基于旋转磁场的胶囊微机器人驱动方法研究

论文摘要

微型管道机器人具有体积小、响应快、耗能低等特点,采用无缆驱动方式,可提高其可靠性与实用性。无缆驱动的体内医疗微型机器人利用人体天生管腔和液体介质在人体内部行走,以实现诊断、治疗和手术等作业。本文提出了一种胶囊微机器人的无缆外磁场驱动方法。利用亥姆霍兹线圈能够产生均匀磁场的特点,用两组轴线正交的亥姆霍兹线圈生成旋转电磁场,驱动外表面有螺旋结构,内含钕铁硼(NdFeB)永磁体的胶囊微机器人,使其在充满粘性液体的细小管道内运动。首先阐述了微机器人的驱动原理和游动机理,根据磁场矢量叠加原理,给轴线相互正交的两组亥姆霍兹线圈加载两路同频率正余弦电流,可产生定向的旋转磁场,以电流调节的方式提高了磁场驱动的可控性。然后建立线圈磁感应强度的数学模型,研究分析了线圈尺寸及结构参数对磁感应强度变化及功率损耗的影响,为两轴正交线圈的优化设计提供了依据。详细介绍了直接数字频率合成(DDS)技术的工作原理和特点,提出利用单片机控制和DDS技术产生驱动信号的方案。阐述了以单片机AT89S52和AD9854芯片为核心的定向旋转磁场驱动电路设计,可产生两路正余弦电流信号用以驱动两轴亥姆霍兹线圈产生旋转磁场。探讨了用三轴正交亥姆霍兹线圈产生空间万向旋转磁场的方法,发现当各组线圈加载电流的参数满足一定关系时,在线圈位置固定的情况下可实现旋转磁场在空间任意方向上的可调性,并推导了三轴线圈电流的关系式。重点阐述了以DDS芯片AD9959为核心的三轴线圈驱动方案及输出信号的控制方法,为进一步研究微机器人在复杂弯曲环境下的驱动奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型医疗机器人驱动方式的研究现状
• 1.2.1 胃肠蠕动推进式胶囊内窥镜机器人
• 1.2.2 自蠕动式微型机器人
• 1.2.3 无缆外磁场驱动微型机器人
• 1.3 医疗微型机器人研究现状分析
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 胶囊式微机器人的外磁场驱动原理
• 2.1 微机器人的外场驱动方法
• 2.2 旋转驱动磁场的产生原理
• 2.3 微机器人的驱动机理
• 2.4 小结
• 3 亥姆霍兹线圈的电磁场特性
• 3.1 线圈磁场强度分析
• 3.2 亥姆霍兹线圈组的结构及磁场分析
• 3.2.1 线圈组的结构
• 3.2.2 组合线圈空间磁场计算
• 3.3 线圈的功率损耗
• 3.4 小结
• 4 基于DDS的定向旋转磁场驱动方法
• 4.1 DDS技术
• 4.1.1 频率合成概述
• 4.1.2 DDS的工作原理
• 4.1.3 DDS的特点
• 4.2 定向旋转磁场驱动电路
• 4.2.1 AD9854芯片
• 4.2.2 驱动电路硬件结构
• 4.2.3 动信号控制及测试
• 4.3 小结
• 5 万向旋转磁场
• 5.1 胶囊微机器人的驱动环境
• 5.2 空间旋转磁矢量
• 5.3 小结
• 6 万向旋转磁场驱动电路设计
• 6.1 AD9959芯片
• 6.2 驱动电路设计
• 6.2.1 信号发生电路
• 6.2.2 键盘显示电路
• 6.2.3 滤波放大电路
• 6.3 软件设计
• 6.3.1 控制程序的基本结构
• 6.3.2 AD9959的控制
• 6.3.3 输出信号的控制
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢