體內醫療微型機器人萬向旋轉磁場驅動控制方法

2023-05-03 20:07:01

專利名稱：體內醫療微型機器人萬向旋轉磁場驅動控制方法
技術領域：
本發明屬於醫學工程技術領域，涉及一種分別向三軸正交嵌套的亥姆霍茲 線圈裝置施加以機器人軸線方位角為輸入變量的相關幅值和相位的同頻率正弦 諧波驅動電流，在三軸相互正交嵌套的亥姆霍茲線圈裝置包圍的一定空間內疊 加形成旋轉軸線與機器人軸線一致的萬向旋轉磁場，通過方位角的改變，可實 現內嵌徑向磁化釹鐵硼磁體螺旋旋進醫療微型機器人沿體內任意方向驅動行走 的基本方法。
技術背景體內醫療微機器人的作業環境是體內的腸道、泌尿系統、血管等，其管狀 柔彈性壁環境組織內形複雜，蜿蜒曲折，空間狹小，複雜非結構化的流體環境 給微機器人的主動控制和操作帶來了很大難度。為了不對柔彈性軟組織造成創 傷和進入體內深處，要求微機器人以無電纜驅動方式，通過遊動可靠的進入和 退出體內深處，並能安全精細地實現診斷、介入治療等作業。體內醫療機器人 無纜驅動技術對提高人類壽命與生活質量，避免外部手術對人體造成創傷甚至 致殘具有重要的科學意義，能減輕患者痛苦，縮短康復時間，條低醫療費用， 必將對醫學工程的發展產生極大的影響。無纜驅動方式可顯著提高體內機器人在複雜環境內的通過性、安全性與可靠性，因此微機器人無纜驅動己經成為國際上的主要發展趨勢。日本K. Ishiyama 等人提出了利用三軸亥姆霍茲線圈提供空間旋轉磁場，作用於膠囊內嵌徑向磁 化釹鐵硼磁體，在膠囊表面螺紋作用下旋進驅動的技術方案，但對如何產生空間旋轉磁場並沒有介紹，目前還處於保密狀態。該驅動方法要求外旋轉磁場的 旋轉軸線與機器人的軸線重合，才能有效的驅動機器人旋進行走，因此在彎曲 環境內，要求外旋轉磁場的軸線可以任意調整，以保證在彎曲柔彈性管內外旋 轉磁場的旋轉軸線始終與機器人的軸線一致，才能實現體內彎曲環境內的驅動。 目前尚未見到關於研究機器人在柔彈性彎曲環境內驅動方法的報導。中國科學 院合肥智能機械研究所提出用梯度線圈軸向拉動膠囊機器人在腸道內移動的技 術方案，該方式仍然屬於有損傷式驅動，容易拉傷腸道，此外該方案要調整病 床與磁場系統的相對位置，給患者帶來了不適感。毋庸置疑萬向外旋轉磁場無 損傷旋進驅動方式更具有實用前景。人體軟組織環境蜿蜒曲折，為了適應彎曲環境內的驅動，研究能根據彎曲 環境的具體情況進行旋轉軸線可任意調整的萬向旋轉磁場的驅動方法，研製基 於該驅動方法的萬向旋轉磁場發生裝置是問題的關鍵。這樣才能根據柔彈性管 道的彎曲情況進行調整，使萬向旋轉磁場的旋轉軸線與機器人的軸線方向一致， 實現體內複雜彎曲環境內的驅動。美國專利文獻提出一種提供高頻旋轉磁場的方法和裝置，將位相相差90度的交變電流分別送入兩個正交的亥姆霍茲線圈中， 便產生了旋轉磁場。下面結合附圖2，說明兩軸正交亥姆霍茲線圈產生旋轉磁場的原理。當分 別向兩軸正交亥姆霍茲線圈通入相同頻率和相位差為90°的正弦諧波電流時， 兩組線圈會產生相同頻率、相位差為90。的正弦諧波交流磁場。採用感抗相同 的兩組正交亥姆霍茲線圈，產生的諧波磁場的磁感應強度幅值相同，則兩軸磁 場分量疊加後產生的磁場矢量是方向隨時間變化的旋轉磁場。 兩軸正交亥姆霍茲線圈磁場矢量疊加後產生的旋轉磁場如下B。 (■) 二 5。 cos ^ + Z' J5Q sin W其中，S。為旋轉磁場磁感應強度的幅值，W為旋轉磁場的角速度， 5。 cos紐為/時刻x軸線圈磁場的磁感應強度，& sin紐為f時刻少軸線圈磁場的磁 感應強度。向兩線圈施加的諧波驅動電流分別為其中，/。為向兩組正交亥姆霍茲線圈中通入的交變電流的幅值，^為施加交 變電流的角速度，施加交變電流的頻率為/ = 1。通過調節加載諧波電流的頻率可以控制磁場的旋轉速度，通過改變加載諧 波電流的幅值可以控制磁感應強度的大小。另一個美國專利文獻提出三對軸線互相正交的亥姆霍茲線圈嵌套成的組合 陣列，分別驅動每對亥姆霍茲線圈，可實現三個垂直方向的消磁。經檢索尚未 發現三軸正交亥姆霍茲線圈嵌套組產生空間萬向旋轉磁場的相關研究文獻。綜上所述，空間萬向旋轉磁場驅動技術是體內微型機器人在彎曲環境內驅 動和實用化的關鍵技術。目前，尚未有人提出體內機器人基於萬向旋轉磁場的 驅動技術方案與實現途徑，該技術實用前景廣闊， 一旦取得突破，可以在體外 施加萬向旋轉磁場驅動內嵌徑向磁化釹鐵硼磁體的體內微型螺旋驅動機器人。 螺旋肋機器人特別適合大粘度液體內的驅動，通過螺旋肋與體內軟組織可形成 一層動壓薄保護膜，進行無損傷驅動，使基於萬向旋轉磁場主動控制的體內無 創窺視診斷、介入治療的夢想變成現實。本發明的目的是提供一種產生空間萬向旋轉磁場的驅動方法與具體操作途 徑，以實現內嵌釹鐵硼內驅動器螺旋無損傷醫療微型機器人在體內彎曲複雜環 境內的全方位驅動行走與姿態控制。/x 二 /0. cos 0/ = /0. sin— + 90。) /，， 二 /。
sina^發明內容本發明的技術方案是將三組軸線相互正交的亥姆霍茲線圈嵌套在一起，構成三軸正交嵌套亥姆 霍茲線圈磁場疊加裝置(C),其空間區域包圍病床(b)與患者(a)軀幹部分，由 外驅動控制器(d)分別向三軸亥姆霍茲線圈組施加與機器人運動方位角相關幅 值和相位的同頻率正弦諧波驅動電流，由三軸正交亥姆霍茲線圈疊加為一定區 域內的旋轉軸線與機器人運動方向一致的均勻萬向旋轉磁場，實現醫療微型機 器人在體內彎曲環境內的驅動控制。以機器人在體內不同彎曲環境內預知的前 方欲運動的方向角為輸入，通過驅動三軸相互正交嵌套亥姆霍茲線圈磁場疊加 裝置(C)，可方便的實現萬向旋轉磁場的旋轉軸線的方向調整，達到與機器人運 動方向角相一致的目的，實現體內機器人沿著不同方向的驅動控制。空間正交的三軸分量可以疊加出任意方向的矢量，因此為了產生空間萬向旋 轉磁場，需要添加第三軸亥姆霍茲線圈。在參考兩軸正交亥姆霍茲線圈產生固定 旋轉軸線的旋轉磁場原理的基礎上，通過控制三軸正交亥姆霍茲線圈組之間相關 幅值與相位的電流加載關係，能夠產生旋轉軸線可調的空間萬向旋轉磁場。下面結合附圖3，說明三軸正交亥姆霍茲線圈產生空間萬向旋轉磁場的原 理。空向矢量f (cosa,cosAcos力為微機器人的運動方向向量，其中a， " ， ；k分 別為^與空間卡迪爾坐標系的x， y， z軸的方向角，即要求疊加產生萬向旋轉 磁場旋轉軸線的方向。參照兩軸亥姆霍茲線圈產生旋轉磁場的疊加原理，需要 在向量f的垂直平面內尋找兩個相互垂直的向量左和《，只要沿這兩個向量方向 具有位相差為90°的正弦磁場分量，就可以疊加產生旋轉軸線方向為《的空間 萬向旋轉磁場。由空間解析幾何可知，空間單位向量可以用方向餘弦表示。選取向量左在;c^ 平面內且垂直於向量^在該平面內的投影，則向量《垂直於向量"、經推導向量《可表示為(—,一e，，O)。選取向量f在朋z平面內，且垂直於向量"、因為向量sm ;ksm /左垂直於平面"m，所以向量^和向量f也相互垂直，因此向量&和向量f即為要 求得的兩個向量，滿足產生旋轉磁場的要求，下面進行向量f的求解。由向量f的位置特徵，設向量f為(x,，^，sin力，其中X2 ，少2分別是在X、少 軸的方向餘弦，求解向量^的過程就是求解兩個方向餘弦^,h。由方向餘弦的性質及兩空間向量相互垂直的解析關係式有formula see original document page 8(2)求得formula see original document page 8
根據向量f與向量"目互垂直的關係有formula see original document page 8將以上兩組解分別代入以上相互垂直關係式驗證得formula see original document page 8所以向量f的方向餘弓玄為(—"g;k'cos"，—c/g/.cosAsin"。當沿兩個相互垂直的向量&和向量^的磁感應強度分量分別為如下形式時，便 可疊加產生旋轉軸線方向為"l勺空間萬向旋轉磁場。formula see original document page 8(3)formula see original document page 8(4)因此只需向三軸正交亥姆霍茲線圈內分別加載如下公式(5)中的電流，就能 使產生的萬向旋轉磁場的旋轉軸線與機器人的軸線一致，驅動機器人沿著向量formula see original document page 9其中，《， / ， ；k分別為《與空間卡迪爾坐標系的x， k， z軸的方向角，妙x =cos々妙vcos or，/。為向三組正交亥姆霍茲線圈中通入的交變cos ;k cos" "cos ;k ' cos / 電流的幅值，^為施加交變電流的角速度，施加交變電流的頻率為/= 每軸電流正方向與相應的坐標軸之間滿足右手定則。2;r式(6)是三軸正交亥姆霍茲線圈產生空間萬向旋轉磁場的一般驅動關係式， 式(l)為兩軸正交亥姆霍茲線圈產生固定軸旋轉磁場的驅動關係式，是式(6) 的一個特例，可見式(6)是正確的。由式(6)可見，三軸正交亥姆霍茲線圈加載諧波電流的幅值跟機器人運動方 向角的正弦成正比，各個加載諧波的相位差也與方向餘弦有關，因此以機器人 的運動方向角為輸入變量，調節三軸正交亥姆霍茲線圈的加載電流關係，便可 產生旋轉軸線與機器人軸線相一致的空間萬向旋轉磁場，實現對機器人沿任意 方向的驅動控制。通過坐標變換所得出的向三軸相互正交嵌套的亥姆霍茲線圈組裝置施加三 路同頻率的幅值和相位與方位角f (cosa， cos》，cos r)為輸入變量相關的正弦諧波交流信號函數關係的其它表達形式，與公式(6)是實質相同的產生空間 萬向旋轉磁場的正弦諧波交流信號表達式。 本發明的效果和益處是通過軟體編程可疊加產生空間萬向旋轉磁場，解決了體內醫療微型機器人 沿任意方向的驅動行走問題，可實現機器人在體內彎曲環境內的無纜驅動。患 者可以在病床上安靜的躺下，操作者通過萬向旋轉磁場的控制實現體內機器人 的轉向、前進、後退和速度調整等功能，克服了以往病床相對磁場的調整運動 給患者帶來的不舒適感，提高了體內機器人控制的可靠性與實用性。


附圖1是本發明的萬向旋轉磁場裝置用於體內介入醫療的技術方案示意圖。附圖2是兩軸正交亥姆霍茲線圈裝置產生旋轉磁場的原理圖 附圖3是三軸正交亥姆霍茲線圈產生空間萬向旋轉磁場的原理圖。 附圖4是三軸正交嵌套的亥姆霍茲線圈裝置與驅動控制系統結構圖。圖中a患者；b病床；C三軸正交嵌套亥姆霍茲線圈磁場疊加裝置；d驅動控制器。1內嵌徑向磁化體的螺旋體內機器人；2軸向為x軸的亥姆霍茲線圈組； 3軸向為y軸的亥姆霍茲線圈組；4軸向為z軸的亥姆霍茲線圈組；5控制器；6驅動器。
具體實施方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。實施例本發明的實施步驟如下 (l)規劃三軸正交嵌套亥姆霍茲線圈組圍成的空間，以便包容人體與病床；採用軸向為z軸的亥姆霍茲線圈組4，軸向為y軸的亥姆霍茲線圈組3和軸向為 x軸的亥姆霍茲線圈組2從大到小的順序相互正交嵌套的安裝方案。(2) 在以上順序嵌套安裝方案的基礎上，完成軸向為z軸的亥姆霍茲線圈 組4，軸向為y軸的亥姆霍茲線圈組3和軸向為x軸的亥姆霍茲線圈組2的匹配 設計，使三組亥姆霍茲線圈在同一諧波電流驅動時的各自的組合感抗相等和各 自產生的諧波磁場磁感應強度的幅值相同，保證三軸磁場分量疊加後的磁場是 均勻的空間旋轉磁場。按三組亥姆霍茲線圈組的尺寸從大到小嵌套安裝，為了 補償大線圈中心區域的磁場強度損耗，採取的技術途徑是相應的增加z軸的亥姆 霍茲線圈組4和少軸的亥姆霍茲線圈組3的匝數使三組亥姆霍茲線圈在同一諧波 電流驅動時三組線圈的諧波磁場磁感應強度的幅值相同；為了補償小線圈匝數 少感抗小的問題，將一定相應的電感分別串接到y軸的亥姆霍茲線圈組3和x軸 的亥姆霍茲線圈組2上，使三組亥姆霍茲線圈在同一諧波電流驅動時各自的組 合感抗相等，完成匹配設計。(3) 控制器5的設計採用帶有三路獨立輸出的DDS晶片AD9959作為信號 發生電路的核心器件，利用單片機控制AD9959輸出三路頻率相同的相關的相位 和幅值滿足公式(6)的函數關係的正弦波交流信號，三路信號經濾波放大後， 再經過功率放大驅動器6，以輸出足夠大的電流，分別驅動三軸相互正交亥姆霍 茲線圈，每組線圈都產生一個空間磁場，磁場方向也相互正交，三個磁場的正 交磁矢量疊加後，在三軸線圈所包圍的空間內形成一個均勻的旋轉磁場。/r = -/0 . sin a ■ sin(加-- /少.二 一/0 . sin/ . sin(^yf + (6) sin / sin ^其中，《， / ， 7分別為^與空間卡迪爾坐標系的x， _y，， cos "的空間旋轉磁場時， 其中"，》，y分別為""與x， 7， z軸的方向角，首先將方向角a，》，y的值 輸入PC機，PC機根據方程(6)，經過運算，求得在義，y， z軸方向產生滿足要 求的磁場時，三組線圈分別加載的三路正弦波電流信號厶，力，/z。再將所得正弦信號入，a，厶的頻率、相關幅值和相位參數通過pc機上的人機互動界面發送給單片機，由單片機控制DDS晶片AD9959輸出滿足要求的三路正弦交流信號， 經過濾波放大後，分別加載到對應的亥姆霍茲線圈上，從而產生磁場方向為f的 滿足要求的空間萬向旋轉磁場。(6) 空間萬向旋轉磁場的轉速可通過改變輸出正弦信號的頻率來實現，而 磁場強度的大小則由電流的幅值來控制。當需要空間萬向磁場反向旋轉時，只 需要將反轉磁場的旋轉軸方向-f (-cos a，-cos萬，-cos r)的方向角(冗+")，(7T+刀)，(7T+ r)的值輸入PC機中，刷新三路輸出信號的波形參數，新的電流信號加載到線圈上，即可驅動產生反向旋轉的萬向空間旋轉磁場，實現機器人沿任意方向後退的驅動控制。
權利要求
1. top= "138" left = "76" top= "180" left = "81" top= "205" left = "86" top= "215" left = "24" top= "217" left = "63"/>I0為向三組正交亥姆霍茲線圈中通入的交變電流的幅值，ω為施加交變電流的角速度，施加交變電流的頻率為<![CDATA[ f= 2 ; ]]>(-cosα，-cosβ，-cosγ)的方向角(π+α)，(π+β)，(π+γ)的值為新的輸入變量即可，依據滿足公式(6)的函數關係的正弦波諧波信號分別驅動三個軸線相互正交的亥姆霍茲線圈，產生反向旋轉的萬向空間旋轉磁場，實現機器人任意方向的後退驅動控制。
全文摘要
本發明屬於醫學工程技術領域，公開了一種體內醫療微型機器人萬向旋轉磁場驅動控制方法。其特徵是將z軸、y軸和x軸三組亥姆霍茲線圈組正交嵌套安裝，使三組線圈在同一諧波電流驅動時各自的組合感抗相等和各自產生的諧波磁場磁感應強度的幅值相同；與機器人軸線方位角相關幅值和相位的同頻率正弦諧波驅動電流在三軸正交亥姆霍茲線圈裝置包圍的一定空間內疊加形成相應方位角旋轉軸線的空間萬向均勻旋轉磁場。通過改變電流頻率調整磁場轉速，通過改變三軸正交亥姆霍茲線圈驅動電流方向，可改變萬向旋轉磁場自旋方向。本發明的有益效果是適用於彎曲的人體內環境，實現體內機器人的轉向、前進、後退、調速等諸多功能與體內的定位操作。
文檔編號A61B18/00GK101262198SQ200810011110
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月14日 優先權日2008年4月14日
發明者張林燕, 張永順, 楊振強, 王殿龍, 郭東明 申請人:大連理工大學