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。

胶囊式微型机器人驱动转矩的研究

提出一种外旋转磁场驱动的具有径向间隙自补偿功能的胶囊式微型机器人模型.对机器人的驱动转矩特性进行了研究,建立了磁驱动转矩数学模型.根据机器人在流体中的阻力矩特性,研究了磁驱动转矩克服流体阻力矩引起的机器人丢步转速现象,分析了丢步转速与螺旋结构参数的关系.游动试验表明,机器人磁驱动系统没有发生丢步现象,通过径向间隙调整,可以实现胶囊机器人推力与阻力矩的控制.

胶囊式微型机器人的启动特性

提出一种采用非接触式旋转磁场驱动的具有径向间隙补偿功能的胶囊式微型机器人结构模型,分析了微型机器人在流体中的运动学特性,根据轴向推进力随间隙的增大而显著减小的现象,研究了机器人的启动特性,理论分析和实验表明,通过机器人径向间隙自补偿特性,可以减小动压油膜的厚度,实现推力与运动的控制,并能显著提高微型机器人的行走性能。

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。

用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验

为了解决微型胃肠道胶囊机器人或其他可植入医疗设备无法使用电源线供电以及无线能量发射系统性能差的问题,本文提出了一种新的U型发射线圈无线能量传输系统。与传统的螺线管对式的发射线圈相比,通过结构的改进,首次将磁芯加入到了发射线圈中。该系统可以极大地改善传输过程中传输效率低,机器人接收功率低的问题。本文建立了所提出的U型发射线圈无线能量传输系统的理论模型,并通过有限元模拟对其进行了分析。搭建了U型发射线圈无线能量传输系统平台对其能量传输效率和接收线圈的接收功率进行了测试,以验证所提出设计的有效性。实验结果表明,所提出的U型无线能量传输系统的传输效率最高达到14.13%,接收功率最高为3 780.75 mW,能够满足机器人工作的功率要求。

医用微型胶囊机器人双变量磁力矩控制研究

为方便控制医用微型胶囊机器人的运动姿态,实现控制变量的降维与解耦,提出一种胶囊机器人的双变量磁力矩解耦控制方法。根据磁耦合力矩基本公式,推导了双变量转弯磁力矩,并通过解耦坐标变换减少了控制变量。对空间磁力矩的仿真分析结果表明:俯仰角和侧摆角都与微型胶囊机器人的运动方向有关,俯仰角和侧摆角越接近0°,微型胶囊机器人的运动状态越稳定。当俯仰角和侧摆角等于0°时,微型胶囊机器人将沿自身轴线旋转并进行直线运动,当俯仰角和侧摆角同时等于0°时,平均总磁力矩达到最小值。双变量磁力矩控制显著提升了磁场控制的便捷性和灵活性,为Helmholtz线圈旋转磁场的人机交互控制奠定了基础。