專利名稱：外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)及其控制方法與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微機器人的磁場控制技術，特別涉及一種外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)及其控制方法與應用。
背景技術：
目前體內微機器人的無線驅動方法驅動主要可以分為感應耦合方法、電磁波以及磁場方法。其中，感應耦合方法是根據麥克斯韋(Maxwell)電磁場原理，通過松耦合變壓器的初級線圈和次級線圈之間的電磁感應來傳遞能量的；電磁波方法是在體外電磁波發(fā)射源發(fā)射的電磁波通過體內微機器人設置的接收線圈轉化成為電能驅動微機器人運動。上述兩者適用于遠距離能量傳輸，前者能夠傳輸較大功率的能量，后者傳輸能量較??；但是兩者都存在效率低的缺點，而且能量轉化裝置都比較復雜。磁場方式是通過體外的磁場發(fā)生裝置產生需要的磁場驅動體內微機器人運動；外部恒穩(wěn)磁場對于人體幾乎沒有傷害，已逐漸應用于體內膠囊的驅動，利用組合線圈可以在其內部區(qū)域得到均勻的磁場強度或均勻變化的場強梯度。M.Sendoh、Ishiyama等人使用正交的三軸亥姆霍茲線圈通電在其線圈內部合成一個旋轉的磁場，研制了用于膠囊內窺鏡的電磁驅動器；簡曉云則提出使用亥姆霍茲線圈以及麥克斯韋對的組合線圈形成具有強度梯度的磁場直接驅動膠囊內窺鏡。從驅動原理來看，這種組合電磁線圈的方法一個要求是，微機器人或微膠囊一定處于線圈內部?？紤]到微機器人或微膠囊微機電系統(tǒng)應用于人體診療，如果線圈固定且其產生的磁場能夠人體的整個腹部，則導致線圈的體積龐大，而體積增大會導致產生一定磁場強度需要的電流快速增大，同時直流電磁線圈的發(fā)熱將消耗一大部分能量，并且磁場發(fā)生裝置都很復雜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的缺點及不足，提供一種結構簡單、合理，易于操作，效率高的外磁場控制微機器人運動及位姿的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述系統(tǒng)實現的簡單、實用，能耗少，控制精度高的外磁場控制微機器人運動及位姿的方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)的應用。
本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現一種外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，包括磁場發(fā)生裝置、微機器人，磁場發(fā)生裝置與微機器人通過磁場作用無線連接，其特征在于所述磁場發(fā)生裝置為永磁體圓周陣列，所述永磁體圓周陣列包括多個永磁體，每個永磁體處于各自不同的初始位置和角度并繞自身中心在陣列平面內以相同速度旋轉，從而在陣列中心點產生一個旋轉磁場；該旋轉磁場強度大小恒定，旋轉速度等于永磁體的自轉速度；所述微機器人包括膠囊狀基體，在膠囊狀基體的圓柱段上附著兩個磁性相對的永磁片，所述兩個永磁片使微機器人產生一個磁矩。
所述微機器人的膠囊狀基體圓柱段的表面為螺旋表面。
所述微機器人的膠囊狀基體圓柱段的永磁片為片狀、條狀、瓦狀或其他形狀。
所述永磁體可為圓柱體、長方體或者多面柱體等形狀。
所述永磁體圓周陣列由多個永磁體的體積中心點沿圓周陣列，并且每個永磁體按照排列要求轉到各自相應的初始角度。
所述永磁體的數量可為2個或2個以上，數量越多形成的旋轉磁場越均勻，在實際使用中根據需要確定永磁體的數量。
一種由上述系統(tǒng)實現的外磁場控制微機器人運動及位姿的方法，包括下述步驟1、將n個永磁體沿圓周方面陣列排列布置，形成永磁體圓周陣列，具體步驟為——(1)建立固定的全局坐標系YOZ，以及隨永磁體轉動的局部坐標系YiOiZi(i＝1，2，…，n)，局部坐標系正向Zi為永磁體磁化方向，原點Oi為永磁體體積中心點。
(2)將局部坐標系Y1O1Z1原點O1固定在全局坐標系下點(rp，0)，并以其為基點將所有圓柱永磁體繞O點沿圓周正向(逆時針)均勻布置。永磁體的中心點均在半徑為rp的圓周上，相鄰永磁體中心點對應的圓心角為360°/n。
(3)旋轉每個永磁體到對應位置；依次旋轉局部坐標系YiOiZi使其相對于全局坐標系YOZ的轉角依次為720°*(i-1)/n(i＝1，2，...，n)；這樣在陣列中心區(qū)域，得到一個強度非常均勻的磁場，其轉動速度等于陣列永磁體的轉動速度。
2、制備微機器人采用膠囊狀基體，在膠囊狀基體的圓柱段上附上兩個磁性相對的片狀或條狀的永磁片，使微機器人具有一個磁矩；具體的附上工藝可采取過盈鑲嵌或黏著等方法；另外，將膠囊狀基體的圓柱段表面處理成螺旋表面，便于其與周圍接觸物(如人體內組織——腸道、血管等或人體內粘性體液等)旋轉接觸時產生軸向運動。
3、將微機器人置于永磁體圓周陣列中，主動控制微機器人的運動以及位姿。
微機器人的位姿指在某個坐標系中(如全局坐標系中)，微機器人體上某點(通常指微機器人的體積中心點、形狀中心點等特殊點)在空間位置(3個獨立參數)，以及微機器人體相對于坐標系的角度(2個獨立參數)，由5個獨立參數共同決定。
將永磁體陣列調整好后，將微機器人置于永磁體圓周陣列中，微機器人內磁矩與永磁體圓周陣列平面重合，且微機器人內磁矩中心點與陣列中心點重合。需要擺動微機器人，即調整其相對于坐標系的角度時，通過同時調整陣列表面的三個點，使得陣列平面繞陣列中心點擺動，此時處于陣列中心點的微機器人隨著陣列平面一起擺動。這樣就可以調整微機器人前進的方向，也實現了微機器人在原點的擺動。當微機器人在管道中，特別是在生物管道中時，需要驅動微機器人旋轉前進時，同時驅動每個陣列永磁體分別以相同的速度同步自轉，永磁體圓周陣列產生的旋轉磁場形成一個大小恒定的轉動力矩作用于微機器人(永磁體圓周陣列中心正對微機器人磁矩中心)，使其繞自身軸線轉動，同時通過螺旋表面與周圍接觸物(如人體內組織——腸道、血管或人體內粘性體液等)的接觸作用實現微機器人的運動。通過改變外部永磁體的旋轉速度可以改變微機器人的行進速度。這樣就分別實現了微機器人兩種運動形式，在實際使用中，也可以將兩種控制方法結合同時對微機器人進行，實現微機器人沿著曲線運動，在運動中擺動等運動形式。在運動過程中，微機器人是隨旋轉磁場轉動而轉動的，當外部永磁體停止轉動時，旋轉磁場停留的角度為微機器人停留的轉動相位角。
本發(fā)明提供的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)可應用于無線能量傳輸，無纜微機器人在微小管道中行進，特別適合于在生物管道中行進和運動姿態(tài)調整。
本發(fā)明提供的外磁場控制微機器人運動和位姿系統(tǒng)可應用于許多微型醫(yī)療器械的載體，實現微創(chuàng)醫(yī)療的目的。一些具體的應用可能包括，但不限制于此1、作為無線膠囊內窺鏡的載體。目前應用于臨床的膠囊內窺鏡可以觀察到人體整個消化道，同時對患者幾乎不產生任何痛苦。但是由于其沒有驅動系統(tǒng)，完全依靠消化道蠕動推進其前進，只能對消化道實現一次圖像采樣。采用本發(fā)明的驅動系統(tǒng)后，可以實現其對消化道的多次重復多角度觀測，可大大提高對于消化道病灶的診斷準確度。2、作為無線診療給藥機構和取樣機構(切割下小塊病灶部位的組織到體外化驗，以及提取病灶部位的組織體液等)的載體。承載無線診療給藥機構和取樣機構到達需要病灶部位，調整到合適給藥和取樣角度，完成消化道等生物管道的給藥和取樣。3、進行微型手術。在本機器人上安裝一些微型手術器械，可以在體內直接進行手術治療，清理生物管道，去除對于人體有害的物質。
本發(fā)明相對現有技術具有如下的優(yōu)點及效果1、結構簡單、合理，能耗少本發(fā)明的結構包括永磁體圓周陣列及微機器人，所述永磁體圓周陣列僅由永磁體排列構成，所述微機器人主要由膠囊狀基體及附于其上兩個磁性相對的永磁片構成，所以本發(fā)明的結構非常簡單，完全消除了采用線圈產生磁場引起的設備體積過于龐大及其引起的其他缺點，除控制需要能量外，幾乎不需要能量供給，能量利用率高，并可節(jié)約能源。
2、操作方便、控制容易(1)本發(fā)明非常容易調整外部旋轉磁場的大小，從而非常容易調整微機器人受到的主動轉矩；永磁體性質確定后，通過陣列永磁體數量的增減以及陣列圓周大小的變化非常容易得到需要的旋轉磁場強度，從而得到微機器人受到的主動轉矩。理論及實驗證明，在陣列數量大于一定數量時，磁場強度與陣列數量的線性度非常高。(2)本發(fā)明非常容易控制微機器人在體內的運動速度；在其他參數都確定的情況下，只需要調整陣列永磁體的自轉速度即可控制微機器人在體內的行進速度。(3)本發(fā)明非常容易控制微機器人在體內運動時的轉向；因為微機器人的實時運動方向垂直于陣列平面，所以在保持陣列中心點與微機器人內部磁矩中心重合的條件下，只需要轉動陣列平面既可以調整微機器人的運動方向。(4)本發(fā)明非常容易控制微機器人的行進方向；如果永磁體沿某個方向轉動，微機器人向前運動，則永磁體反向旋轉，微機器人向后運動。(5)本發(fā)明非常容易調整微機器人的轉動方位角；微機器人在管道中是隨旋轉磁場同步轉動的，而旋轉磁場轉動角度由體外永磁體的轉動角度控制，所以通過體外永磁體可以非常容易控制微機器人的轉動角，即微機器人可以繞其中軸線轉動并停留在任意角度。
3、應用范圍較廣；本發(fā)明可應用于許多微型醫(yī)療器械的載體，實現微創(chuàng)醫(yī)療的目的，還可應用于無線能量傳輸等技術領域。


圖1是本發(fā)明以6個永磁體圓周陣列為例的旋轉磁場產生原理圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的微機器人的結構示意圖。
圖中1、微機器人執(zhí)行件；2、片狀、條狀或瓦狀永磁體；3、微機器人螺旋表面圖3是圖2所示微機器人的外觀圖。
圖4是圖1所示陣列永磁體磁化方向、陣列平面以及永磁體自轉中心三者關系示意圖。
圖5是圖2所示微機器人在陣列平面內擺動和轉向原理示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例圖1～圖3示出了本發(fā)明的一種具體結構。本發(fā)明外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)包括磁場發(fā)生裝置、微機器人，所述磁場發(fā)生裝置與微機器人通過磁場進行無線能量傳輸，所述磁場發(fā)生裝置為永磁體圓周陣列，所述永磁體圓周陣列包括6個圓柱形永磁體，如圖1所示，每個永磁體繞自身中心在陣列平面內以相同速度旋轉，從而在陣列中心點產生一個旋轉磁場。該旋轉磁場強度大小恒定，旋轉速度等于永磁體的自轉速度。圖1中O點處黑體箭頭表示圓柱形永磁體，其箭頭方向為中軸線上磁力線方向。所述微機器人包括膠囊狀基體1，如圖2所示，在膠囊狀基體1的圓柱段上附著兩個磁性相對的瓦狀永磁片2，所述兩個永磁片2使微機器人產生一個磁矩；所述微機器人的膠囊狀基體1圓柱段的表面處理成螺旋表面3，如圖3所示，便于其與周圍接觸物(如人體內組織——腸道、血管或人體內粘性體液等)旋轉接觸時產生軸向運動。
由上述系統(tǒng)實現的外磁場控制微機器人運動及位姿的方法，包括下述步驟1、將6個永磁體沿圓周方面陣列排列布置，形成永磁體圓周陣列，具體操作步驟為——(1)建立固定的全局坐標系YOZ，以及隨永磁體轉動的局部坐標系YiOiZi(i＝1，2，...，6)，局部坐標系正向Zi為永磁體內部磁化方向，原點Oi為永磁體體積中心點。
(2)將局部坐標系Y1O1Z1原點O1固定在全局坐標系下點(rp，0)，并以其為基點將所有圓柱永磁體繞O點沿圓周正向(逆時針)均勻布置。永磁體的中心點均在半徑為rp的圓周上，相鄰永磁體中心點對應的圓心角為60°。
(3)旋轉每個永磁體到對應位置；依次旋轉局部坐標系使其相對于全局坐標系的轉角依次為0°，120°，240°，360°，480°，600°，；這樣在陣列中心區(qū)域，得到一個強度非常均勻的磁場，其轉動速度等于陣列永磁體的轉動速度。
2、制備微機器人如采用膠囊狀基體，在膠囊狀基體的圓柱段上附上兩個磁性相對的瓦狀永磁片，使微機器人具有一個磁矩；另外，將膠囊狀基體的圓柱段表面加工成螺旋表面，便于其與周圍接觸物(如人體內組織——腸道、血管或人體內粘性體液等)旋轉接觸時產生軸向運動。
3、將永磁體陣列調整好后，將微機器人置于永磁體圓周陣列中，微機器人內磁矩與永磁體圓周陣列平面重合。需要擺動微機器人，即調整其相對于坐標系的角度時，通過同時調整陣列圓周上的三個點，使得陣列平面繞陣列中心點擺動，此時處于陣列中心點的微機器人隨著陣列平面一起擺動。這樣就可以調整微機器人前進的方向，也實現了微機器人在原點的擺動。如圖5所示，圖中黑色箭頭為微機器人中軸線方向，即其行進方向，橢圓為永磁體陣列圓周，微機器人的軸線方向及其位姿和運動方向隨著外部陣列圓周的擺動而擺動。當微機器人在管道中，特別是在生物管道中時，需要驅動微機器人旋轉前進時，同時驅動每個陣列永磁體分別同步自轉。圖4是陣列永磁體磁化方向、陣列平面以及永磁體自轉中心三者關系示意圖。永磁體圓周陣列產生的旋轉磁場形成一個大小恒定的轉動力矩作用于微機器人(永磁體圓周陣列中心正對微機器人磁矩中心)，使其繞自身軸線轉動，同時通過螺旋表面與周圍接觸物(如人體內組織——腸道、血管等)的接觸作用實現微機器人的運動。這樣就分別實現了微機器人兩種運動形式，在實際使用中，也可以將兩種控制方法結合同時對微機器人進行，實現微機器人沿著曲線運動，在運動中擺動等運動形式。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，包括磁場發(fā)生裝置、微機器人，磁場發(fā)生裝置與微機器人通過磁場作用無線連接，其特征在于所述磁場發(fā)生裝置為永磁體圓周陣列，所述永磁體圓周陣列包括多個永磁體，每個永磁體繞自身中心在陣列平面內旋轉，在陣列中心點產生旋轉磁場；所述微機器人包括膠囊狀基體，在膠囊狀基體的圓柱段上附著兩個磁性相對的永磁片，所述兩個永磁片使微機器人產生一個磁矩。
2.根據權利要求1所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，其特征在于所述微機器人的膠囊狀基體圓柱段的表面設置為螺旋表面。
3.根據權利要求1所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，其特征在于所述微機器人的膠囊狀基體圓柱段的永磁片為片狀、條狀或瓦狀。
4.根據權利要求1所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，其特征在于所述兩個磁性相對的永磁附著于膠囊狀基體的圓柱段的方式為過盈鑲嵌或黏著的方法。
5.根據權利要求1所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，其特征在于所述永磁體為圓柱體、長方體或者多面柱體形狀。
6.根據權利要求1所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，其特征在于所述永磁體圓周陣列由多個永磁體的體積中心點沿圓周陣列，并且每個永磁體按照排列要求轉到相應的初始角度。
7.根據權利要求1所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)，其特征在于所述永磁體的數量可為2個或2個以上。
8.一種由權利要求1～7任一項所述系統(tǒng)實現的外磁場控制微機器人運動及位姿的方法，包括下述步驟(1)將n個永磁體沿圓周方面陣列排列布置，形成永磁體圓周陣列，具體步驟為——(A)建立固定的全局坐標系YOZ，以及隨永磁體轉動的局部坐標系YiOiZi(i＝1，2，...，n)，局部坐標系正向Zi為永磁體內部磁感應強度方向，原點Oi為永磁體體積中心點；(B)將局部坐標系Y1O1Z1原點O1固定在全局坐標系下點(rp，0)，并以其為基點將所有圓柱永磁體繞O點沿圓周均勻布置；永磁體的中心點均在半徑為rp的圓周上，相鄰永磁體中心點對應的圓心角為360°/n；(C)旋轉每個永磁體到對應位置；依次旋轉局部坐標系使其相對于全局坐標系的轉角依次為720°*(i-1)/n(i＝1，2，...，n)；這樣在陣列中心區(qū)域，得到一個強度非常均勻的磁場，其轉動速度等于陣列永磁體的轉動速度；(2)制備微機器人采用膠囊狀基體，在膠囊狀基體的圓柱段上附上兩個磁性相對的片狀或條狀的永磁片，使微機器人具有一個磁矩；另外，將膠囊狀基體的圓柱段表面處理成螺旋表面，便于其與周圍接觸物旋轉接觸時產生軸向運動；(3)將微機器人置于永磁體圓周陣列中心，微機器人內磁矩與永磁體圓周陣列平面重合；需要調整微機器人位姿時，調整永磁體圓周陣列平面與微機器人磁矩呈一定角度，實現微機器人載體內的運動方向的調整；同時，永磁體圓周陣列產生的旋轉磁場形成一個大小恒定的轉動力矩作用于微機器人，使其繞自身軸線轉動，同時通過螺旋表面與周圍接觸物的接觸作用實現微機器人的運動。
9.根據權利要求1～7任一項所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)的應用，其特征在于應用于無線能量傳輸。
10.根據權利要求1～7任一項所述的外磁場控制微機器人運動及位姿系統(tǒng)的應用，其特征在于應用于微型醫(yī)療器械的載體。
全文摘要
一種外磁場控制微機器人運動及位姿的系統(tǒng)，包括磁場發(fā)生裝置、微機器人，所述磁場發(fā)生裝置為永磁體圓周陣列，所述永磁體圓周陣列包括多個永磁體，各自繞自身中心在陣列平面內同步旋轉；所述微機器人呈螺旋表面膠囊狀其圓柱段附著兩個磁性相對的永磁片，使微機器人產生一個磁矩。一種由前述系統(tǒng)實現的控制方法，包括下述步驟將n個永磁體沿圓周按規(guī)則陣列；制備微機器人；將微機器人置于永磁體圓周陣列中，其內磁矩與圓周陣列平面重合；永磁體同步自轉驅動微機器人在生物管道中行進，可停留在任意轉動方位角，陣列平面繞陣列中心點擺動可控制微機器人擺動和改變行進方向。本發(fā)明結構簡單、合理，能耗少，操作方便，控制容易，應用范圍廣。
文檔編號A61B1/00GK1944003SQ20061012279
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權日2006年10月17日
發(fā)明者黃平, 張煒, 陳英俊, 劉修泉 申請人:華南理工大學