本實(shí)用新型屬于醫(yī)學(xué)微機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是涉及一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要適用于人體胃腸道疾病的遠(yuǎn)程診療及后續(xù)相關(guān)醫(yī)學(xué)作業(yè)。

(二)

背景技術(shù)：
：

中國(guó)是胃癌大國(guó)，全世界約有35％的胃癌病例發(fā)生在中國(guó)。胃腸道疾病，如出血、腫瘤和潰瘍等是影響人民生命健康的常見(jiàn)病和多發(fā)病，其發(fā)病率和死亡率也相對(duì)較高。傳統(tǒng)內(nèi)鏡檢查過(guò)程中患者痛苦較大，約0.075％的患者會(huì)并發(fā)胃腸穿孔，極少數(shù)患者甚至出現(xiàn)心臟驟停，因而無(wú)法被患者廣泛接受。

醫(yī)用微機(jī)器人是一個(gè)綜合了醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的機(jī)電系統(tǒng)，能夠進(jìn)入人體胃腸道等組織器官，對(duì)相應(yīng)病變位置進(jìn)行觀測(cè)，具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛、檢查方便并且無(wú)術(shù)后并發(fā)癥，術(shù)后恢復(fù)快，住院時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，該研究對(duì)提高人類(lèi)的壽命和生活質(zhì)量，避免外部手術(shù)對(duì)人體造成的創(chuàng)傷甚至致殘具有重要的科學(xué)意義，也必將對(duì)醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。

但是臨床應(yīng)用的醫(yī)用微機(jī)器人是依靠胃腸道的生理蠕動(dòng)力實(shí)現(xiàn)被動(dòng)移動(dòng)的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)加速、停止、后退等運(yùn)動(dòng)形式，限制了其對(duì)胃腸道疾病的全面診療。同時(shí)對(duì)醫(yī)用微機(jī)器人的控制為本地醫(yī)生直接操控，對(duì)操作醫(yī)生的要求高，難以滿(mǎn)足個(gè)性化治療和遠(yuǎn)程醫(yī)療的需要。另外醫(yī)用微機(jī)器人本體上缺乏醫(yī)學(xué)作業(yè)的有關(guān)裝置，功能性單一。最后當(dāng)醫(yī)用微機(jī)器人處于胃腸道環(huán)境中時(shí)，外界無(wú)法精準(zhǔn)確定醫(yī)用微機(jī)器人的位置等信息，在臨床應(yīng)用中存在安全隱患。以上這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了醫(yī)用微機(jī)器人的臨床化。

醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中利用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)醫(yī)用球形微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用球形微機(jī)器人的主動(dòng)、無(wú)線(xiàn)控制，顯著提高了醫(yī)用球形微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和安全性。外磁場(chǎng)產(chǎn)生的控制信號(hào)是通過(guò)上位機(jī)發(fā)送，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。整個(gè)控制系統(tǒng)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)系統(tǒng)在反饋方面的可擴(kuò)展性強(qiáng)，有助于提高控制的精度和對(duì)醫(yī)用球形微機(jī)器人位姿信息的監(jiān)控。醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)胃腸道疾病的診療。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，人機(jī)對(duì)話(huà)機(jī)能強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過(guò)醫(yī)生與患者之間的交流，不僅可以達(dá)到有效治療胃腸道疾病的目的，還可以緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)專(zhuān)業(yè)醫(yī)生不足的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案：一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其特征在于它包括上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元、射頻接收單元、控制信號(hào)發(fā)生單元、狀態(tài)顯示單元和三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元；其中，所述射頻接收單元的輸入端接收上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元輸出的控制信號(hào)，射頻接收單元的輸出端與控制信號(hào)發(fā)生單元連接；所述控制信號(hào)發(fā)生單元可以輸出正弦電流信號(hào)，作為三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的輸入信號(hào)；所述三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元可以產(chǎn)生空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，作為驅(qū)動(dòng)醫(yī)用球形微機(jī)器人的外部驅(qū)動(dòng)源；所述狀態(tài)顯示單元可以實(shí)時(shí)顯示控制信號(hào)發(fā)生單元輸出的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)。

所述上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元是帶S鍵、A鍵和D鍵的鍵盤(pán)；其中，所述S鍵是移位/選位按鍵；所述A鍵是頻率增加按鍵；所述D鍵是頻率減小按鍵；通過(guò)按下不同的鍵可以發(fā)出不同的控制信號(hào)。

所述射頻接收單元由穩(wěn)壓電路和NRF24l01射頻電路構(gòu)成；所述穩(wěn)壓電路輸入端接收5V電壓信號(hào)，輸出端OUT+引腳將電壓穩(wěn)定到3.3V；所述穩(wěn)壓電路的OUT+引腳和OUT-引腳分別與NRF24l01射頻電路的VCC引腳和GND引腳連接，為NRF24l01射頻電路提供有效的工作電源；所述NRF24l01射頻電路的IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE引腳依次與STC89C52RC單片機(jī)的P1^2～P1^7引腳連接。

所述控制信號(hào)發(fā)生單元是由AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路和PA93功率放大電路構(gòu)成，兩者均為常規(guī)電路連接；AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路可以輸出頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的四路正弦電流信號(hào)，并通過(guò)CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、CH3_IOUT、引腳輸出；一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中使用到了CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、引腳輸出的三路正弦電流信號(hào)，并將其依次通入三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸；PA93功率放大電路將AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路輸出的正弦電流信號(hào)放大，其中一路PA93功率放大電路的輸入引腳-IN、+IN分別與AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路的CH0_IOUT、連接。

所述三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元使用的是三軸正交圓形亥姆霍茲線(xiàn)圈系統(tǒng)，所述三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元產(chǎn)生的強(qiáng)度、方向可控的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與醫(yī)用球形微機(jī)器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生磁耦合產(chǎn)生磁力，可以有效實(shí)現(xiàn)醫(yī)用球形微機(jī)器人水平前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

所述狀態(tài)顯示單元由三個(gè)數(shù)碼管、74HC573芯片和74HC138芯片構(gòu)成，其連接為常規(guī)連接；所述74HC573芯片連接STC89C52RC單片機(jī)的P0口與數(shù)碼管引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的段選操作；利用74HC138芯片連接STC89C52RC單片機(jī)的P2^0，P2^1，P2^2與數(shù)碼管引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的位選控制；三個(gè)數(shù)碼管依次顯示的是控制信號(hào)發(fā)生單元輸出的三路正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)，即作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)。

本實(shí)用新型的工作方法：

(1)患者口服下醫(yī)用球形微機(jī)器人，在胃腸道生理蠕動(dòng)的作用下，醫(yī)用球形微機(jī)器人到達(dá)三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元所作用的控制范圍內(nèi)。

(2)醫(yī)生根據(jù)事先推導(dǎo)的控制信號(hào)發(fā)生單元輸出的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)與三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元產(chǎn)生的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的S、A、D三個(gè)按鍵對(duì)控制信號(hào)發(fā)生單元輸出的三路正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)，即作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其中S鍵，代表shift，實(shí)現(xiàn)移位/選位功能；A鍵，代表add，實(shí)現(xiàn)頻率增加功能；D鍵，代表decrease，實(shí)現(xiàn)頻率減小功能。

(3)操作時(shí)，醫(yī)生首先按下上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的S鍵來(lái)選擇要改變的是作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸或Y軸或Z軸，哪一軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)，默認(rèn)選擇的是要改變作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)，按一次上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的S鍵，就選擇了三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的Y軸，再按一次，就選擇了三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的Z軸，如果此后再按下上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的S鍵就會(huì)重復(fù)上述選擇過(guò)程。

(4)當(dāng)醫(yī)生完成了上述選擇過(guò)程，以選擇了三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸為例，此時(shí)按下上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的A鍵或D鍵，將改變作用于三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)，每按一次上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的A鍵，作用于三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)增加一個(gè)單位量度1，每按一次上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的D鍵，作用于三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)減小一個(gè)單位量度1；在此過(guò)程中，醫(yī)生仍可以隨時(shí)按下上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的S鍵來(lái)重新選擇要改變的是作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸或Y軸或Z軸，哪一軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)。

(5)狀態(tài)顯示單元的三個(gè)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)顯示的是作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)的數(shù)值，同時(shí)通過(guò)上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元的S鍵選定的三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的某軸對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管將呈現(xiàn)高亮顯示；其中利用74HC573芯片連接主控制器的P0口與數(shù)碼管引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的段選操作；利用74HC138芯片連接主控制器P2^0，P2^1，P2^2與數(shù)碼管引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的位選控制。

(6)上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元發(fā)送的控制信號(hào)通過(guò)射頻向外傳輸，被射頻接收單元接收，進(jìn)一步使控制信號(hào)發(fā)生單元輸出滿(mǎn)足要求的三路正弦電流信號(hào)，并將其依次通入三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸，以產(chǎn)生強(qiáng)度、方向可控的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與醫(yī)用球形微機(jī)器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生耦合產(chǎn)生磁力，有效實(shí)現(xiàn)醫(yī)用球形微機(jī)器人水平前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)用新型的工作原理：NRF24l01射頻電路可以軟件設(shè)地址，硬件連接簡(jiǎn)單，編程也非常方便，利用USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)，方便實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過(guò)與上位機(jī)的地址匹配接收來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)，使用的地址是{0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF}。

基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路，在參考時(shí)鐘脈沖的控制下，經(jīng)過(guò)相位累加器、存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器可以輸出頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的四路正弦電流信號(hào)，是三軸正交圓形亥姆霍茲線(xiàn)圈的最佳驅(qū)動(dòng)源之一。

三軸正交圓形亥姆霍茲線(xiàn)圈系統(tǒng)，當(dāng)向其中通入頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的三路正弦電流信號(hào)時(shí)，它可以在中央一定區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)三路正弦電流的頻率可以得到沿空間任意方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三軸正交圓形亥姆霍茲線(xiàn)圈系統(tǒng)產(chǎn)生的外磁場(chǎng)與醫(yī)用球形微機(jī)器人內(nèi)嵌的永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的磁力可以有效地驅(qū)動(dòng)醫(yī)用球形微機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式，如水平前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)用新型的優(yōu)越性在于：(1)實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的醫(yī)用球形微機(jī)器人的上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用球形微機(jī)器人的主動(dòng)、無(wú)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，提高了醫(yī)用球形微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性，增強(qiáng)了系統(tǒng)臨床化應(yīng)用的潛能，遠(yuǎn)程控制主要用于緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)專(zhuān)業(yè)醫(yī)生不足的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)還可以降低輻射對(duì)操作醫(yī)生造成的潛在威脅；(2)本控制系統(tǒng)的成本低、攜帶方便，便于大規(guī)模生產(chǎn)；(3)本控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，在上位機(jī)發(fā)送上，可以設(shè)置更多的按鍵指令來(lái)控制醫(yī)用球形微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式。

(四)附圖說(shuō)明：

圖1為本實(shí)用新型所涉一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本實(shí)用新型所涉一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中射頻接收單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型所涉一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路的電路結(jié)構(gòu)意圖。

圖4為本實(shí)用新型所涉一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中PA93功率放大電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實(shí)用新型所涉一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實(shí)用新型所涉一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中狀態(tài)顯示單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

(五)具體實(shí)施方式：

實(shí)施例：一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，其特征在于它包括上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元、射頻接收單元、控制信號(hào)發(fā)生單元、狀態(tài)顯示單元和三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元；其中，所述射頻接收單元的輸入端接收上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元輸出的控制信號(hào)，射頻接收單元的輸出端與控制信號(hào)發(fā)生單元連接；所述控制信號(hào)發(fā)生單元可以輸出正弦電流信號(hào)，作為三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的輸入信號(hào)；所述三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元可以產(chǎn)生空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，作為驅(qū)動(dòng)醫(yī)用球形微機(jī)器人的外部驅(qū)動(dòng)源；所述狀態(tài)顯示單元可以實(shí)時(shí)顯示控制信號(hào)發(fā)生單元輸出的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)。

所述上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)送單元(見(jiàn)圖1)是帶S鍵、A鍵和D鍵的鍵盤(pán)；其中，所述S鍵是移位/選位按鍵；所述A鍵是頻率增加按鍵；所述D鍵是頻率減小按鍵；通過(guò)按下不同的鍵可以發(fā)出不同的控制信號(hào)。

所述射頻接收單元(見(jiàn)圖2)由穩(wěn)壓電路和NRF24l01射頻電路構(gòu)成；所述穩(wěn)壓電路輸入端接收5V電壓信號(hào)，輸出端OUT+引腳將電壓穩(wěn)定到3.3V；所述穩(wěn)壓電路的OUT+引腳和OUT-引腳分別與NRF24l01射頻電路的VCC引腳和GND引腳連接，為NRF24l01射頻電路提供有效的工作電源；所述NRF24l01射頻電路的IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE引腳依次與STC89C52RC單片機(jī)的P1^2～P1^7引腳連接。

所述控制信號(hào)發(fā)生單元是由AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路(見(jiàn)圖3)和PA93功率放大電路(見(jiàn)圖4)構(gòu)成，兩者均為常規(guī)電路連接；AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路可以輸出頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的四路正弦電流信號(hào)，并通過(guò)CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、CH3_IOUT、引腳輸出；一種醫(yī)用球形微機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中使用到了CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、引腳輸出的三路正弦電流信號(hào)，并將其依次通入三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸(見(jiàn)圖1)；PA93功率放大電路將AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路輸出的正弦電流信號(hào)放大，其中一路PA93功率放大電路的輸入引腳-IN、+IN分別與AD9959正弦信號(hào)發(fā)生電路的CH0_IOUT、連接。

所述三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元(見(jiàn)圖5)使用的是三軸正交圓形亥姆霍茲線(xiàn)圈系統(tǒng)，所述三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元產(chǎn)生的強(qiáng)度、方向可控的空間萬(wàn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與醫(yī)用球形微機(jī)器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生磁耦合產(chǎn)生磁力，可以有效實(shí)現(xiàn)醫(yī)用球形微機(jī)器人水平前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

所述狀態(tài)顯示單元(見(jiàn)圖6)由三個(gè)數(shù)碼管、74HC573芯片和74HC138芯片構(gòu)成，其連接為常規(guī)連接；所述74HC573芯片連接STC89C52RC單片機(jī)的P0口與數(shù)碼管引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的段選操作；利用74HC138芯片連接STC89C52RC單片機(jī)的P2^0，P2^1，P2^2與數(shù)碼管引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的位選控制；三個(gè)數(shù)碼管依次顯示的是控制信號(hào)發(fā)生單元輸出的三路正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)，即作用在三軸外磁場(chǎng)發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號(hào)的頻率參數(shù)。