缩泵驱动磁路建模及数值分析

提出了一种面向固液混合作动器的新型超磁致伸缩泵结构。对超磁致伸缩泵驱动磁路进行了数学建模,采用有限元法对其磁场分布进行了数值模拟,并与理论计算结果进行对比,发现超磁致伸缩棒上磁感应强度的理论计算值与仿真结果基本吻合。采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩棒的轴向磁场与径向磁场均匀性,发现径向磁场均匀性明显高于轴向;针对不同长度的棒进行了轴向磁场均匀性分析,揭示了其影响与作用规律;在此基础上对驱动磁场进行了动态数值模拟,发现在输入电压恒定时超磁致伸缩棒内的磁感应强度随着输入信号频率的提高而衰减,实验与仿真结果的对比验证了仿真的正确性。     

基于单片机的大间隙磁力驱动系统控制电路设计及仿真

基于非接触磁齿轮驱动研究,提出一种主动磁极静止式大间隙磁力驱动方式.针对这种新型的磁力驱动方式,设计了基于SCM(单片机)的斩波恒流功率放大磁场驱动系统控制电路,并进行了电路输出模拟仿真,实现了主动磁极静止式磁力驱动,有效地减小了感性线圈对电流的阻碍作用,实现了驱动电路的恒流输出,提高了系统高频响应能力,使驱动系统在大间隙、高转速情况下也具较强的驱动能力,同时具有良好的正反转和调速性能.     

Ingestible wireless capsules for enhanced diagnostic inspection of gastrointestinal tract

Wireless capsule endoscopy has become a common procedure for diagnostic inspection of gastrointestinal tract. This method offers a less-invasive alternative to traditional endoscopy by eliminating uncomfortable procedures of the traditional endoscopy. Moreover, it provides the opportunity for exploring inaccessible areas of the small intestine. Current capsule endoscopes, however, move by peristalsis and are not capable of detailed and on-demand inspection of desired locations. Here, we propose and develop two wireless endoscopes with maneuverable vision systems to enhance diagnosis of gastrointestinal disorders. The vision systems in these capsules are equipped with mechanical actuators to adjust the position of the camera. This may help to cover larger areas of the digestive tract and investigate desired locations. The preliminary experimental results showed that the developed platform could successfully communicate with the external control unit via human body and adjust the position of camera to limited degrees.     

Position and orientation detection of capsule endoscopes in spiral motion

In this paper, a position and orientation detection method for the capsule endoscopes devised to move through the human digestive organs in spiral motion, is introduced. The capsule is equipped with internal magnets and flexible threads on their outer shell. It is forced to rotate by an external rotating magnetic field that produces a spiral motion. As the external magnetic field is generated by rotating a permanent magnet, the 3-axes Cartesian coordinate position and 3-axes orientation of the capsule endoscopes can be measured by using only 3 hall-effect sensors orthogonally installed inside the capsule. However, in this study, an additional hall-effect sensor is employed along the rotating axis at a symmetrical position inside the capsule body to enhance measurement accuracy. In this way, the largest position detection error appearing along the rotating axis of the permanent magnet could be reduced to less than 15mm, when the relative position of the capsule endoscope to the permanent magnet is changed from 0mm to 50mm in the X-direction, from −50mm to +50mm in the Y-direction and from 200mm to 300mm in the Z-direction. The maximum error of the orientation detection appearing in the pitching direction ranged between −4° and +15°.     

胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

提出了用三维接收线圈组成接收电路,解决由于无线胶囊内窥镜在人体消化道内姿态不确定所带来的接收能量不稳定问题.分析了由三维接收线圈组成的不同接收电路的接收效果,得出了对每一维线圈单独全桥整流后再并联输出的电路结构是最适合于为胶囊内窥镜供能的电路.计算了该接收电路的输出范围,并通过试验对其进行了验证.结果表明:当发射功率为 25 W时,胶囊内窥镜可在姿态任意变化的情况下获得320 mW以上可用能量,满足其高清晰度、高帧率功能对能量的需求.     

A paddling based locomotive mechanism for capsule endoscopes

Diagnosis and treatment using the conventional flexible endoscope in gastro-intestinal tract are very common since advanced and instrumented endoscopes allow diagnosis and treatment by introducing the human body through natural orifices. However, the operation of endoscope is very labor intensive work and gives patients some pains. As an alternative, therefore, the capsule endoscope is developed for the diagnosis of digestive organs. Although the capsule endoscope has conveniences for diagnosis, it is passively moved by the peristaltic waves of gastro-intestinal tract and thus has some limitations for doctor to get the image of the organ and to diagnose more thoroughly. As a solution of these problems, various locomotive mechanisms for capsule endoscopes are introduced. In our proposed mechanism, the capsule-type microrobot has synchronized multiple legs that are actuated by a linear actuator and two mobile cylinders inside of the capsule. For the feasibility test of the proposed microrobot, a series of in-vitro experiments using small intestine without incision were carried out. From the experimental results, our proposed microrobot can advance along the 3D curved and sloped path with the velocity of about 3.29–6.26 mm/sec and 35.1–66.7% of theoretical velocity. Finally, the proposed locomotive mechanism can be not only applicable to micro capsule endoscopes but also effective to advance inside of gastro-intestinal tract.     

基于MEMS技术的胃肠道无线内窥镜的研究

胃肠道无线内窥镜主要用于胃肠道疾病的诊断。其核心部分为一可吞服的胃肠道摄像无线发射的药丸,可将摄取到的胃肠道图像通过调制以无线方式发送出体外,然后经过信号解调,还原出视频信号,由计算机进行图像采集和处理。研究的关键在于摄像药丸的微型化和无线传输图像的稳定性。利用MEMS技术可以大大缩小摄像电路和发射电路的尺寸,从而大大缩小摄像药丸的体积。     

胶囊机器人磁驱动力建模与测量

可吞式无线磁驱胶囊机器人在胃肠道内的诊疗效果与机器人受到的外部磁驱动力密切相关。本文建立了外部磁驱动力的理论模型,基于等效磁荷模型推导了两径向充磁环形永磁体相互作用的数学表达式,采用自适应递归式计算方法开展了数值计算。此外,发展了环形永磁体间磁力实时测量方法,并开发了磁力-间距同步测量仪器开展实验研究,且建立了3D环形永磁体有限元仿真模型。实验测量磁力-间距关系曲线与理论计算和有限元仿真结果吻合较好,误差小于4%,验证了理论模型和有限元仿真模型的准确性和可靠性。通过参数分析,揭示了胶囊机器人内置永磁体长度、厚度和体积对磁力的影响规律。研究结果为精准驱动胶囊机器人在胃肠道内运动奠定了理论基础。     

变转速电液推进机构

电液推进机构用于大型构件的移位装船作业,由夹紧模块夹持钢轨以提供反力支撑,通过推进液压缸完成构件的移位。电液推进机构采用变转速泵控方式,微控制器发出脉宽调制控制信号,作为变频器的输入指令信号,改变定量液压泵驱动电机的转速,以调节定量液压泵的输出流量,进而控制构件的移位速度。工程应用表明变转速电液推进机构具有效率高、响应快等特点,能够满足构件移位的作业需求。     

人体胶囊式无线内窥微机电系统的设计与工作寿命研究

在设计人体胶囊式无线内窥微机电系统过程中,通过理论分析和实验测试,研究了影响系统工作寿命的图像传感器选用、无线发射电路配置、控制方式选择,以及电源系统的设计问题.选用了CMOS图像传感器,精确合理地配置了无线发射功率,设计了灵活省电的永磁场控制方式,选择了锂锰钮扣电池和其电池组构成电源系统,研制出了微体积、易于控制、有较好图像质量、较长工作寿命的人体胶囊式无线内窥微机电系统,给出的由该系统在实验室条件下和动物实验中采集的图像及测试参数表明设计方案是可行的.     

基于磁传感器阵列的消化道微型诊疗装置定位跟踪方法

实时定位与跟踪是消化道微型诊疗装置实际应用中必须解决的关键问题。提出了一种基于三轴磁感传感器阵列的实时定位跟踪方法,使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁感传感器阵列检测永磁体的空间磁场,通过控制电路和USB接口适配器将检测出的信号传入计算机,最后由定位程序使用非线性最优化方法由磁场信号解出永磁体的位置和姿态信息。设计了磁定位系统,建立了三维实验平台,并开展了定位,模拟肠道轨迹跟踪和介质材料影响等实验。实验结果表明该系统能够对内置小型永磁体的电子胶囊的位置和姿态进行非接触测量,对于距离传感器阵列平面150mm的电子胶囊,平均定位精度小于7mm,平均定向精度小于6度,该系统能够对在距离传感器阵列平面80mm至250mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现轨迹跟踪,并且定位精度对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感。该系统基本能够满足消化道微型诊疗装置在体内的实时定位与连续跟踪的要求。     

体内微机电系统的三维无线能量传输装置的设计和实验

设计了基于电磁感应原理的体内无线能量传输系统,为体内内窥镜胶囊提供能量。首先,通过建立数学模型对三维无线能量接收线圈正交绕组的接收性能进行仿真,获得不同姿态下系统的耦合系数。结果表明:三维正交线圈在不同姿态下能有效地进行互补。然后,根据体内内窥镜胶囊尺寸要求,设计制造了微型接收绕组和整流稳压电路,并用此系统给自制的图像采集系统供能,且对实际传输的电压和电流进行测量。实验结果表明:该三维接收系统的能量传输效率和稳定性能够满足实际需要。