用作肠胃痛检查的无线电微型机器人.doc

用作肠胃痛检查的无线电微型机器人 摘要这则报告讲述了一种用作肠胃检查的新型无线电仿生微型机器人。这则观察系统描述很详细，包括机器人的结构，无线电传输系统，rf交流系统和图像模式。以及由直流发动机驱动的像蚯蚓一样蠕动的混合片段的设计和制造。重复关闭循环控制体系来保证有可利用的充足有效的电力。rf传送器是一个低能量消耗而且数据传输率为50kbps的设备。它能无线传输高质量的图像，这个系统能提供实时的监测。这个模型直径12mm长150mm。通过实验证明，这个微型机器人能够很顺利通过人体柔软的组织。 关键字- 无线电传输，微型机器人，无线电交流系统，肠镜 简介 胶囊肠镜在肠道的营养检查中另辟蹊径，特别是针对小肠的检查，它是目前唯一一种不依靠外科手术就能提供实际图像的肠胃检查方法。然而，这种胶囊肠镜也有几种局限性，第一，这个胶囊是统一由一个内置的锂电池来提供能量的，用有限的电能来获取高质量高数量的图像。这个由given imaing 公司生产的胶囊肠镜只能工作8小时，每秒传送两张图片。相比较旧式的肠镜能提供300000像素的图片，它只能传送低于80000像素的图片。第二，胶囊肠镜是通过肠胃的蠕动从嘴巴到肛门移动的。大概有30%很重要的观察点被忽略了。通过长期的观察和试验药物只能通过一些简单的人体组织。 许多研究者提出了机车制造内窥镜微型机器人做肠镜的实际猜想，意大利crim实验室和保罗达里奥教授合作，已经发明了好几代生物应用的微型机器人，peumatic是基于虫子的仿生学设计而成的，而且根据机动车原理的实验室已经做出来了。胶囊记忆合金也被选择应用于做成肠镜。基于sma而设计成的钳装置也用来使胶囊在一个需要观测的点做长时间的观察，然而这个机器人能够包裹着十条缆线和一根空气管来进入从头到尾不少于一米的结肠。这个sma装置也被捆着能达到1.35w的电力供给，另一个无线电微型机器人也被dymsykim korea设计成功了。不幸的是，这个机器人尽管配备了电池也仅仅只能工作18分钟。这则报告呈现了一个新型的无线电肠镜机器人的装置系统，这个机器人通过rf交流系统能远程控制和调节工作地点。机器人内部装有一个图像传感器和传输器，在这个装置里能收到实时现场的录像，被建立的无线电传输系统打破了许多其他装置电力不足的局限性。这个装置系统被分成2部分，身体内和身体外，身体内的是微型机器人，身体外的包括电力传输，录像接收器，rf交流器和工作地点。这个模块将在以下被讲述到。 微型机器人设计a目标原则像蚯蚓一样的外形适合人体柔滑的环境，它通过拉动前面的弧形和推动后面的弧形来前进，这个移动原则在图1中能够简单理解。这个移动步骤如下描述1） 整个形体被内置在一个装备中2） 拉动弧形1，然后推动头舱，这样形成一个图像。3） 向前拉动弧形2，而且同时弧形1收回，弧形1形成一个图像4） 拉动弧形3，同时弧形2收回，弧形2形成一个图像5） 弧形3收回，弧形3和尾舱被推向前形成一个图像，机器人收回到装置里，这样就向前行进一步。 这个机器人通过重复以上程序不断向前进。通过翻转次序来向后移动，5个小弧形都有接头连接着，从而使整个过程灵活运行。b 移动弧形的设计 移动弧形是以上程序中的关键部分，高效率的电动刷被选为前进的源动力，从而提供电能，提供3v电压产生0.3nm的扭矩力，这个旋转的速度是1500rpm，发动机直径10mm长12mm。三级齿轮的设计和制造是为了增加产出的扭矩力，这个齿轮模数0.2mm，一对锥形齿轮副齿数分别为8和19、减少的比率大约是13.4. 螺丝是通过旋转来转换成直线移动的。这个螺丝被安装在螺帽上，当电动机旋转时 带动动螺丝伸缩，当螺帽被移动到底部，反馈信号就通过交流传感器被传送到了mcu里。控制系统通过接头使发动机停止并改变方向。图2显示了驾驶段有几部分组成，这个组装段直径11.5mm，长22mm，拉伸状态31mm，输出力矩在当前的3v电源电压下为1.2n消耗少超过100mac舱容 头舱设计见图3，机器人安置在里面等待指令。一旦外面的装置被rf接收器收到，一个端点就被传送到了mcu,mcu通过 spi；来读取数据以及分析收到的数据，然后它执行相关的命令，比如把机器人送到工作场所或控制发动机运行。三个连续的spdt，开关设计在发动机表面板上，来控制发动机运行的方向和停止，大片pcb板被电线紧紧的连接在一起。这个电源接收器放在尾机舱，（如图4所示）用一个常规的满桥检测器和钳电容器来对感应ac电压检测和过滤到dc然后dc电压被放入可产出3v电压的调节器中。zerer被用来控制调整输入层从而保护过电压的损坏 ，这些不规则的电压被ad集合存放在mcu中，这些信息通过rf信息连接器被传送到外面，还有反馈信号也被送到控制器中。 无线电力传输系统几部作品已经验证了无线电力传输系统的可行性，通过利用电感耦合远程微电系统，在这种方法中，要使用2个线圈，位于身体外部的主要线圈和次要线圈集成，构成系统的一个松散耦合变压器，一些研究人员在接受端采用并联谐振电路，一些研究院采用串联谐振电路，传输效率比能够被优化，通过这2个电路拓扑，最大效率可以在发射接受电路的调谐共振条件下达到。两个阶段，需要以优化电力传输连接为目的来进行。首先，高压电存在的电容被选中，这个传送频率能用下面的方程式进行计算。 根据传送的频率和线圈的自变量，接收方的振幅也能通过以上方程式计算出来。而且两方的共振是以同一个频率。然而，实际上，如果传送频率是既定的计算价值，很难满足共振的要求，因为自感l通过圈线随着环境变化而变化，例如附近的金属物体，温度变化和零件的耐力等。由于依赖高频共振电路的感应连接，线圈必须精确调节到共振频率，以至于不减少传送效率，图5显示了线圈自变量传送效率的灵敏度。图标阐明如果自变量线圈传送变化1%，那么效率就会减少超过30%，但是传送频率不会有相应的变化。一个自动协调电路基于pll（相锁相环）设计成了。这个框图如图6所示，用于在主电路诱导电压vf其中的振幅成正比i和/2段的差异也扩大。i1这段信息在vf扩大，正向电压输入到pll放大和相移。另一个信号vp和i1是相似的，而且差异性也控制着vco频率的产出，所以主电路由三相电流和电压调整的共振通过调整发射频率。传送频率的异常会导致接收方的振幅紊乱，然而，由于接受先圈质量因素比传送线圈小的多，所以这个变化太小，传送效率在频率不是太敏感的时候，这个影响可以忽略。当微型小机器人在肠道里爬行的时候，他的位置和方向总是在变，所以回路也是不连续的。并且，液压也随着工作环境变化着，有时是一发动机运行，有时候有两个，这个电力传输系统必须在最差环境时提供确切的电力。这时是最大电力的消耗。另一方面，工作条件也通常有。在修正器和调节器上，会有一些不必要的电力浪费，这可能会引起温度的上升还有部件的损害，所以，这个电力应该根据需要来提供。基于无限交流器的一个电压反馈漕如图6所示，正如上一节所介绍的，在样品0.5s阶段，电压vr对pwm控制器会有反应，移动板块在如图7g1s作为有着pwm信息量的h桥和传送线圈电流量的转移功能，g2s代表总结连接，包括整个桥梁的调整和过滤，它不是一个单一的子系统。fs是一个设计作为动力稳定接收电压，在一个理想的6v电压的控制器。let代表vp的一个循环周期，vt代表经过h桥的电压，电压通过最初边缘称为v1如图6所示，这样，我们就在传送线圈上火的扩大的电流。这里的r1就是控制原始电路的振幅，而且，vr由&周期控制，图8显示在ma上的反应。 在我们的实验中，发射线圈缠绕在按照人体形态的椭圆形。它是由120圈awg和16跟铜线围绕成的单一层结构。它长38cm宽26cm深度28cm。在低谷时，quasi-homogeneous交替就会产生磁场。这个小线圈外围直径11.5cm，内直径8mm长10mm。还有一个有320圈awg3.5线的多层结构。这个传送频率达到36.9赫兹。接受的电力以3.8%的效率达到800mw。 4rf交流系统 首先，rf载波频率应选择辐射效率最大化，以减少权力辐射和提高抗干扰能433mhzism频率被用在我们这个系统里，rf信号衰减在这频率范围内较小。一些模块能用来传送数码数据。包括ask和psk，一个单一的芯片gfsk交换器被用在我们的设计中，这个芯片nrf905，由noroic生产的自动化处理。rneamble和crc。这样保证了rf连接的可行性。这个内置的数码传送器的显示，是由3个模块组成的，传输芯片外部的零件盒天线模型。一个一个特殊短鞭天线被用于最小的传送器。12mm长，直径0.25mm。因为盛情的空间限制。这个最小的电压是1.9v到3.6v。最大字节率达到50kbps。对大多数运用都是充足的。在最大传送电力到10dbm时，电流消耗17ma。外部的rf交流模块，包括mcu和rs232接收器，除了如图9所示的rf交流连接。mcu控制着rs232接收器和rf交流芯片。还能读懂控制小组的按钮，指令能够从工作地点或控制组通过rf交流连接被送到微型机器人，另一方面，一个数码的pwm模块和mcu形体控制无线传输的最大。有2种图像传感器值得在设计中考虑。ccd和cmos。ccd传感器一般比cmos的图像质量更好，但是它的外电路的控制很复杂。在把有限的电压考虑在微型机器人后cmos传感器被采用了。在头舱有5部分组成，分别是内置图像模块传感器。照明设备，显微镜，拱顶，图像传感器。录像传送。见图3，这个照明设备包括有着40mv电力的4个led等，这个图像传感器以30fps的速率传送500000像素的图片。这个照相机支持pa2模块和输出。而且能够直接连接到无线传输器上，最小的图像可以120度角度拍摄内置的录像的总能量消耗至少与200mw，在这个装置外面，一个如图9的无线接收器，它被连接到工作地点的一个录像带上，这个录像是实时课件的而且能被捕捉和重复播放。 实验这个观察系统模型见图10一些实验在微型机器人上已经实行了，第一，这个实验已经被执行了。这个微型机器人在直径15mm的橡胶水管和玻璃水管中等不同的环境下能够高效的运行。结果见图11.这个微型机器人能够根据工作地点的要求被控制，在我们的所有实验中，温度都上升到3度以下，这些结果初步验证了，火车头原则实验表明，机车效率在橡胶水管中比玻璃水管中高。一些管子在很小的摩擦表面会打滑。在橡胶水管中的循环运动比在玻璃种短。这由dc发动机的特性所造成的，这个旋转速度在压力较小时很高，一般来说，这种速度对这种滑质表面很适合。这些是和医学克隆一起做的实验，这个新鲜的器官由一个导管牵引放在传送线圈里。这个平均的爬行速度是17mm每分钟。这比橡胶管中要慢很多。许多中风患者在延伸和恢复期间因为克隆组织的变形而死去。根据生物制造和地理因素，移动阶段的效率的研究已经被开发出来了。这个结果提供给我们通过计算临界中风的内置墙壁的运行来设计一