CN1686044A - 血管内在线医用微型机器人的外磁场旋进驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医疗微移动机器人在人体血管内的外旋转磁场非接触旋进式在线驱动控制方法。其特征是通过驱动径向磁化且N、S极相间排列的偶数多磁极圆筒形钕铁硼(NdFeB)永磁体外驱动器转动和轴向移动，媒介于旋转磁场的磁机耦合作用对载有同磁极结构的内驱动器产生的磁转矩和轴向磁拉力形成驱动“力旋”，实现机器人在血管内的双向非接触式轴向驱动。本发明提出了实现不阻碍血液正常流动的在线作业技术方案，其效果和益处是采用非接触旋进式驱动实现微机器人在血管内的在线双向移动，具有机器人结构简单，易于微型化，“旋进”驱动力矩大、安全可靠等优点，可望实现非接触式磁驱动微机器人在血管内的在线作业，实现检查、投药、通塞等手术医疗操作。

Description

血管内在线医用微型机器人的外磁场旋进驱动控制方法

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种医疗微型机器人在充满粘性血液的血管内的外旋转磁场非接触式无损伤在线驱动控制方法。

背景技术

随着超精密加工、微电子机械的集成和基于功能材料微驱动器的发展，微型机器人成为当前科研领域的一大研究热点，尤其是体内医疗微型机器人的研究引起了国内外研究者的极大兴趣。国内外对微型机器人的研究已取得了很多成果，但传统的有缆驱动方式因拖带电缆，会给操作带来极大不便，更易对作业环境造成损伤，并成为实现微型机器人体内作业目标的最大障碍，因此微型机器人的无缆驱动技术已成为研究的新热点。国内外已经研制出多种基于不同原理的无缆驱动微机器人，并取得了一定成果，其驱动原理主要是靠线圈产生的外交变磁场或旋转磁场驱动，存在驱动磁场强度低、响应频率慢、发热耗能大、安全性差等缺点。实现微机器在血管内的无缆双向驱动及无损伤操作仍然是研究的难点，尤其是还没有人提出血管内微机器人在线作业这一概念，也没有相关解决途径的报道。体内在线作业是指机器人能在存有液体或液固混合物质时的人体软组织内驱动行走并完成相应作业的功能，如在血管内游动时，机器人不能阻碍血液的流动等。机器人如果没有在线作业功能，首先会危及人的生命，此外机器人两端的压力差会影响机器人在血管内的移动。体内螺旋驱动原理国内已有研究报道，但目前还没有人提出和研究体内微型机器人的在线驱动方法，在线驱动与作业问题的解决将极大提高血管医疗微型机器人的可靠性与实用性。

目前，微型机器人的无缆驱动方法主要有：机器人自载电源；靠外加交变磁场驱动媒介微机器人驱动器通过振动原理实现机器人移动；通过对空间外部线圈通电产生旋转磁场驱动。实现微机器人螺旋式驱动行走的方法。

靠机器人本体自带电源的驱动方法影响整个微机器人的微型化，作业时存在漏电的危险，而且受电量的限制，行走距离有限；振动式的外交变磁场驱动微机器人相对安全可靠，但双向行走性能不好，行走机理不适合于人体内驱动；通过外部通电线圈产生旋转磁场驱动螺旋式微机器人的方法易于实现微机器人的双向行走，但驱动频率不宜过高，因为驱动频率过高时，线圈产生较大的阻抗，从而会产生较大的能量损耗，驱动磁场强度不大，而且线圈会发热而危及人体的安全。

综上所述，目前实现的微机器人的无缆驱动方法在不同程度上存在着缺点与不足，尤其还没有提出微机器人的螺旋驱动在线作业的概念与解决途径。本发明提出的以永磁体外驱动器产生旋转磁场实现微机器人的在线驱动作业的技术方案与控制方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是给出一种靠外部旋转磁场驱动的在充满粘性血液的血管环境内的医疗微型机器人的旋进式驱动控制方法，从而实现在外磁场非接触驱动条件下的微机器人在血管软组织环境内的无损伤在线医疗作业。

本发明的技术方案是：

首先，采用两个磁极或多个偶数磁极(S极和N极相间排列，每个磁极在圆周方向所占的圆周角为360°/n)的沿径向磁化的圆筒形钕铁硼(NdFeB)永磁体为外驱动器，采用嵌入机器人本体内的与外驱动器磁极数对应相等的径向磁化的小圆筒形钕铁硼(NdFeB)永磁体作为内驱动器，靠变频调速电机带动外驱动器旋转产生外旋转磁场，在磁机耦合的作用下，驱动机器入内载驱动器实现微机器人的同步旋转。

将机器人置入人体血管内，调节外驱动器与人体血管同心。静止时，微机器人内驱动器的S极圆心角分别与外驱动器的N极圆心角重合、内驱动器的N极圆心角分别与外驱动器的S极圆心角重合，即各磁极的对应圆心角的偏转角度θ为零。通过调节外驱动器旋转速度，可以产生不同旋转速度的磁场，在磁机耦合的作用下，外驱动器媒介于磁场驱动内驱动器，从而带动微机器人旋转，同时使外驱动器沿轴向前进，带动微机器人同向行走。

微机器人在粘性血液中旋转时，外驱动器对内驱动器通过旋转磁场的磁机耦合作用产生磁转矩T_M，同时沿轴向前移外驱动器，使内驱动器的径向中截面沿轴向偏离外驱动器的径向中截面，于是外驱动器的表面磁荷对微机器人内驱动器表面磁荷的磁作用力在的机器人轴向的投影不等于零，因此形成机器人轴向磁拉力f_M，且f_M随着微机器人与外驱动器偏离距离的增大而增大，到达外驱动器边缘时，轴向磁拉力达到最大值f_Mmax。

该轴向磁拉力与磁转矩以非接触的形式形成机器人驱动“力旋”，由于微机器人本体刻有螺旋槽，极大地提高了机器人“贯穿”病变组织的能力，也提高了机器人在血管内清理障碍和清除血栓的能力。同时当内驱动器的径向中截面偏离外驱动器的径向中截面时，外驱动器对机器人的内驱动器产生的轴向磁力还具有牵制机器人的作用，如外驱动器不驱动时，由于有轴向磁力吸引机器人的内驱动器，可以有效的克服血液流动对机器人的动态冲击力，将机器人定位于外驱动器附近。

当机器人在血管内非作业驱动行走时，可以径向调整外驱动器与血管的相对位置，使机器人处于血管的中心，减小与血管壁间的正压力，或实现非接触，进而对血管内软组织起到保护作用，同时保证外驱动器与机器人同步轴向移动。

当机器人在血管内附着于血管壁的血栓或沉淀物内作业时，由于微机器人本体刻有螺旋槽，于是螺旋结构在旋转时与血栓等的相互作用对机器人产生轴向旋进推力F_z，该驱动力与轴向磁拉力F_M一起构成微机器人的轴向驱动力F_a，同时血栓等对对机器人产生周向摩擦阻力转矩T_f。

外驱动器作用在内驱动器上的磁驱动转矩T_M要克服摩擦阻力转矩T_f，机器人才能转动。磁驱动转矩T_M的大小与内、外驱动器之间的相对转角θ有关，静止时，内、外驱动器之间的相对转角θ＝0°，外驱动器对内驱动器产生的电磁驱动转矩T_M为0。启动时，随着相对转角θ的增加，磁驱动转矩T_M逐渐增大，当T_M大于微机器人在粘性血液中的静摩擦阻力转矩时，微机器人开始旋转，随着微机器人旋转速度的增加，粘性血液对其产生的摩擦阻力转矩T_f也随之增大，直至T_f＝T_M时，微机器人达到转动平衡状态，即微机器人与外驱动器保持相对转角θ不变的同步匀速旋转。同时机器人在轴向驱动力F_a的推动下沿轴向前进。

当机器人随外驱动器同步旋转时，增大外驱动器的旋转速度，将增大内、外驱动器之间的相对转角θ，磁驱动转矩T_M也增大，使得T_M＞T_f，因此机器人将加速旋转，同时其在粘性液体中所受的液体摩擦阻力转矩T_f也随之增大，直到微机器人再次达到转动平衡状态T_f＝T_M。随着外驱动器的转速不断增加，内、外驱动器之间的相对转角θ不断增大，磁驱动转矩T_M也不断增大，直到内、外驱动器的相对转角为θ＝π/n时(n为磁极数)，磁驱动转矩达到最大值T_Mmax，微机器人与外驱动器达到最大同步转速。此后若继续增大外驱动器的转速，使θ＞π/n，则磁驱动转矩T_M将减小，微机器人减速不再能随外驱动器同步旋转，直到静止。我们将θ＝π/n时外驱动器的旋转频率，即外驱动器对微机器人产生的最大磁驱动转矩T_Mmax时的旋转频率称为截止频率f_S。在截止频率内，微机器人能够随外驱动器同步旋转，而超过截止频率后，微机器人不再随外驱动器同步旋转。

在同一外磁场驱动条件下，可以通过调整机器人本体螺旋结构的螺旋参数(如螺旋角的大小)、空心直径、内驱动器磁化剩磁强度等途径调整机器人的截止频率。

当外驱动器反向旋转同时沿轴向反向移动时，便实现了机器人沿轴向的反向运行，其驱动与运行原理与正向时的情况相同。

微机器人在血管内的在线作业功能是靠空心结构实现的，由于嵌入微机器人本体的内圆筒形驱动器是空心结构，可以将微机器人制成空心结构，从而使其在血管内在线作业时减小了机器人前、后的压力差，不阻碍血液正常流动以达到在线作业的目的，这是本发明重要创新点之一，使机器人的实用性与可靠性大大提高。

本发明的效果和益处是：

1.采用了钕铁硼(NdFeB)永磁体作为外驱动器及内驱动器的材料，利用钕铁硼(NdFeB)永磁体具有高剩磁的特性可以产生较大的磁驱动转矩，实现微机器人在较大的转速范围内正常运行作业。该方法具有驱动力矩大、节省能源、不发热、安全等优点。

2.通过改变外磁场的旋转方向和轴向移动方向可以实现微机器人在血管内的非接触式无损伤双向运动。

3.机器人在“力旋”的作用下，具有很强的“贯穿”能力，可以有效的克服机器人与微细血管内壁的由尺寸效应引起的表面张力，提高了机器人在血管内清理障碍和清除血栓的能力。

4.实现了微机器人在作业过程中不阻碍血液正常流动的在线作业方式。

5.外驱动器静止时，对偏离的内驱动器产生的轴向磁力可将微机器人吸附在外驱动器附近，防止流动的血液将机器人带走，使可靠性和安全性得到提高。

附图说明

附图1是外旋转磁场驱动血管内医用微机器人的驱动总体方案示意图。

图1中：1轴承上支座；2钕铁硼(NdFeB)圆筒形外驱动器组合部件；3皮带传动机构；4变频调速驱动器；5伺服电机；6外驱动器支撑轴承；7示意人体血管通道；8轴承下支座。

附图2是内、外驱动器磁极为两极的实施方案中内、外驱动器静止时的示意图。

图2中：9圆筒形外驱动器；11圆筒形内驱动器。

附图3是内、外驱动器磁极为两极的实施方案中内、外驱动器同步旋转时的示意图。

图3中：9圆筒形外驱动器；11圆筒形内驱动器。

附图4是内、外驱动器磁极为四极的实施方案中内、外驱动器静止时的示意图。

图4中：9圆筒形外驱动器；11圆筒形内驱动器。

附图5是内、外驱动器磁极为四极的实施方案中内、外驱动器同步旋转时的示意图。

图5中：9圆筒形外驱动器；11圆筒形内驱动器。

附图6是旋进式微机器人在血管内在线运行的示意图。

图6中：10血管通道；11圆筒形钕铁硼(NdFeB)内驱动器；12本体及外部螺旋结构；13血管中的血液。

具体实施万式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

采用粘接工艺，将不同径向磁化的小圆环钕铁硼(NdFeB)永磁体分别粘接成在圆周方向上具有两个磁极或多个偶数磁极的N极和S极相间隔的具有一定长度的圆环形磁体(每个磁极在圆周方向所占的圆周角为360°/n)为外驱动器。

如图1所示，外驱动器转动产生旋转磁场，旋转磁场的转速可以通过变频调速来实现。磁极的结构参数可以根据磁荷积分法优化确定，以保证最佳磁驱动转矩，同时也要考虑人体外型尺寸，如用于人体四肢动脉时，尺寸相对可以小一些。轴承上支座1和轴承下支座8均采用非导磁材料，如可使用尼龙制造。

图2，图3所示的实施方案中，内、外驱动器采用二磁极结构。二磁极驱动时，磁驱动转矩的调整范围最大，与其它磁极结构方案比较，具有最大磁驱动转矩。

图4，图5所示的实施方案中，内、外驱动器采用四磁极结构，可以应用于要求驱动力矩不大的场合。

驱动微机器人运动前，首先调节外驱动器9与作用区域中心的人体血管通道10的相对位置，使它们尽可能的同心，然后将微机器人置入血管通道内，由于在外驱动器9磁力的作用下，嵌入微机器人本体的内驱动器11的S极将与外驱动器9的N极自动正对，相对转角θ＝0°，如图2所示。

然后启动变频器4，通过调节其驱动频率来控制电机5的转速，电机5通过皮带传动机构3带动外驱动器9同步旋转。随着外驱动器的旋转，内、外驱动器的相对转角θ将逐渐大于0°，则外驱动器对内驱动器产生的磁转矩T_M也逐渐增大，并驱动微机器人旋转。当微机器人在血液中旋转时，血液对其产生的摩擦阻力矩与磁驱动转矩相等(即T_f＝T_M)时，微机器人达到转动平衡状态，此时机器人随外驱动器同步旋转，如图3所示。

同时沿轴向移动外驱动器，使其对内驱动器产生轴向磁拉力F_M，当在血管内正常移动时，F_M和螺旋结构与血液相互作用产生的旋进推力F_z一起形成轴向驱动力F_a，并推动微机器人沿轴向移动。磁驱动转矩T_M与轴向驱动力F_a一起形成作用在微机器人的驱动“力旋”，驱动微机器人在血管内旋进运动，如图6所示。

当液体阻力变大或要贯穿软组织内的病变区域时(如肿瘤、血管内的栓塞等)，沿轴向加速向前移动外驱动器9，使内、外驱动器的轴向相对位移适当增大，进而增加外驱动器9作用内驱动器11上的轴向磁拉力F_M，同时通过调节变频器4，适当增大外驱动器9的转速以适当增大磁驱动转矩T_M，来克服增大了的摩擦阻力转矩T_f，即增加“力旋”作用，以便实现有效的“贯穿”目的。

图6中，微机器人本体及外部螺旋结构12应选用非导磁无毒材料制造，还需要考虑与人体的排异特性。

为了便于机器人的微型化，内驱动器11可以采用组合方式加工，即在非金属材料空心圆柱的外部周向溅射上钕铁硼(NdFeB)薄膜，然后采用径向磁化的工艺方法，形成集成为一体的两磁极内驱动器。

可以通过改变外部螺旋结构12的螺旋参数(如螺旋角的大小)、内驱动器11的剩磁强度和空心孔的直径等途径来调整微机器人的截止频率。

改变外驱动器与机器人中心线的相对位置，形成一定偏转角，可以实现机器人的转向。

反向移动外驱动器9，同时通过变频器4驱动电机5反向旋转，可实现微机器人的反向运动，其运动原理与过程与正向驱动时相同。

Claims (1)

1.一种血管内在线医用微型机器人的外磁场旋进驱动控制方法，其特征在于：

a)采用径向两磁极或多偶数磁极且N极和S极相间排列的圆筒形钕铁硼(NdFeB)永久磁铁为外驱动器(9)，采用与外驱动器(9)同磁极结构的径向磁化的两磁极或多偶数磁极且N极和S极相间排列的小圆筒形钕铁硼(NdFeB)永久磁铁为机器人的内驱动器(11)；

b)利用基于上述结构的外驱动器(9)的转动，产生旋转磁场，外驱动器媒介于旋转磁场的磁机耦合作用对与其磁极结构对应一致的内驱动器产生磁驱动转矩，并与通过外驱动器(9)的轴向移动对机器人内驱动器产生的轴向磁拉力形成非接触式“力旋”的驱动方法；

c)载有圆筒形钕铁硼(NdFeB)永久磁铁内驱动器(11)的机器人本体采用空心结构，以实现微机器人在血管内的在线作业。

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