体内微型机器人的全方位旋进驱动特性

文章编号:100220446(2006)0620560205

体内微型机器人的全方位旋进驱动特性3

张永顺,张凯,张林燕

(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连　116024)

摘　要:提出了一种由外旋转磁场驱动的体内微机器人.它以相邻径向异向磁化瓦状多磁极圆筒形NdFe B永磁体为外驱动器,以机器人内嵌同结构的NdFe B永磁体为内驱动器,外驱动器旋转时产生旋转磁场,通过磁机耦合作用于内嵌驱动器形成机器人驱动力矩,在本体外表面螺纹与流体动压力的作用下,实现机器人在管道内的在线旋进.在建立微机器人游动模型的基础上,以垂直管道为试验环境,研究了机器人的全方位驱动特性,试验结果表明机器人可以实现管道内全方位驱动.

关键词:体内微型机器人;旋转磁场;游动特性;全方位驱动

中图分类号:　TP24 文献标识码:　B

Sp i ra l D r i ve Character isti cs of a M i cro Robot I n si de Human Body

Z HANG Yong2shun,Z HANG Kai,ZHANG L in2yan

(Key L aboratory for Precision&N on2traditional M achining of M inistry of Education,D alian U niversity of Technology,D alian116024,China)

　Abstract:A ne w m icr o r obot inside hu man body driven by exteri or r otating magnetic field is p r oposed.It takes a cylindri2 cal NdFe B multi pole per manentmagnet composed of several neighboring tegular magnetsmagnetized anis otr op ically al ong ra2 dial directi on as exteri or actuat or,and a magnet with the same structure e mbedded inside the r obot body as the inner actua2 t or.The r obot scre ws for ward inside p i pe under the acti on bet w een s p iral rib on the exteri or surface of r obot body and fluid dyna m ic p ressure when r obot r otates by magnetic t orque,which is generated by magnet o2mechanical coup ling fr om r otating exteri or actuat or t o inner one.Based on a ne wly devel oped s wi m m ing mathe matical model,its characteristics of omni2direc2 ti onal drive is studied in the envir on ment of erect p i pe.Experi m ental results show that the r obot can realize omni2directi onal drive.

　Keywords:m icr o r obot inside hu man body;r otating magnetic field;s wi m m ing characteristics;omni2directi onal drive

1　引言(I n troducti on)

ME MS技术的发展,使微机器人进入体内执行无创或微创介入医疗作业成为可能.为了安全、可靠地进行肠道内的检查及手术作业,减少病人的痛苦,人们已经研究出微型肠道胶囊内窥镜和胶囊电子药丸.胶囊内窥镜可以无线传输检查图像,电子药丸可以通过在肠道内脉冲放电来医治胃肠疾病.它们均随肠道蠕动来完成整个区域检查与作业,并随排泄物排出体外,其过程安全、可靠,但速度缓慢,效率低下,尤其是错过病变组织时,不能主动返程进行集中局部观察与治疗,使肠道内的一些医疗作业无法完成.

为了实现胶囊式机器人的体内作业,有必要对其实施安全有效的主动驱动控制和姿态调整,尤其要求机器人具有全方位驱动功能,这样才能实现机器人的可靠作业.

日本Ishiya ma等人利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场,通过加载电流控制磁场强度及方向,作用于胶囊内嵌磁体带动其旋转,在胶囊表面螺纹与液体的作用下实现旋进[1,2],通过调整外旋转磁场平面的方向对微机器人进行姿态控制[3,4].但通电线圈所产生的驱动力矩小,驱动不安全,尤其当驱动频率较高时,线圈的能量损耗较大,大大降低了机器人的效率.

　第28卷第6期　2006年11月机器人　ROBO T Vol.28,No.6

　Nov.,2006

3基金项目:国家自然科学基金资助项目(60275034);辽宁省自然科学基金资助项目(20021061,20032119).

收稿日期:2006-01-13

本文提出一种以径向磁化的N 、S 极相间排列的多磁极圆环NdFe B 永磁体为外驱动器,以嵌入胶囊内的同磁极结构NdFe B 永磁体为内驱动器,通过变频调速带动外驱动器转动产生旋转磁场,驱动机器人内嵌磁体旋转,实现体内旋进的驱动控制方法.由于该驱动器产生的旋转磁场强度高达015T,为线圈提供空间旋转磁场强度的100倍,显著提高了驱动力矩.

要提高在人体内的实用性与可靠性,机器人必须具备全方位驱动功能,如机器人在肠道内要能克服重力实现快速爬行等.本文在建立机器人螺旋参数与运动特性数学模型的基础上,着重研究了微机器人在垂直封闭管内的游动特性.行走试验表明机器人具有良好的垂直爬行的性能.

由于螺旋结构机器人适于在充满大粘度液体的封闭管内环境中游动,因此病人可饮入大粘度无毒透明液体,如糖浆等,使消化道具备机器人驱动的动力媒介与环境.机器人的大驱动力矩与全方位驱动特性使其极有可能作为胶囊内窥镜或施药装置的移动载体应用于人体肠道和血管内的医疗作业.

2　机器人结构与外驱动磁场(Robot struc 2

ture and its exter i or dr i v i n g magneti c f i eld)

图1为研制的螺旋式胶囊微机器人及旋转磁场驱动的示意图,通过变频调速来控制旋转磁场的转速,实现微机器人的旋进速度控制.反向驱动外驱动器,可实现微机器人反向运动.调整外驱动器的空间姿态可以实现微机器人在空间任意方向的运动

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图1　外旋转磁场驱动螺旋式微机器人的示意图

Fig .1　Illustrati on of a s p iral type m icr o r obot driven

by exteri or r otating magnetic field

外驱动器对机器人内嵌磁体产生的轴向驱动力

由两部分组成:

(1)当微机器人旋转时,其螺旋结构与管内粘性

液体产生动压膜,形成轴向驱动力;

(2)调整外驱动器偏离机器人的中心位置,外驱动器通过内驱动器对机器人产生轴向推力.二者与外旋转力矩形成“力旋”,在柔弹性组织内有理想的撑开推进效果.

图2为研制的几种不同螺旋参数的机器人模型,为了不损伤柔弹性组织,其外表面缠有由柔软无毒树脂材料制成的螺旋线

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图2　螺旋式微机器人样机

Fig .2　Pr ot otypes of several kinds of s p iral r obots

3　机器人水平运动特性方程的建立(Est ab 2

lishm en t of character isti c equa ti on s of hor i zon t a l robot sw i m m i n g)

为了分析螺旋表面的压力分布情况,建立如图3(a )所示的坐标系[5],机器人在管内旋转移动时,圆

周上某点的绝对运动为周向速度U 和轴向速度V a 的合成运动,在x 、y 方向的投影为:

W =U sin

θ-V a cos θ V =U cos θ+V a sin θ式中,θ为螺旋升角.

将螺旋表面按垂直于螺纹t 2t 的截面展开,螺旋结构参数如图3(a )、3(b )所示,其动压力分布如图3(c )所示.图中,h a 为螺旋槽的高度;c 为微机器人螺

旋顶端与管道内壁的径向间隙.

设β=

b

a ,γ=h a c

,由雷诺方程建立机器人螺旋外表面的压力特征方程,再根据Navier 2St okes 方程确定流体流动速度分布规律,最终根据表面剪力分布规律确定机器人轴向推力与机器人运动与螺旋几何参量的关系式,求得微机器人所受的液体轴向推进力为

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