（模式识别与智能系统专业论文）基于外磁场驱动的微型管道机器人研究.pdf

、， 】 _ l c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nm i c r o - p i p er o b o td r i v e nb y e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d c a n d i d a t e ：h a oy u n l e i s u p e r v is o r ：p r o f w a n gk e j u n a c a d e m i cd e g r e eh p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：p a t t e r nr e c o g n i t i o n i n t e l l i g e n ts y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 ， 学位论文原创性声明 。 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 ； - 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 j 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：歹汐才锣 日期： 御矿年芗月妙日 、 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文。( 因在授予学位后即可 口在授予学位1 2 个月后 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：莎矿侈导师( 签字) ： 醐：泖钐m 刀乡 口 哈尔滨一：稃人学硕十学位论文 摘要 胃肠道是人体的重要器官，由于所处环境的复杂性，与其他器官相比更 容易发生病变。对于胃肠道的检查，通常的方法是插管式内窥镜和无缆式胶 囊内窥镜。前者的主要缺点是靠外力进入胃肠道，容易造成组织器官的损伤， 给病人带来不适和痛苦。后者是靠胃肠道的自然蠕动来遍历全身进行检查， 并期望最终排出体外。此种方法的缺点是观察过程不受控制，检查所需时间 较长，可能存在检查盲区，胶囊滞留等问题。鉴于目前所存在的这些问题， 研制出能够在人体胃肠道进行自主运动的微型管道机器人将具有重要意义和 研究价值。 为了实现医用微型管道机器人的主动驱动，论文研究了一种直接利用外 部均匀梯度磁场驱动的方法，微型管道机器人本体采用内嵌钕铁硼永磁体制 作而成的胶囊形状机器人，利用亥姆霍兹线圈与麦克斯韦线圈空间组合，形 成驱动微型管道机器人所需的组合线圈，通过调节组合线圈加载电流的大小， 线圈空间位置的变换，以及管道的位置平移，共同形成微型管道机器人驱动 所需的梯度磁力和磁转矩，从而有效地完成驱动动作。采用这种磁场驱动方 式，具有结构简单、驱动力和速度可控、稳定性和安全性高、可对重点部位 进行检查等优点。 论文主要对均匀梯度磁场形成的原理、微型管道机器人的驱动机理进行 了分析，对驱动线圈进行了磁场仿真分析，对微型管道机器人的本体进行了 设计，并搭建了实验所需的微型管道机器人控制系统。 最后通过实验验证了微型管道机器人的运动性能。实验结果表明，微型 管道机器人具有较好的运动性能，实现了平移运动，空间姿态调整等动作， 具有较好的可控性。 关键词：微型管道机器人；组合线圈；磁场驱动 哈尔滨一【稗人学硕十学位论文 a bs t r a c t g a s t r o i n t e s t i n a lt r a c ti st h eb o d y sv i t a lo r g a n s b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo f i t se n v i r o n m e n t ，c o m p a r e dw i t ho t h e ro r g a n s ，t h eg a s t r o i n t e s t i n a lt r a c ti sm o r e s u s c e p t i b l et od i s e a s e f o rt h eg a s t r o i n t e s t i n a lt r a c te x a m i n a t i o n ，t h eu s u a lm e t h o d i s i n t u b a t i n ge n d o s c o p e a n d n o n c a b l e s t y l ec a p s u l ee n d o s c o p y t h e m a i n d i s a d v a n t a g e o ft h ef o r m e rr e l i e s o ne x t e r n a lf o r c et oe n t e ri n t ot h e g a s t r o i n t e s t i n a lt r a c t t h i sm e t h o de a s i l yd a m a g e st i s s u ea n do r g a na n dc a u s e s p a t i e n t su n c o m f o r t a b l ya n dp a i n f u l l y t h el a t t e ri st h en a t u r a lp e r i s t a l s i st h r o u g h t h eg a s t r o i n t e s t i n a lt r a c t ，w h i c hc o n d u c t si n s p e c t i o nt h r o u g hb o d ya n de v e n t u a l l y e x c r e t e s 。d i s a d v a n t a g eo ft h i sm e t h o di s o u to fc o n t r o lt oo b s e r v ep r o c e s s i t r e q u i r e sl o n g e rc h e c k i n gt i m e t h eb l i n ds p o t sa n dc a p s u l er e t e n t i o nm a y e x i s t i n v i e wo ft h ee x i s t e n c eo ft h e s ep r o b l e m s ，i tw i l lb eo fs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c h v a l u et h a td e v e l o p e dm i c r o p i p er o b o tt h a tm o v ei nt h eh u m a ng a s t r o i n t e s t i n a l t r a c t i no r d e rt oa c h i e v et h ea c t i v ec a p s u l ee n d o s c o p y d r i y e n ，i nt h i sp a p e r , a n a p p r o a c h o fd i r e c te x t e r n a lu n i f o r mg r a d i e n t - d r i v e nb ym a g n e t i cf i e l d i s r e s e a r c h e d m i c r o p i p er o b o tb o d y i s c a p s u l er o b o tt h a t i se m b e d d e dw i t h n d f e bp e r m a n e n tm a g n e t h e l m h o l t zc o i l s a n dt h em a x w e l lc o i l sa r e o r t h o g o n a lc o m b i n a t i o ni ns p a c e ac o m b i n a t i o no fc o i ld r i v e sm i c r o p i p er o b o t b ya d 3 i u s t i n gc u r r e n to f c o i la n dt h et r a n s f o r m a t i o no fc o i ls p a t i a ll o c a t i o na n dt h e l o c a t i o no fp i p e l i n e st r a n s l a t i o n ，t h o s ej o i n t l yf o r mg r a d i e n tf o r c ea n dm a g n e t i c t o r q u et oe f f e c t i v e l yc o m p l e t et h ed r i v e ra c t i o nr e q u i r e d a u t h o ru s et h i sm a g n e t i c f i e l d d r i v e na p p r o a c h ，w h i c hh a ss i m p l es t r u c t u r e t h ed r i v i n gf o r c ea n ds p e e di s c o n t r o l l e d i th a sh i g hs e c u r i t ya n dc a ne x a m i n ek e yp o s i t i o n sa n ds o o n i nt h i sp a p e r , p r i n c i p l eo ft h ef o r m a t i o no fu n i f o r ma n dg r a d i e n tm a g n e t i c f i e l di sa n a l y z e d d r i v i n gm e c h a n i s mo fm i c r o p i p er o b o ti sa n a l y z e d m a g n e t i c f i e l do ft h ed r i v ec o i li ss i m u l a t e d t h em i c r o p i p er o b o tb o d yw a sd e s i g n e d a u t h o rb u i l tt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n tn e e d e df o rm i c r o p i p ec o n t r o l l e ds y s t e m 哈尔滨f 群人学硕十学何论文 f i n a l l y , e x p e r i m e n tt e s ta n dv e r i f yp e r f o r m a n c eo ft h em i c r o p i p er o b o t m o t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t m i c r o - p i p e r o b o th a s g o o dm o t i o n p e r f o r m a n c et oa c h i e v et h et r a n s l a t i o n a lm o t i o na n ds p a c ep o s t u r ea d i u s t m e n t i t h a sg o o dc o n t r o l l a b i l i t y k e yw o r d s ：m i c r o - p i p er o b o t ；c o m b i n a t i o no fc o i l s ；m a g n e t i cf i e l dd r i v e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 论文的研究目的和意义1 1 2 微型管道机器人国内外研究现状2 1 2 1 微型管道机器人国外研究现状2 1 2 2 微型管道机器人国内研究现状6 1 3 微型管道机器人所面临的问题9 1 4 论文研究的主要内容1 0 第2 章微型管道机器人的磁场驱动方案分析”1 2 2 1 磁场对磁介质的作用机理”1 2 2 2 两种基本磁场线圈原理分析1 4 2 2 1 匀场线圈原理分析”1 5 2 2 2 梯度线圈原理分析1 8 2 3 组合线圈驱动磁场原理分析j ”2 2 2 4 本章小结“2 6 第3 章微型管道机器人驱动磁场仿真分析2 7 3 1 电磁场仿真分析理论基础”2 7 3 1 1 麦克斯韦方程”2 7 3 1 2 一般形式的电磁场微分方程“2 8 3 1 3 电磁场中常见的边界条件2 9 3 2a n s y s 电磁场有限元法3 0 3 2 1 有限元法的基本思想”3 0 3 2 2a n s y s 电磁场有限元法简介3 0 3 2 3a n s y s 电磁场有限元法求解步骤3 1 3 3 线圈磁场仿真分析3 4 3 4 本章小结3 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章微型管道机器人控制系统实现方案4 0 4 1 微型管道机器人本体设计”4 0 4 1 1 磁性材料介绍4 0 4 1 2 微型管道机器人本体模型设计”4 1 4 2 微型管道机器人组合驱动线圈设计4 3 4 2 1 驱动线圈方案分析“4 3 4 2 2 驱动线圈制作4 4 4 3 微型管道机器人线圈驱动电源4 7 4 4 微型管道机器人模拟管道4 8 4 5 整体系统及检查实施方案”4 9 4 6 本章小结5 0 第5 章系统实验测试与数据分析51 5 1 不同液体中微型管道机器人运动性能测试5 1 5 2 不同长度的微型管道机器人运动性能测试”5 2 5 3 不同加载电压下微型管道机器人运动性能测试5 3 5 4 本章小结5 5 结论5 6 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 4 致谢6 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究目的和意义 机器人( r o b o o 是指能够自动执行某些工作或移动动作的自动控制装置。 它既可以接受人类的指令，又可以运行预先输入的可执行工作程序，也可以 进行以人工智能技术制定的目标性、学习性行为。它的主要任务是协助或取 代人类的劳动工作，例如生产业、加工业、建筑业，或是危险的工作行业。 随着计算机技术和微型机电技术的迅猛发展，机器人技术也逐步向着微型化 和超微型化的方向迈进。通常把结构简单、组成器件精密、体积尺寸微小、 可进行微细操作的小型机器人称作为微型机器人伫1 。 微型管道机器人是微型机器人领域的一个重要研究方向。微型管道机器 人是一种可以在管道内部空间完成运动或行走等动作的机器人，它们身上按 有传感器，视频装置等微小设备，在操作人员的远程控制下，能够进行管道 的检查、维修、喷涂等工作。由于微型管道机器人自身的结构简单，体积微 小等优点，在工业、航空、航天、军事、医学等领域都有广阔的应用前景b 1 。 随着微型管道机器人技术和医疗机器人技术的发展和成熟，医用微型机器人 技术也得到了迅速的发展h 1 。国内外的许多研究人员都在研制能够进入人体 内的胃肠道或血管组织的微型管道机器人，这种微型管道机器人可以在胃肠 道或血管组织中进行检查、取样、喷药等操作胪1 。 研制出能够在人体内腔进行自主运动的微型管道机器人将具有重要意义 和研究价值。体内微型管道机器人是利用人体的胃肠道等生理环境，并且依 靠其所处的液体环境进行运动，来实现对人体组织和器官的检查、治疗和诊 断等。医用微型管道机器人进行人体检查所要达到的理想效果是一方面可以 减少对人体其它完好组织的损害，另一方面也可以缩短病人恢复的时间，消 除手术可能带来的副作用，减轻传统手术会给患者带来的痛苦，降低医疗费 用等嘲。 体内微型管道机器人的出现为人体胃肠道的诊断提供了良好条件，但是 目前的体内微型管道机器人存在一些缺点：比如微型机器人在体内运行过程 中，会与内腔壁之间发生直接接触，运动时会给内腔有机组织造成一定的损 哈尔滨工程大学硕士学位论文 伤，引起人体的不适和痛苦；微型管道机器人仅仅是依靠胃肠道的自然蠕动 来遍历全身消化道进行检查，无法对体内微型管道机器人进行有效的控制， 这样就不能对可疑病变位置进行仔细观察等等。为了实现对体内微型管道机 器人的有效控制，必须对体内微型管道机器人的驱动控制方法进行研究，由 于受体内微型管道机器人尺寸和胃肠道环境的限制，体内微型管道机器人很 难采用常规的驱动方式和驱动机构，因此有必要研究更合理的驱动控制方法。 在这种背景下，本文研究了一种依靠外部磁场驱动体内微型管道机器人进行 主动运动的方法。 1 2 微型管道机器人国内外研究现状 微型管道机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方 向之一，具有广阔的发展前景。许多国家都开展了微型管道机器人的研究工 作，而且也出现了一些微型管道机器人的产品，并取得了一定的应用效果。 这些微型机器人主要包括被动式胶囊内窥镜机器人，形状记忆合会驱动的微 型机器人，外磁场驱动的微型机器人等等。 1 2 1 微型管道机器人国外研究现状 由以色列g i v e n 影像公司生产的“g i v e nm 2 a 胶囊摄像内窥镜，已经等 到了比较广泛的应用，图1 1 为“g i v e nm 2 a ”胶囊摄像内窥镜外观图和结构 图。主要包含摄像头、电池、照明系统、信号发射传输装置等。胶囊内窥镜 借助消化道的蠕动和肠道的收缩来行进。此胶囊摄像内窥镜已进入临场阶段， 并且取得了较好的检查效果，但也存在着一些不如意的地方。比如该胶囊内 窥镜不能进行实时的检查数据传输，而只是在检查结束后取出胶囊内窥镜内 置的存储芯片，将其中的数据输入到电脑中，查看内窥镜在肠道中所拍摄到 的检查过程，因而无法实时在线的观察病人胃肠道内的环境和生理病变，也 不能够调整胶囊内窥镜的运动姿态对重点部位进行检查，还存在胶囊内窥镜 滞留在胃肠道中，不易排出的潜在危险盯。 2 哈尔滨t ：程大学硕七学何论文 0 璧謦豢锈豢 ll 誊 ， 1 毙攀豢 锻兰篡 屯缀嘲蟪睁 挽溅 霸i 电拖 7 麓翳鬈 笺霞缓 图1 1m 2 a 胶囊内镜外观图和结构图 2 0 0 1 年底，日本r f 公司推出了“n o r i k a 3 ”胶囊型无线内窥镜，此胶囊 内窥镜结构如图1 2 所示。它采用超小型的摄像机，胶囊电能的供应是通过 电波来传输的，所拍摄的图像也是使用电波传输到体外的处理中心的，然后 可以通过电脑屏幕观测到胃肠道内的图像，并可以使用打印机把这些图像打 印出来供医生诊断使用p 1 。 n 重囊踵翻e 静k l 瓣 塞。跑残l 踟 3 职栉魄镢 戎，嚷魏锈 为。缀缘饿缓 6 。髓f l 7 墩榉镥 鲵镶纷锯 锐辚够蹴礁 l o ，魄橼臻黪 a t 魄婚龋缱躐 l j k 籀翻峙i 瓣 图1 2n o r i k a 3 胶囊内镜 韩国的b y u n g k y uk i m 等研究人员开发了仿尺蠖型驱动方式，在胶囊的 两端各安装上形状记忆合金，通过改变温度可以控制形状记忆合金的伸缩， 通过有规律的收缩驱动胶囊行进。s u k h op a r k 和h y u n j u np a r k 等研究人员利 用微型电机制作了划桨式的驱动机构，在胶囊内窥镜上安装此驱动装置，当 浆式执行机构位于胶囊内窥镜的前端时，执行装置张开与胃肠道接触，然后 哈尔滨工程大学硕士学位论文 浆式执行机构移动到胶囊内窥镜的后端，通过这种往复式的运动驱动胶囊内 窥镜移动例。 日本东北大学的ms e n d o h 等研究人员提出了采用三轴亥姆霍兹线圈形 成旋转磁场的驱动方式，图1 3 表示了这种胶囊内窥镜的旋转驱动方式，通 过控制加载电流的大小和频率的高低来调整磁场强度大小，方向和旋转速度， 此旋转磁场可以驱动表面带螺旋纹的胶囊内窥镜做旋进式运动。 永磁体 图1 3 - 胶囊内窥镜旋转驱动方式 日本千叶大学的h i d e os a o t o m e 等研究人员采用平行磁场的驱动方式， 如图1 4 所示，此机器人由两个永磁体和连接两永磁体的一对鱼鳍共同组成。 两永磁体磁极相对，用橡胶膜将两鱼鳍连接起来，永磁体能够在鳍上滑动。 外磁场的方向与微执行器的移动方向平行，当磁场为零时，微执行器是直的， 当加载直流电来产生直流磁场时，磁转矩作用于永磁体，产生偏转动作。当 加载交流电产生交流磁场时，此永磁体保持弯曲伸展运动。通过改变偏置磁 场强度、交流磁场的频率来控制执行器速度1 。 图1 4 双n d f e b 驱动器游动微型机器人 日本国立香川大学的郭书祥等研究人员利用仿生学的基本原理，研制了 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鳍形管内泳动式微型机器人，如图1 5 所示。机器人采用苯乙烯材料制作， 并将n d f e b j 、磁柱嵌入到本体中。通过交变磁场控制摆动鳍的频率进而实 现其运动。该机器人的速度可通过频率的大小来控制，而且可进行长距离行 走，但该机器人只能实现单向行走。 图1 5 鳍形游动微型机器人 奥林巴斯医疗系统公司于2 0 0 4 年宣布o l y m p u s 胶囊内窥镜研究取得了 重大突破，其中包括胶囊内窥镜运动的自主控制技术和胶囊内窥镜的基本技 术等。可以利用磁场来控制胶囊内窥镜的自主运动，让待检查人员位于一定 强度的磁场环境当中，通过作用于胶囊内窥镜内置的永磁体来调整胶囊的运 动方向，通过作用于胶囊内窥镜外缠绕的线，利用旋转作用产生推动力使胶 囊内窥镜向前行进，o l y m p u s 胶囊内窥镜及工作原理如图1 6 所示引。 巍嘲嘲蒯 黝嘞黪涨 蝴 图1 6o l y m p u s 胶囊内窥镜及工作原理 德国的k l a u sz i m m e r m a n n 等研究人员研制了靠外磁场驱动的仿蠕虫的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微型机器人。如图1 7 所示，该机器人本体由被磁化的聚合物制成，呈圆柱 形状。机器人靠管道外加的移动磁场驱动，机器人本体会随着磁场的移动在 液体中产生像蠕虫一样的运动状态，其运动方向与磁场的移动方向相反，具 有周期性u 刖。 图1 7 磁化聚合物本体在磁场中移动示意图 1 2 2 微型管道机器人国内研究现状 上海交通大学对胶囊内窥镜的研究较早，进行了很多胶囊内窥镜主动驱 动方面的研究工作，提出了利用蚯蚓爬行运动原理的微型管道机器人，此机 器人可在弯曲、狭小的胃肠道中实现有效控制、实现对人体肠道的诊断。上 海交通大学还利用电磁原理研制了全方位蠕动机器人，此机器人由四个电磁 驱动机构组成，各机构间采用球铰连接。单元体采用线圈结构、通过控制线 圈电流的大小和方向，获得不同大小和方向的电磁驱动力，以实现伸缩运动 n s 】 浙江大学研制的驱动器由微电机构成，如图1 8 所示，把带左螺旋槽的 圆柱与带右螺旋槽的圆柱体通过柔性联轴器连接。当微电机旋转时，带左螺 旋槽的圆柱体与带右螺旋槽的微型电机在转向上相反，由于两者产生的摩擦 力同向，通过轴向摩擦力驱动机器人运动，通过调节电机的转向控制微机器 人的运动方向6 1 7 。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 8 反向螺旋槽旋进式驱动 大连理工大学利用磁致伸缩材料研制了一种以管道外磁场驱动控制行走 的机器人，该机器人系统结构如图1 9 所示，控制器将一定频率的正弦电压 加载在线圈中，产生相同频率的交变磁场，此磁场可以使机器人上的超磁致 伸缩做耦合运动，通过与管壁接触，靠摩擦力实现机器人的行走n 8 1 。 图1 9 机器人系统结构图 清华大学的研究人员研制了无缆式的微型驱动器。如图1 1 0 所示，微驱 动器主要由感应导体、外套管、密封装置、惯性块和弹簧等组成，将驱动器 放置于磁场中，感应导体会发热，通过加热其周围的石蜡使其膨胀，推动活 塞杆快速向外运动。当磁场消失后，石蜡冷却，体积缩小，活塞杆在弹簧的 作用下往回运动。虽然机器人的运动速度不是很快，但是输出力较大，目前 此机器人只能单向运动，运动灵活性受限引。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 倭性袭 支撂奢活塞轩謦瘦哥葬 毫封i b a 凸n d n n n n ，i f。_ 。 一 j 载缀弹簧蠢襄辩奄封套 磊螬舛套警 图1 1 0 石蜡热膨胀微驱动器的微型机器人结构 o m o m 胶囊内镜是金山科技集团研制的拥有完全自主知识产权的一种 新型无创无痛的消化道影像无线检测系统，图1 1 l 为o m o m 胶囊内镜。通 过口服智能胶囊完成胃肠道影像检查，克服了传统的推进式内窥镜体积大， 检测过程痛苦，不适用于老年、纤弱和危险病人等缺陷；具有体积小、重量 轻、检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响受检者正常工作等优 点。“胶囊内镜”是集图象处理、信息通讯、光电工程、生物医学等多学科技 术为一体的典型的微机电系统( m e m s ) 高科技产品，由智能胶囊、图像记 录仪、手持无线监视仪、影像分析处理软件等组成瞄0 1 。 o m o m 胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智能胶囊吞下 后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃_ 十二指肠_ 空肠与回肠_ 结肠_ 直肠的方向运行，同时对所经过的区域进行摄像，并把拍摄的图像以无线传 输的方式发送到体外的图像记录仪并将结果进行存储，o m o m 胶囊内镜在胃 肠道中的工作时间可达到7 小时左右，o m o m 胶囊内镜被服下8 - - - 一7 2 小时后 会排出体外。医疗人员可以根据影像工作站分析图像记录仪所存储的图像信 息来了解胃肠道的生理环境及其病变程度，从而对病情做出诊断“。 图1 1 1o m o m 胶囊内镜 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总体而言，虽然我国在人体消化道内窥镜诊断方面的研究起步较晚，但 随着科技的进步，特别是微型机电系统技术的应用以及研究人员的不断努力， 在此领域已经取得了一些喜人的成果，形成了一股新的研究热潮。 1 3 微型管道机器人所面临的问题 从微型管道机器人的发展过程来看，虽然已经取得了一些成就，但要使 微型管道机器人达到实用化的程度，为人类的发展做出贡献，还有很多关键 的技术需要研究和解决。 ( 1 ) 能源供给问题 要使微型管道机器人在人体中运动，对机器人的体积有很大的限制，而 目前有缆驱动带有引线会给病人造成痛苦，无缆驱动大多以电池供电，电池 会使机器人的体积增大，而且电池在供电过程中如果发生电解液泄露会对人 体造成致命伤害。如何解决微型管道机器人自身的能源问题，变得非常重要。 如何使胶囊在体内有充足的能量供应来执行驱动和检查任务，将成为内窥镜 成功研制的首要因素。 ( 2 ) 定位问题 目前，虽然胶囊内窥镜能够为胃肠道的检查提供便利，但胶囊内窥 镜在体内的空间位置无法得知，无法准确定位。也就是说在进行胃肠道 检查时，医生不能知道胶囊所在的具体位置，这样无法对病变位置进行 重点检查，因此对胶囊内镜准确定位技术的研究非常重要。 ( 3 ) 可控性问题 目前的胶囊内镜系统基本采用胃肠蠕动的方式运动。这种方式的主 要缺点是观察过程不受控制，检查所需时间较长，可能存在检查盲区，胶囊 滞留等问题。开发能够主动驱动的胶囊内窥镜将有重要的研究意义。此外， 胶囊内窥镜自身控制功能的增加也是一个重要的议题，比如可以实施活体检 察、喷药及手术等，只有这样，胶囊内窥镜才能在临床上有更实用的价 值。 ( 4 ) 可靠性问题 胶囊内窥镜研制的最终目标是实现人体胃肠道的检查，可靠性和安全性 相当重要，为了更好的实施控制应该结合虚拟现实技术，在体外通过处理中 9 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 心屏幕显示微管道机器人的运行状态，及时调整运行策略，避免发生嵌顿， 滞留等问题，同时防止机器人与肠道内壁发生大的碰撞，给病人带来痛苦和 不适应。微管道机器人工作的可靠性和安全性是极其重要的，一旦出现事故， 可能导致严重的后果，甚至威胁到人的生命。 1 4 论文研究的主要内容 随着微型机电技术的发展，利用微型管道机器人微创地进入人体内进行 诊断将成为可能。本文以微型管道机器人为平台，研究适用于人体消化道的 微型管道机器人的外磁场驱动方法。提出利用组合线圈来构造较为均匀的梯 度磁场，通过调整加载电流的大小，组合线圈的空间位置变换，管道的平移 来控制梯度磁场的大小与方向，作用于微型管道机器人的内嵌的n d f e b 永 磁体来获取驱动所需要的梯度磁力和磁力转矩，进而实现期望的运动。该磁 场驱动方式有更好的方向性与可控性，如与体内成像技术，虚拟现实技术结 合，可实现虚拟现实技术的体外监控与定位，最终实现微管道机器人在体内 消化道的驱动与控制，为人体肠道的检查带来方便。 本论文主要包括以下方面的内容： ( 1 ) 阐述了本文研究的目的和意义、国内外研究现状、胶囊内窥镜面临 的主要问题。通过对比微型管道机器人的现有驱动方式，可以知道磁场驱动 具有无缆方式，能量供应充足等优点，本文采用外均匀梯度磁场作为微型管 道机器人的驱动磁场。 ( 2 ) 对亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈产生磁场的原理进行了理论分析， 为线圈的设计提供理论依据，对组合线圈产生均匀梯度磁场的作用机理进行 了研究，为组合线圈的设计和微型管道机器人的驱动控制提供依据，通过分 析可知，通过对亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的空间组合和空间位置的变化， 管道的平移，在理论上可以产生所需的梯度磁力和磁转矩驱动微型管道机器 人的自主运动j ( 3 ) 对电磁场仿真分析的理论基础，对有限元分析的基本思想和分析方 法进行阐述，利用有限元仿真软件a n s y s 对所设计的线圈进行了磁场仿真 分析，验证线圈磁场的空间分布，分析磁场的性能，验证微型管道机器人运 动的可行性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 设计了微型管道机器人的本体模型，搭建了微型管道机器人的整体 控制系统，对控制系统的各个组成部分进行研究，对微型管道机器人系统进 行实验设计和分析，了解微型管道机器人的驱动性能。 ， ( 5 ) 对本文的主要工作进行总结得出结论，并针对本文中的不足之处指 出了下一步要做的工作和展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章微型管道机器人的磁场驱动方案分析 本文研究一种依靠组合线圈来产生均匀梯度磁场驱动微型管道机器人运 动的方案。微型管道机器人的驱动主要采用外部组合线圈通电形成的均匀梯 度磁场提供驱动力进行驱动运动的。此组合线圈由亥姆霍兹线圈和麦克斯韦 线圈通过空间组合而成。下面详细介绍亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈的结构 并对磁场产生的原理进行分析。 2 1 磁场对磁介质的作用机理 当磁场所在的空间存在媒介质时，媒介质将与磁场相互作用从而对磁场 产生影响。在讨论媒介质与磁场相互作用时称媒介质为磁介质，磁介质与磁 场的相互作用主要表现为磁场使磁介质磁化，而磁化介质本身又会产生磁场 叠加在原来的磁场上。 物质在外磁场的作用下显示出磁性的现象称为磁化，能够被磁化的物质 称为磁性介质。磁介质的磁化强度和介质材料属性和种类有很大关系。而永 磁体的磁化强度在通常情况下对外磁场的作用变化不是很大，通常定义为常 量来计算。 在外磁场作用下，磁介质会产生磁力f 和磁转矩丁，磁力f 与磁转矩丁 可以表示为对磁介质整个体积的积分怛： f = l ，( mv ) b c t v ( 2 - 1 ) 丁= 工m b d v ( 2 2 ) 凸l 一磁感应强度( 丁或w b m 2 ) 仁介质磁化强度( 彳m ) 卜磁介质所在体积( m 3 ) v 磁场梯度算子 将n d f e b 永磁体嵌入到微型管道机器人本体模型内，利用外磁场的磁 力和磁转矩作用于微型管道机器人本体内嵌的永磁体来实现驱动。若此微型 管道机器人以胶囊内窥镜为平台，由于胶囊内窥镜很小，所以内嵌的小磁体 1 2 哈尔滨_ 二f = ：程火学硕士学位论文 也很小。可以假设整个永磁体内部的磁场强度日呈均匀分布，此时磁感应强 度可替换磁场强度，得出【2 町： f = y ( ) m 驴鲁 叫翻 此时磁力的表达式为：f = 聊 兰 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 则磁化强度初始坐标为： ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 微型管道机器人内嵌的磁体为永磁体，并且体积很小，在通常情况下磁 化强度m 可看作为常量，因此永磁体的受力情况主要和所处的磁场环境有密 切关系。构造出合适的空间磁场分布就可以实现微型管道机器人的驱动和控 制。 一般情况下，外加磁场的梯度随着磁力在空间上作用距离的变化会产生 的急剧变化，微型管道机器人的微小位移也可能造成受力的突变，使得定位、 控制和安全性能恶化。同时磁场的转矩作用也要适当，如果发生磁力转矩的 剧烈变化，驱动过程中会使微型管道机器人受到的较大扭转力，产生不需要 的扭转，导致运动的不可控，影响微型管道机器人的有效运动。 为了避免上述缺点，本文的驱动方法是在微型管道机器人所处的空间范 围内构造出符合实际要求的均匀梯度磁场，使梯度磁场值随微型管道机器人 格 弦 露 8 砂 秒 陬 岛勖岛阽巨 i j b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在磁场中位置的变化趋于平缓，避免作用力发生较大的突变，对胃肠道内膜 造成伤害，同时利用组合线圈产生的磁力转矩来辅助调整微型管道机器人的 运动姿态。用电磁线圈的组合来构造所需均匀梯度磁场，通过调整加载电流 值的大小，得到大小不同的磁场强度值和磁场梯度值。图2 1 表示梯度场下 的微机器人的运动图。 l 小籴纛1 回一f f 黼m 1 l 辫”j 一7 1 r 图2 1 利用磁场梯度力驱动图 均匀梯度磁场下各处场强随其位置发生变化，当受到突然的扰动时，微 管道机器人的位置也会随之改变，所受的磁转矩也会产生变化。如果磁转矩 较大，会使得内嵌永磁体的磁化方向发生改变，使微型管道机器人的运动发 生扭转，又引起了位置的改变，进而使微型管道机器人受力又发生改变，这 个循环的过程会极大地影响微型管道机器人的控制性能。 可以通过调整微型管道机器人所处空间的磁场强度，使得微型管道机器 人在运动的过程中不发生太大的扭转。调整场强有两个不同的目的：一是个 目的是使微型管道机器人始终处于低磁场区域，这样可以避免磁转矩的作用， 使微型管道机器人发生大的转动；另一个目的是直接使场强方向与微型管道 机器人内嵌永磁体的磁化强度方向一致，即利用场强作用直接驱动微管道机 器人运动。适当大小的磁力转矩可以使微型管道机器人的运动稳定并可辅助 调整偏转，这样不但可以避免对胃肠道内壁造成损伤或使人产生疼痛感，还 可以调整微管道机器人的运动方向，便于控制和定点检查。 2 2 两种基本磁场线圈原理分析 驱动微型管道机器人所需的特殊磁场，如均匀的磁场梯度，在空间上可 调的磁场强度等，可以通过线圈的设计与组合来获得。而此组合线圈由亥姆 1 4 卜争多争争 争争争 争多争 多多 卜争 哈尔滨：r 程大学硕十学位论文 霍兹线圈( 即匀场线圈) 和麦克斯韦线圈( 即梯度线圈) 组合形成，因此有必要对 这两种线圈产生均匀磁场和梯度磁场的原理进行分析和介绍。 2 2 1 匀场线圈原理分析 设计产生磁场的线圈为圆形线圈，它的优点是中心轴线上的磁场方向确 定。由于我们在计算时忽略了线圈的厚度及线圈电流密度的不均匀性等不重 要因素，因此在计算时可以将单个驱动线圈当作为多个单一线圈的重叠来进 行计算。如图2 2 所示，下面将以单线圈的计算为例说明磁场的计算方法。 首先介绍一下电磁学的基本定律b i o t s a v a r t 定律p 伽，通过它能计算出电 流产生的磁场强度b 。电流元i d l 激发的磁场在离开它为，处的p 点的磁感应 强度为： 础：笠i d 了l x r ( 2 1 0 ) 4rr，。 整个闭合回路的磁场是个电流源所激发的元磁场如的矢量和。注意矢 量r 从电流元指向p 点。 电流元i d l 在p 点激发的磁感应强度垂直与讲与，所定出的平面并与电 流方向呈右手螺旋的关系。所以拈沿着以刃方向为轴线的圆周的切线方向， 或者说磁感应线是围绕此轴线的同心圆。用右手握住载流导体，拇指伸直代 表电流方向，则弯曲的四指就是指向磁感线的回绕方向p 0 1 。 d l ：y - 一。一一一 r 、 一一 d b 图2 2电流元的磁场 电流元瑚在p 点激发的磁感应强度的量值为： d b ：譬丝掣( 2 - 1 1 ) 4 万 ， 口捌与r 的夹角( 度) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鳓常数，值为4 x x l o 。n a 2 下面求轴线上距离圆心x 远处的点p 的磁感应强度雪，设半径为尺，电 流强度为，磁感应强度云( 如图2 3 ) 的计算方法如下： 矿个冈_ 匆i 逋t a 宫 图2 3 圆电流磁场强度的计算 对磁场强度进行分析时，以中心轴线为x 轴坐标，载流单圆线圈的中心 为0 点，如图所示沿圆弧取一段电流元i d l = l r d o ，d l 至p 点的距离为 ，= r 2 + z 2 ，与万的夹角为万2 ，而不是口。所以，历在p 点所产生的 磁感应强度为： d b = 鲁学= 鲁器x p 4 万r 24 万( r 2 + 。) 、 设讲垂直与磁场所在的平面，则d b 在磁场所在平面内部。抛矢量可以 分解成为平行于x 轴的分量撕，和垂直于x 轴的分量庙。在与历在同一直 径上的电流元历在p 点处产生的磁感强度庙、面上，由磁场所在空间的 对称性可以知道，擅上与扭两矢量方向相反，两磁感强度可以相互抵消。 所以，载流圆线圈在p 点处产生垂直于x 轴的分量值为零，故只存在于平行 x 轴的磁感分量础h 面的计算方法如下： b = 胁= r ”卷器c o s 口 = 雕器x 毒r 2 2 仁 内4 万( 尺2 + 2 1 士y 、 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 譬簿知 2 ( r 2 + x 2 ) 纠2 、 7 方向是沿x 轴的方向，在圆环中心处的磁感应强度为： b ：筹( x _ o ) ( 2 1 6 ) 2 r 、 7、 以上是载流单圆线圈磁感应强度的计算方法。如果忽略一些对结果影响 较小的因素，那么多匝线圈磁感应强度的计算公式如下： b = l 酹n i ( 2 - 1 7 ) 2 ( x 2 + r 2 1 - 、， 当需要在一个较大的空间范围内产生均匀磁场时，通常采用亥姆霍兹线 圈( 简称为亥式线圈，如图2 4 所示) 来产生所需要的匀强磁场。亥姆霍兹线圈 是由两个平面同轴线圈组成，每个线圈有匝，而且其中的电流的加载方向 与图所示方向一致。在一对亥姆霍兹线圈中，两个线圈的间隔距离等于它们 共同的半径酬。 i 图2 4 亥姆霍兹线圈 可以根据b i o t s a v a r