CN1944003A - 外磁场控制微机器人运动及位姿***及其控制方法与应用 - Google Patents

外磁场控制微机器人运动及位姿***及其控制方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种外磁场控制微机器人运动及位姿的***，包括磁场发生装置、微机器人，所述磁场发生装置为永磁体圆周阵列，所述永磁体圆周阵列包括多个永磁体，各自绕自身中心在阵列平面内同步旋转；所述微机器人呈螺旋表面胶囊状其圆柱段附着两个磁性相对的永磁片，使微机器人产生一个磁矩。一种由前述***实现的控制方法，包括下述步骤：将n个永磁体沿圆周按规则阵列；制备微机器人；将微机器人置于永磁体圆周阵列中，其内磁矩与圆周阵列平面重合；永磁体同步自转驱动微机器人在生物管道中行进，可停留在任意转动方位角，阵列平面绕阵列中心点摆动可控制微机器人摆动和改变行进方向。本发明结构简单、合理，能耗少，操作方便，控制容易，应用范围广。

Description

外磁场控制微机器人运动及位姿***及其控制方法与应用
                        技术领域
本发明涉及微机器人的磁场控制技术，特别涉及一种外磁场控制微机器人运动及位姿***及其控制方法与应用。
                        背景技术
目前体内微机器人的无线驱动方法驱动主要可以分为感应耦合方法、电磁波以及磁场方法。其中，感应耦合方法是根据麦克斯韦(Maxwell)电磁场原理，通过松耦合变压器的初级线圈和次级线圈之间的电磁感应来传递能量的；电磁波方法是在体外电磁波发射源发射的电磁波通过体内微机器人设置的接收线圈转化成为电能驱动微机器人运动。上述两者适用于远距离能量传输，前者能够传输较大功率的能量，后者传输能量较小；但是两者都存在效率低的缺点，而且能量转化装置都比较复杂。磁场方式是通过体外的磁场发生装置产生需要的磁场驱动体内微机器人运动；外部恒稳磁场对于人体几乎没有伤害，已逐渐应用于体内胶囊的驱动，利用组合线圈可以在其内部区域得到均匀的磁场强度或均匀变化的场强梯度。M.Sendoh、Ishiyama等人使用正交的三轴亥姆霍兹线圈通电在其线圈内部合成一个旋转的磁场，研制了用于胶囊内窥镜的电磁驱动器；简晓云则提出使用亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对的组合线圈形成具有强度梯度的磁场直接驱动胶囊内窥镜。从驱动原理来看，这种组合电磁线圈的方法一个要求是，微机器人或微胶囊一定处于线圈内部。考虑到微机器人或微胶囊微机电***应用于人体诊疗，如果线圈固定且其产生的磁场能够人体的整个腹部，则导致线圈的体积庞大，而体积增大会导致产生一定磁场强度需要的电流快速增大，同时直流电磁线圈的发热将消耗一大部分能量，并且磁场发生装置都很复杂。
                        发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点及不足，提供一种结构简单、合理，易于操作，效率高的外磁场控制微机器人运动及位姿的***。
本发明的另一目的在于提供一种由上述***实现的简单、实用，能耗少，控制精度高的外磁场控制微机器人运动及位姿的方法。
本发明的再一目的在于提供上述外磁场控制微机器人运动及位姿***的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种外磁场控制微机器人运动及位姿***，包括磁场发生装置、微机器人，磁场发生装置与微机器人通过磁场作用无线连接，其特征在于：所述磁场发生装置为永磁体圆周阵列，所述永磁体圆周阵列包括多个永磁体，每个永磁体处于各自不同的初始位置和角度并绕自身中心在阵列平面内以相同速度旋转，从而在阵列中心点产生一个旋转磁场；该旋转磁场强度大小恒定，旋转速度等于永磁体的自转速度；所述微机器人包括胶囊状基体，在胶囊状基体的圆柱段上附着两个磁性相对的永磁片，所述两个永磁片使微机器人产生一个磁矩。
所述微机器人的胶囊状基体圆柱段的表面为螺旋表面。
所述微机器人的胶囊状基体圆柱段的永磁片为片状、条状、瓦状或其他形状。
所述永磁体可为圆柱体、长方体或者多面柱体等形状。
所述永磁体圆周阵列由多个永磁体的体积中心点沿圆周阵列，并且每个永磁体按照排列要求转到各自相应的初始角度。
所述永磁体的数量可为2个或2个以上，数量越多形成的旋转磁场越均匀，在实际使用中根据需要确定永磁体的数量。
一种由上述***实现的外磁场控制微机器人运动及位姿的方法，包括下述步骤：
1、将n个永磁体沿圆周方面阵列排列布置，形成永磁体圆周阵列，具体步骤为——
(1)建立固定的全局坐标系YOZ，以及随永磁体转动的局部坐标系YiOiZi(i＝1，2，…，n)，局部坐标系正向Zi为永磁体磁化方向，原点Oi为永磁体体积中心点。
(2)将局部坐标系Y1O1Z1原点O1固定在全局坐标系下点(rp，0)，并以其为基点将所有圆柱永磁体绕O点沿圆周正向(逆时针)均匀布置。永磁体的中心点均在半径为rp的圆周上，相邻永磁体中心点对应的圆心角为360°/n。
(3)旋转每个永磁体到对应位置；依次旋转局部坐标系YiOiZi使其相对于全局坐标系YOZ的转角依次为720°*(i-1)/n(i＝1，2，...，n)；这样在阵列中心区域，得到一个强度非常均匀的磁场，其转动速度等于阵列永磁体的转动速度。
2、制备微机器人：采用胶囊状基体，在胶囊状基体的圆柱段上附上两个磁性相对的片状或条状的永磁片，使微机器人具有一个磁矩；具体的附上工艺可采取过盈镶嵌或黏着等方法；另外，将胶囊状基体的圆柱段表面处理成螺旋表面，便于其与周围接触物(如：人体内组织——肠道、血管等或人体内粘性体液等)旋转接触时产生轴向运动。
3、将微机器人置于永磁体圆周阵列中，主动控制微机器人的运动以及位姿。
微机器人的位姿指在某个坐标系中(如全局坐标系中)，微机器人体上某点(通常指微机器人的体积中心点、形状中心点等特殊点)在空间位置(3个独立参数)，以及微机器人体相对于坐标系的角度(2个独立参数)，由5个独立参数共同决定。
将永磁体阵列调整好后，将微机器人置于永磁体圆周阵列中，微机器人内磁矩与永磁体圆周阵列平面重合，且微机器人内磁矩中心点与阵列中心点重合。需要摆动微机器人，即调整其相对于坐标系的角度时，通过同时调整阵列表面的三个点，使得阵列平面绕阵列中心点摆动，此时处于阵列中心点的微机器人随着阵列平面一起摆动。这样就可以调整微机器人前进的方向，也实现了微机器人在原点的摆动。当微机器人在管道中，特别是在生物管道中时，需要驱动微机器人旋转前进时，同时驱动每个阵列永磁体分别以相同的速度同步自转，永磁体圆周阵列产生的旋转磁场形成一个大小恒定的转动力矩作用于微机器人(永磁体圆周阵列中心正对微机器人磁矩中心)，使其绕自身轴线转动，同时通过螺旋表面与周围接触物(如：人体内组织——肠道、血管或人体内粘性体液等)的接触作用实现微机器人的运动。通过改变外部永磁体的旋转速度可以改变微机器人的行进速度。这样就分别实现了微机器人两种运动形式，在实际使用中，也可以将两种控制方法结合同时对微机器人进行，实现微机器人沿着曲线运动，在运动中摆动等运动形式。在运动过程中，微机器人是随旋转磁场转动而转动的，当外部永磁体停止转动时，旋转磁场停留的角度为微机器人停留的转动相位角。
本发明提供的外磁场控制微机器人运动及位姿***可应用于无线能量传输，无缆微机器人在微小管道中行进，特别适合于在生物管道中行进和运动姿态调整。
本发明提供的外磁场控制微机器人运动和位姿***可应用于许多微型医疗器械的载体，实现微创医疗的目的。一些具体的应用可能包括，但不限制于此：1、作为无线胶囊内窥镜的载体。目前应用于临床的胶囊内窥镜可以观察到人体整个消化道，同时对患者几乎不产生任何痛苦。但是由于其没有驱动***，完全依靠消化道蠕动推进其前进，只能对消化道实现一次图像采样。采用本发明的驱动***后，可以实现其对消化道的多次重复多角度观测，可大大提高对于消化道病灶的诊断准确度。2、作为无线诊疗给药机构和取样机构(切割下小块病灶部位的组织到体外化验，以及提取病灶部位的组织体液等)的载体。承载无线诊疗给药机构和取样机构到达需要病灶部位，调整到合适给药和取样角度，完成消化道等生物管道的给药和取样。3、进行微型手术。在本机器人上安装一些微型手术器械，可以在体内直接进行手术治疗，清理生物管道，去除对于人体有害的物质。
本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：
1、结构简单、合理，能耗少：本发明的结构包括永磁体圆周阵列及微机器人，所述永磁体圆周阵列仅由永磁体排列构成，所述微机器人主要由胶囊状基体及附于其上两个磁性相对的永磁片构成，所以本发明的结构非常简单，完全消除了采用线圈产生磁场引起的设备体积过于庞大及其引起的其他缺点，除控制需要能量外，几乎不需要能量供给，能量利用率高，并可节约能源。
2、操作方便、控制容易：(1)本发明非常容易调整外部旋转磁场的大小，从而非常容易调整微机器人受到的主动转矩；永磁体性质确定后，通过阵列永磁体数量的增减以及阵列圆周大小的变化非常容易得到需要的旋转磁场强度，从而得到微机器人受到的主动转矩。理论及实验证明，在阵列数量大于一定数量时，磁场强度与阵列数量的线性度非常高。(2)本发明非常容易控制微机器人在体内的运动速度；在其他参数都确定的情况下，只需要调整阵列永磁体的自转速度即可控制微机器人在体内的行进速度。(3)本发明非常容易控制微机器人在体内运动时的转向；因为微机器人的实时运动方向垂直于阵列平面，所以在保持阵列中心点与微机器人内部磁矩中心重合的条件下，只需要转动阵列平面既可以调整微机器人的运动方向。(4)本发明非常容易控制微机器人的行进方向；如果永磁体沿某个方向转动，微机器人向前运动，则永磁体反向旋转，微机器人向后运动。(5)本发明非常容易调整微机器人的转动方位角；微机器人在管道中是随旋转磁场同步转动的，而旋转磁场转动角度由体外永磁体的转动角度控制，所以通过体外永磁体可以非常容易控制微机器人的转动角，即微机器人可以绕其中轴线转动并停留在任意角度。
3、应用范围较广；本发明可应用于许多微型医疗器械的载体，实现微创医疗的目的，还可应用于无线能量传输等技术领域。
                        附图说明
图1是本发明以6个永磁体圆周阵列为例的旋转磁场产生原理图。
图2是本发明***的微机器人的结构示意图。
图中1、微机器人执行件；2、片状、条状或瓦状永磁体；3、微机器人螺旋表面
图3是图2所示微机器人的外观图。
图4是图1所示阵列永磁体磁化方向、阵列平面以及永磁体自转中心三者关系示意图。
图5是图2所示微机器人在阵列平面内摆动和转向原理示意图。
                      具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1～图3示出了本发明的一种具体结构。本发明外磁场控制微机器人运动及位姿***包括磁场发生装置、微机器人，所述磁场发生装置与微机器人通过磁场进行无线能量传输，所述磁场发生装置为永磁体圆周阵列，所述永磁体圆周阵列包括6个圆柱形永磁体，如图1所示，每个永磁体绕自身中心在阵列平面内以相同速度旋转，从而在阵列中心点产生一个旋转磁场。该旋转磁场强度大小恒定，旋转速度等于永磁体的自转速度。图1中O点处黑体箭头表示圆柱形永磁体，其箭头方向为中轴线上磁力线方向。所述微机器人包括胶囊状基体1，如图2所示，在胶囊状基体1的圆柱段上附着两个磁性相对的瓦状永磁片2，所述两个永磁片2使微机器人产生一个磁矩；所述微机器人的胶囊状基体1圆柱段的表面处理成螺旋表面3，如图3所示，便于其与周围接触物(如：人体内组织——肠道、血管或人体内粘性体液等)旋转接触时产生轴向运动。
由上述***实现的外磁场控制微机器人运动及位姿的方法，包括下述步骤：
1、将6个永磁体沿圆周方面阵列排列布置，形成永磁体圆周阵列，具体操作步骤为——
(1)建立固定的全局坐标系YOZ，以及随永磁体转动的局部坐标系YiOiZi(i＝1，2，...，6)，局部坐标系正向Zi为永磁体内部磁化方向，原点Oi为永磁体体积中心点。
(2)将局部坐标系Y1O1Z1原点O1固定在全局坐标系下点(rp，0)，并以其为基点将所有圆柱永磁体绕O点沿圆周正向(逆时针)均匀布置。永磁体的中心点均在半径为rp的圆周上，相邻永磁体中心点对应的圆心角为60°。
(3)旋转每个永磁体到对应位置；依次旋转局部坐标系使其相对于全局坐标系的转角依次为0°，120°，240°，360°，480°，600°，；这样在阵列中心区域，得到一个强度非常均匀的磁场，其转动速度等于阵列永磁体的转动速度。
2、制备微机器人：如采用胶囊状基体，在胶囊状基体的圆柱段上附上两个磁性相对的瓦状永磁片，使微机器人具有一个磁矩；另外，将胶囊状基体的圆柱段表面加工成螺旋表面，便于其与周围接触物(如：人体内组织——肠道、血管或人体内粘性体液等)旋转接触时产生轴向运动。
3、将永磁体阵列调整好后，将微机器人置于永磁体圆周阵列中，微机器人内磁矩与永磁体圆周阵列平面重合。需要摆动微机器人，即调整其相对于坐标系的角度时，通过同时调整阵列圆周上的三个点，使得阵列平面绕阵列中心点摆动，此时处于阵列中心点的微机器人随着阵列平面一起摆动。这样就可以调整微机器人前进的方向，也实现了微机器人在原点的摆动。如图5所示，图中黑色箭头为微机器人中轴线方向，即其行进方向，椭圆为永磁体阵列圆周，微机器人的轴线方向及其位姿和运动方向随着外部阵列圆周的摆动而摆动。当微机器人在管道中，特别是在生物管道中时，需要驱动微机器人旋转前进时，同时驱动每个阵列永磁体分别同步自转。图4是阵列永磁体磁化方向、阵列平面以及永磁体自转中心三者关系示意图。永磁体圆周阵列产生的旋转磁场形成一个大小恒定的转动力矩作用于微机器人(永磁体圆周阵列中心正对微机器人磁矩中心)，使其绕自身轴线转动，同时通过螺旋表面与周围接触物(如：人体内组织——肠道、血管等)的接触作用实现微机器人的运动。这样就分别实现了微机器人两种运动形式，在实际使用中，也可以将两种控制方法结合同时对微机器人进行，实现微机器人沿着曲线运动，在运动中摆动等运动形式。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种外磁场控制微机器人运动及位姿***，包括磁场发生装置、微机器人，磁场发生装置与微机器人通过磁场作用无线连接，其特征在于：所述磁场发生装置为永磁体圆周阵列，所述永磁体圆周阵列包括多个永磁体，每个永磁体绕自身中心在阵列平面内旋转，在阵列中心点产生旋转磁场；所述微机器人包括胶囊状基体，在胶囊状基体的圆柱段上附着两个磁性相对的永磁片，所述两个永磁片使微机器人产生一个磁矩。
2、根据权利要求1所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***，其特征在于：所述微机器人的胶囊状基体圆柱段的表面设置为螺旋表面。
3、根据权利要求1所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***，其特征在于：所述微机器人的胶囊状基体圆柱段的永磁片为片状、条状或瓦状。
4、根据权利要求1所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***，其特征在于：所述两个磁性相对的永磁附着于胶囊状基体的圆柱段的方式为过盈镶嵌或黏着的方法。
5、根据权利要求1所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***，其特征在于：所述永磁体为圆柱体、长方体或者多面柱体形状。
6、根据权利要求1所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***，其特征在于：所述永磁体圆周阵列由多个永磁体的体积中心点沿圆周阵列，并且每个永磁体按照排列要求转到相应的初始角度。
7、根据权利要求1所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***，其特征在于：所述永磁体的数量可为2个或2个以上。
8、一种由权利要求1～7任一项所述***实现的外磁场控制微机器人运动及位姿的方法，包括下述步骤：
(1)将n个永磁体沿圆周方面阵列排列布置，形成永磁体圆周阵列，具体步骤为——
(A)建立固定的全局坐标系YOZ，以及随永磁体转动的局部坐标系YiOiZi(i＝1，2，...，n)，局部坐标系正向Zi为永磁体内部磁感应强度方向，原点Oi为永磁体体积中心点；
(B)将局部坐标系Y1O1Z1原点O1固定在全局坐标系下点(rp，0)，并以其为基点将所有圆柱永磁体绕O点沿圆周均匀布置；永磁体的中心点均在半径为rp的圆周上，相邻永磁体中心点对应的圆心角为360°/n；
(C)旋转每个永磁体到对应位置；依次旋转局部坐标系使其相对于全局坐标系的转角依次为720°*(i-1)/n(i＝1，2，...，n)；这样在阵列中心区域，得到一个强度非常均匀的磁场，其转动速度等于阵列永磁体的转动速度；
(2)制备微机器人：采用胶囊状基体，在胶囊状基体的圆柱段上附上两个磁性相对的片状或条状的永磁片，使微机器人具有一个磁矩；另外，将胶囊状基体的圆柱段表面处理成螺旋表面，便于其与周围接触物旋转接触时产生轴向运动；
(3)将微机器人置于永磁体圆周阵列中心，微机器人内磁矩与永磁体圆周阵列平面重合；需要调整微机器人位姿时，调整永磁体圆周阵列平面与微机器人磁矩呈一定角度，实现微机器人载体内的运动方向的调整；同时，永磁体圆周阵列产生的旋转磁场形成一个大小恒定的转动力矩作用于微机器人，使其绕自身轴线转动，同时通过螺旋表面与周围接触物的接触作用实现微机器人的运动。
9、根据权利要求1～7任一项所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***的应用，其特征在于：应用于无线能量传输。
10、根据权利要求1～7任一项所述的外磁场控制微机器人运动及位姿***的应用，其特征在于：应用于微型医疗器械的载体。
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