CN113400317B - 磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构 - Google Patents

磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，包括：控制电箱、机器人底座、上下直线模组、第一旋转关节、第二旋转关节、俯仰横滚机构、前端直线移动副和磁体；机器人底座安装控制电箱和上下直线模组，上下直线模组一侧安装第一旋转关节一端，第一旋转关节通过上下直线模组相对机器人底座直线移动；第一旋转关节另一端连接第二旋转关节一端，第二旋转关节另一端安装俯仰横滚机构一端，俯仰横滚机构另一端安装磁体。本发明通过双平行四边形机构的设计，使得磁铁能够绕虚拟转动中心进行俯仰、横滚、及其平移，并在远心不动点处磁场的场强不变，从而实现控制磁场的场强大小和磁力线方向的解耦。

Description

磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构
技术领域
本发明涉及胶囊内镜导引机器人，具体地，涉及磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构。
背景技术
无痛胃镜作为一种新兴的肠胃检测技术，由于其具有无线传输图像的功能，使得其能大大的提高患者体检时的舒适感，无痛胶囊内镜在肠道内靠肠胃的蠕动推动，使得检测的针对性不强，近年来，发展了磁控导引的智能机器人设备，使得胶囊内镜的检测针对性更加强和精准，减少电池续航时间，从而缩小胃镜胶囊的尺寸，磁场作为一种可控的媒介，在空间衰减的很快，实际临床上，在胶囊内镜检测仪器中内置一个小型磁铁，导引设备上安装一个比较大的磁铁，国内外的学者研究发现，胶囊一般均停留在外加磁场的极强场存在的空间点，当改变外加磁场的梯度的时候，对胶囊产生可控的力，从而对其产生位置跃迁的力。
中国安翰光电技术(武汉)有限公司设计制造一种笛卡尔坐标式球形磁铁控制装置，并申请了专利(专利号201310136094.0)，该装置通过对操控的永磁铁进行控制，使得对胶囊内镜产生的磁力能平衡胶囊内镜的重力、胃液的粘滞力等，从而可以驱动胶囊内镜在体内进行移动和姿态控制，但是该设备庞大、繁琐及其操控不灵活，实际使用中，需要依赖医生对其进行熟练化的操控，学习曲线陡峭。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构。
根据本发明提供的一种磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，包括：控制电箱、机器人底座、上下直线模组、第一旋转关节、第二旋转关节、俯仰横滚机构和磁体；
所述机器人底座安装所述控制电箱和所述上下直线模组，所述上下直线模组一侧安装所述第一旋转关节一端，所述第一旋转关节通过所述上下直线模组相对所述机器人底座直线移动；
所述第一旋转关节另一端连接所述第二旋转关节一端，所述第二旋转关节另一端安装所述俯仰横滚机构一端，所述俯仰横滚机构另一端安装所述磁体。
优选地，所述俯仰横滚机构包括：横滚驱动电机、横滚减速机器座、俯仰驱动电机、俯仰减速机座、双平行四边形机构和前端直线移动副；
所述横滚驱动电机一端安装所述横滚减速机器座一侧，所述横滚减速机器座另一侧连接所述俯仰减速机座一端，所述俯仰减速机座连接所述横滚减速机器座处安装所述俯仰驱动电机；
所述俯仰减速机座另一端转动连接所述双平行四边形机构一端，所述双平行四边形机构另一端连接所述前端直线移动副，所述前端直线移动副安装所述磁体。
优选地，所述双平行四边形机构包括：俯仰摆臂、第一连杆、摆臂和第二连杆；
所述俯仰摆臂一端转动连接所述俯仰减速机座，所述俯仰摆臂另一端转动连接所述摆臂一端；
所述俯仰摆臂连接所述俯仰减速机座处同轴转动安装第一短杆，所述俯仰摆臂连接所述摆臂处同轴转动安装第二短杆；
所述第一短杆和所述第二短杆相对所述俯仰摆臂转动；
所述第一连杆一端转动连接所述第一短杆，所述第一连杆另一端转动安装在所述摆臂中部；
所述第二短杆转动连接所述第二连杆一端，所述第二连杆另一端和所述摆臂另一端连接所述前端直线移动副。
优选地，所述前端直线移动副包括：磁铁固定支架和磁铁控制直线模组；
所述磁铁控制直线模组侧面连接所述第二连杆和所述摆臂，所述磁铁控制直线模组端面安装所述磁铁固定支架；
所述磁铁固定支架通过所述磁铁控制直线模组相对所述双平行四边形机构直线移动；
所述磁铁固定支架安装所述磁体。
优选地，所述俯仰摆臂转动连接所述摆臂处安装伺服电机，所述伺服电机连接RV减速机；
所述俯仰摆臂转动连接俯仰减速机座处设置载荷分离机构。
优选地，所述载荷分离机构包括：张紧块、驱动同步带轮、减速机侧同步带轮、减速器座、轴承盖、轴承、十字交叉棍子轴承、动力输出轴、空心轴套、内圈压盖、谐波减速机、中空轴、轴承内隔圈、轴承外隔圈和压盖；
所述驱动同步带轮侧面安装所述张紧块，所述驱动同步带轮通过传送带传动连接所述减速机侧同步带轮，所述减速机侧同步带轮安装在所述减速器座中；
所述减速器座内安装所述谐波减速机，所述谐波减速机一侧连接所述减速机侧同步带轮，所述谐波减速机另一侧连接所述动力输出轴；
所述动力输出轴外侧同轴套装所述中空轴，所述中空轴一侧固定连接所述减速器座，所述中空轴另一侧安装所述内圈压盖，所述中空轴和所述动力输出轴之间设置所述轴承，所述轴承外侧安装所述轴承盖；
所述中空轴外侧同轴套装所述空心轴套，所述空心轴套和所述中空轴之间安装多个所述十字交叉棍子轴承，多个所述十字交叉棍子轴承之间设置所述轴承内隔圈和所诉轴承外隔圈，所述十字交叉棍子轴承端面安装所述压盖。
优选地，所述第一旋转关节和所述第二旋转关节设置所述载荷分离机构。
优选地，所述双平行四边形机构包括平行四边形ABCD和平行四边形BEFG，所述双平行四边形机构设置虚拟转动中心点O，所述虚拟转动中心点O为远心不动点，所述双平行四边形机构满足以下关系：
GH/GO＝sinθ；
所述磁体轴心线穿过所述虚拟转动中心点O。
优选地，所述磁体通过所述前端直线移动副实现沿所述磁体轴心线移动；
所述虚拟转动中心点O受所述磁体场强影响关系满足以下公式：
Figure BDA0003160504600000031
其中，Bz为沿着磁铁轴线上坐标为z处的磁场场强，z为所述磁体至所述虚拟转动中心点O的距离，μ0为真空磁导率，M为磁化强度，
Figure BDA0003160504600000032
H为永磁体高度取值，R为永磁体半径；
所述Bz的速率受所述前端直线移动副影响并满足以下公式：
Figure BDA0003160504600000033
其中，
Figure BDA0003160504600000041
为所述前端直线移动副驱动速率，
Figure BDA0003160504600000042
和
Figure BDA0003160504600000043
为本领域公知常数。
优选地，当所述摆臂旋转时，所述磁体绕所述虚拟转动中心点O旋转，当所述磁体俯仰时，所述虚拟转动中心点O处磁场大小不变并实现所述虚拟转动中心点O处磁场大小和磁力线方向解耦。
优选地，所述中空轴将弯矩传递至所述减速器座。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过双平行四边形机构的设计，使得磁铁能够绕虚拟转动中心进行俯仰、横滚、及其平移，并在远心不动点处磁场的场强不变，从而实现控制磁场的场强大小和磁力线方向的解耦；
2、本发明能改变磁铁与VCM中心点(磁铁旋转的虚拟中心点)的距离，从而控制虚拟中心点磁场的场强大小和场强梯度，通过对场强梯度的线性控制，对胶囊产生移动的力的作用，从而能移动胶囊至指定的位置进行检测和相应的精准医疗操作；
3、本发明设计有多个自由度，能主动的控制VCM的位置，可以方便的拖动胶囊至指定的摄像检查位置；
4、本发明每个关节均设计有载荷分离机构，使得机器人关节更加小巧和紧凑，能更好的满足医疗机器人工业设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为控制机构立体结构示意图；
图2为控制机构工作原理示意图；
图3为俯仰横滚机构结构示意图；
图4为载荷分离机构剖视图；
图中所示：
Figure BDA0003160504600000044
Figure BDA0003160504600000051
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，包括：控制电箱1、机器人底座2、上下直线模组3、第一旋转关节4、第二旋转关节5、俯仰横滚机构6和磁体7；机器人底座2安装控制电箱1和上下直线模组3，上下直线模组3一侧安装第一旋转关节4一端，第一旋转关节4通过上下直线模组3相对机器人底座2直线移动；第一旋转关节4另一端连接第二旋转关节5一端，第二旋转关节5另一端安装俯仰横滚机构6一端，俯仰横滚机构6另一端安装磁体7。
如图2所示，双平行四边形机构包括：俯仰摆臂12、第一连杆13、摆臂14和第二连杆15；俯仰摆臂12一端转动连接俯仰减速机座11，俯仰摆臂12另一端转动连接摆臂14一端，俯仰摆臂12连接俯仰减速机座11处同轴转动安装第一短杆，俯仰摆臂12连接摆臂14处同轴转动安装第二短杆，第一短杆和第二短杆相对俯仰摆臂12转动，第一连杆13一端转动连接第一短杆，第一连杆13另一端转动安装在摆臂14中部，第二短杆转动连接第二连杆15一端，第二连杆15另一端和摆臂14另一端连接前端直线移动副。前端直线移动副包括：磁铁固定支架16和磁铁控制直线模组17；磁铁控制直线模组17侧面连接第二连杆15和摆臂14，磁铁控制直线模组17端面安装磁铁固定支架16，磁铁固定支架16通过磁铁控制直线模组17相对双平行四边形机构直线移动，磁铁固定支架16安装磁体7。双平行四边形机构包括平行四边形ABCD和平行四边形BEFG，双平行四边形机构设置虚拟转动中心点O，虚拟转动中心点O为远心不动点，双平行四边形机构满足以下关系：
GH/GO＝sinθ；
磁体7轴心线穿过虚拟转动中心点O。
磁体7通过前端直线移动副实现沿磁体7轴心线移动，虚拟转动中心点O受磁体7场强影响关系满足以下公式：
Figure BDA0003160504600000061
其中，Bz为沿着磁铁轴线上坐标为z处的磁场场强，z为磁体7至虚拟转动中心点O的距离，μ0为真空磁导率，M为磁化强度，
Figure BDA0003160504600000062
H为永磁体高度取值，R为永磁体半径；
Bz的速率受前端直线移动副影响并满足以下公式：
Figure BDA0003160504600000063
其中，
Figure BDA0003160504600000064
为前端直线移动副驱动速率。
当摆臂14旋转时，磁体7绕虚拟转动中心点O旋转，当磁体7俯仰时，虚拟转动中心点O处磁场大小不变并实现虚拟转动中心点O处磁场大小和磁力线方向解耦。
如图3所示，俯仰横滚机构6包括：横滚驱动电机8、横滚减速机器座9、俯仰驱动电机10、俯仰减速机座11、双平行四边形机构和前端直线移动副；横滚驱动电机8一端安装横滚减速机器座9一侧，横滚减速机器座9另一侧连接俯仰减速机座11一端，俯仰减速机座11连接横滚减速机器座9处安装俯仰驱动电机10，俯仰减速机座11另一端转动连接双平行四边形机构一端，双平行四边形机构另一端连接前端直线移动副，前端直线移动副安装磁体7。
如图4所示，俯仰摆臂12转动连接摆臂14处安装伺服电机，伺服电机连接RV减速机，俯仰摆臂12转动连接俯仰减速机座11处设置载荷分离机构。载荷分离机构包括：张紧块18、驱动同步带轮19、减速机侧同步带轮20、减速器座21、轴承盖22、轴承23、十字交叉棍子轴承24、动力输出轴25、空心轴套26、内圈压盖27、谐波减速机28、中空轴29、轴承内隔圈30、轴承外隔圈31和压盖32，驱动同步带轮19侧面安装张紧块18，驱动同步带轮19通过传送带传动连接减速机侧同步带轮20，减速机侧同步带轮20安装在减速器座21中，减速器座21内安装谐波减速机28，谐波减速机28一侧连接减速机侧同步带轮20，谐波减速机28另一侧连接动力输出轴25，动力输出轴25外侧同轴套装中空轴29，中空轴29一侧固定连接减速器座21，中空轴29另一侧安装内圈压盖27，中空轴29和动力输出轴25之间设置轴承23，轴承23外侧安装轴承盖22，中空轴29外侧同轴套装空心轴套26，空心轴套26和中空轴29之间安装多个十字交叉棍子轴承24，多个十字交叉棍子轴承24之间设置轴承内隔圈30和所诉轴承外隔圈31，十字交叉棍子轴承24端面安装压盖32，第一旋转关节4和第二旋转关节5设置载荷分离机构。
实施例2
实施例2作为实施例的优选例。
本发明磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，其特征：机器人机构的前三个自由度为控制远心不动点的坐标，第四和第五自由度为控制磁铁俯仰和横滚自由度，第六个自由度为平移自由度，前三个自由度第一个自由度为上下直线模组3，通过伺服电机连接滚珠丝杆形成直线移动副，该机构能根据不同患者体态调整磁铁与患者的距离，第二个自由度为摆臂14处关节，该关节是通过伺服电机连接RV减速机，为了提高机器人关节的紧凑型，第三个关节采用载荷分离的机构，关节是通过伺服电机连接谐波减速机，控制俯仰摆臂12旋转，同时通过中空轴29将前端的弯矩转移到减速器座21。该一、二、三自由度为控制末端磁铁位置的自由度，第四自由度为横滚驱动电机8并控制前端磁铁的横滚自由度，该关节同样是采用载荷分离机构，第五自由度为俯仰摆臂12，控制末端磁铁绕VCM中心点进行俯仰的姿态控制机构，该关节是通过伺服电机与谐波减速机组合而成，并且通过双平行四边形机构，使得磁铁能绕VCM中心点进行姿态调整，从而在不改变虚拟转动中心点O的磁场大小的条件下，控制虚拟转动中心点O的磁力线方向，第六自由度为前端直线移动副，是通过伺服电机加同步带的方案，使得磁铁处形成一个线性移动控制，通过对该自由度的控制，从而能够改变磁铁与远心不动点的距离，从而能很好的改变远心不动点处磁场大小及其梯度，通过下式可以知道，在磁体7的轴线上，其磁场强度仅仅与该点到磁体7中心的距离有关，通过第六自由度，改变z值的速率，从而实现对Bz的线性控制，进而实现对可操控的胶囊内镜进行推动力的控制。
Figure BDA0003160504600000081
其中，Bz为沿着磁铁轴线上坐标为z处的磁场场强，z为磁体7至虚拟转动中心点O的距离，μ0为真空磁导率，M为磁化强度，
Figure BDA0003160504600000082
H为永磁体高度取值，R为永磁体半径；
鉴于磁铁7轴线上的磁场的场强大小仅仅是距离z的函数，所示，所以对第六自由度的速度控制就能控制Bz的速率，因为：
Figure BDA0003160504600000083
其中
Figure BDA0003160504600000084
为第六自由的驱动速率。
本发明磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，如图2所示，其特征：平行四边形ABCD与平行四边形BEFG组成的双平行四边形机构使得O点为其虚拟转动中心点，同时满足几何关系：GH/GO＝sinθ，实际制造的机器将根据工作空间的需求拟定好角度θ使得磁体7的轴线过虚拟转动中心点O，这样通过机构将空间极强点控制在机构的远心不动点，当伺服电机驱动摆臂14旋转时，磁体7绕空间不动点旋转，从而当控制磁体7进行俯仰时候，远心不动点的磁场大小不变，实现远心不动点处磁场的大小和磁力线方向解耦，也就是说，当控制远心不动点出的磁力线方向的时候，由于远心点距离与磁体7的中心距离保持不变，从而磁体7在远心不动点处的磁场的场强大小是不变的。
如图3所示，俯仰摆臂12、第一连杆13、摆臂14、第二连杆15及其前端直线移动副通过铰链连接形成双平行四边形远心机构，通过前端直线移动副控制磁体7与远心不动的距离，从而控制远心不动点处的磁场大小及其场强梯度，横滚驱动电机8通过载荷分离机构驱动控制磁体7横滚，从而控制胶囊内镜的摄像角度。
如图1所示，通过上下直线模组3及其第一旋转关节4和第二旋转关节5控制远心不动点的位置坐标，将磁体7通过前端直线移动副机构安装在具有远心不动点的俯仰横滚机构6上
如图4所示,本发明使用的关节载荷分离机构，中空轴29与减速器座21直接连接，需要驱动的摆臂通过十字交叉滚子轴承24安装在中空轴29上，使得前端较大的弯矩，通过十字交叉滚子轴承24和中空轴29直接传递至减速器座21，通过中空轴29将较大弯矩传递至减速器座21，关节型谐波减速机只需要承受驱动关节需要的扭矩，所以只需要根据驱动转矩选择对应的谐波减速机即可，所以大大缩小了驱动关节的尺寸，提高减速器的寿命。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，其特征在于，包括：控制电箱(1)、机器人底座(2)、上下直线模组(3)、第一旋转关节(4)、第二旋转关节(5)、俯仰横滚机构(6)和磁体(7)；
所述机器人底座(2)安装所述控制电箱(1)和所述上下直线模组(3)，所述上下直线模组(3)一侧安装所述第一旋转关节(4)一端，所述第一旋转关节(4)通过所述上下直线模组(3)相对所述机器人底座(2)直线移动；
所述第一旋转关节(4)另一端连接所述第二旋转关节(5)一端，所述第二旋转关节(5)另一端安装所述俯仰横滚机构(6)一端，所述俯仰横滚机构(6)另一端安装所述磁体(7)；
所述俯仰横滚机构(6)包括：横滚驱动电机(8)、横滚减速机器座(9)、俯仰驱动电机(10)、俯仰减速机座(11)、双平行四边形机构和前端直线移动副；
所述横滚驱动电机(8)一端安装所述横滚减速机器座(9)一侧，所述横滚减速机器座(9)另一侧连接所述俯仰减速机座(11)一端，所述俯仰减速机座(11)连接所述横滚减速机器座(9)处安装所述俯仰驱动电机(10)；
所述俯仰减速机座(11)另一端转动连接所述双平行四边形机构一端，所述双平行四边形机构另一端连接所述前端直线移动副，所述前端直线移动副安装所述磁体(7)；
所述双平行四边形机构包括：俯仰摆臂(12)、第一连杆(13)、摆臂(14)和第二连杆(15)；
所述俯仰摆臂(12)一端转动连接所述俯仰减速机座(11)，所述俯仰摆臂(12)另一端转动连接所述摆臂(14)一端；
所述俯仰摆臂(12)连接所述俯仰减速机座(11)处同轴转动安装第一短杆，所述俯仰摆臂(12)连接所述摆臂(14)处同轴转动安装第二短杆；
所述第一短杆和所述第二短杆相对所述俯仰摆臂(12)转动；
所述第一连杆(13)一端转动连接所述第一短杆，所述第一连杆(13)另一端转动安装在所述摆臂(14)中部；
所述第二短杆转动连接所述第二连杆(15)一端，所述第二连杆(15)另一端和所述摆臂(14)另一端连接所述前端直线移动副；
所述前端直线移动副包括：磁铁固定支架(16)和磁铁控制直线模组(17)；
所述磁铁控制直线模组(17)侧面连接所述第二连杆(15)和所述摆臂(14)，所述磁铁控制直线模组(17)端面安装所述磁铁固定支架(16)；
所述磁铁固定支架(16)通过所述磁铁控制直线模组(17)相对所述双平行四边形机构直线移动；
所述磁铁固定支架(16)安装所述磁体(7)；
所述双平行四边形机构包括平行四边形ABCD和平行四边形BEFG，所述双平行四边形机构设置虚拟转动中心点O，所述虚拟转动中心点O为远心不动点，所述双平行四边形机构满足以下关系：
GH/GO＝sinθ；
所述磁体(7)轴心线穿过所述虚拟转动中心点O。
2.根据权利要求1所述磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，其特征在于：所述俯仰摆臂(12)转动连接所述摆臂(14)处安装伺服电机，所述伺服电机连接RV减速机；
所述俯仰摆臂(12)转动连接俯仰减速机座(11)处设置载荷分离机构。
3.根据权利要求2所述磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，其特征在于，所述载荷分离机构包括：张紧块(18)、驱动同步带轮(19)、减速机侧同步带轮(20)、减速器座(21)、轴承盖(22)、轴承(23)、十字交叉棍子轴承(24)、动力输出轴(25)、空心轴套(26)、内圈压盖(27)、谐波减速机(28)、中空轴(29)、轴承内隔圈(30)、轴承外隔圈(31)和压盖(32)；
所述驱动同步带轮(19)侧面安装所述张紧块(18)，所述驱动同步带轮(19)通过传送带传动连接所述减速机侧同步带轮(20)，所述减速机侧同步带轮(20)安装在所述减速器座(21)中；
所述减速器座(21)内安装所述谐波减速机(28)，所述谐波减速机(28)一侧连接所述减速机侧同步带轮(20)，所述谐波减速机(28)另一侧连接所述动力输出轴(25)；
所述动力输出轴(25)外侧同轴套装所述中空轴(29)，所述中空轴(29)一侧固定连接所述减速器座(21)，所述中空轴(29)另一侧安装所述内圈压盖(27)，所述中空轴(29)和所述动力输出轴(25)之间设置所述轴承(23)，所述轴承(23)外侧安装所述轴承盖(22)；
所述中空轴(29)外侧同轴套装所述空心轴套(26)，所述空心轴套(26)和所述中空轴(29)之间安装多个所述十字交叉棍子轴承(24)，多个所述十字交叉棍子轴承(24)之间设置所述轴承内隔圈(30)和所诉轴承外隔圈(31)，所述十字交叉棍子轴承(24)端面安装所述压盖(32)。
4.根据权利要求3所述磁场极强点与磁力线方向解耦型控制机构，其特征在于：所述第一旋转关节(4)和所述第二旋转关节(5)设置所述载荷分离机构。
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