專利名稱：一種微型機(jī)器人及其體外導(dǎo)向系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生微型機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型機(jī)器人及其體外導(dǎo)向系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展，微型機(jī)器人成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，特別是進(jìn)入人體的無線內(nèi)窺鏡、血管機(jī)器人以及面向工業(yè)設(shè)備細(xì)小管路探測(cè)用的微型機(jī)器人，其發(fā)展和應(yīng)用尤其受到重視。由于工作環(huán)境的特殊，這類微型機(jī)器人不可能是普通機(jī)器人的簡(jiǎn)單微小化，特別是在驅(qū)動(dòng)方式上會(huì)與普通機(jī)器人有很大的不同。目前，微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式大致可以分為兩類一類是利用機(jī)器人本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；另一類是借助外場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主要是利用一些功能材料對(duì)外加物理場(chǎng)的響應(yīng)特性制成微執(zhí)行器，通過外場(chǎng)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)無線驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式來說，大多采用仿生驅(qū)動(dòng)方式，如D.Reynaerts等模仿尺蠖制成了消化道檢查機(jī)器人模型、S.Hirose設(shè)計(jì)出仿蛇機(jī)器人、浙江大學(xué)周銀生等提出了仿蝸牛和仿蝌蚪機(jī)器人、中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所梅濤等提出了仿壁虎爬行機(jī)器人以及上海交通大學(xué)顏國正等研制了微型六足仿生機(jī)器人等。由于工作環(huán)境對(duì)機(jī)器人的體積有嚴(yán)格的要求，因此，目前這些仿生微型機(jī)器人的可控自由度較少，一般來說沒有專門的姿態(tài)控制，而是靠管路或接觸面的自然約束來實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)接觸面會(huì)有一定的損傷，這對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人來說是不利的，在一些曲率較大的地方甚至可能造成堵塞。外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式的研究也比較活躍，如T.Yasuda等研制了由超聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型螞蟻、T.Fukuda等用巨磁致伸縮材料制成了由交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的管路微型機(jī)器人、K.Ishyama等用纏繞有螺旋金屬線的永磁材料制成了由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人、中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所梅濤等研究了外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人以及中國科學(xué)院電工研究所王秋良等研制了均勻梯度磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)永磁磁塊的磁導(dǎo)航外科手術(shù)模型系統(tǒng)等。這些機(jī)器人本體不需要電動(dòng)機(jī)，也不需要內(nèi)部提供能量，因此尺寸可以做得很小，有的已經(jīng)做到直徑小于1.5mm，但是缺少姿態(tài)控制，以及靈活性欠佳。在很多應(yīng)用場(chǎng)合下，將兩種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合起來可能是一種更好的方案，自然界中趨磁細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)形式就是采用類似的方式。
趨磁細(xì)菌是一類具有趨磁性行為的細(xì)菌，體內(nèi)含有排列成鏈狀的單磁疇顆粒(即磁小體)，端部生有由鞭毛馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的螺旋狀鞭毛。在自然環(huán)境中，地磁場(chǎng)作用于磁小體鏈產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩，迫使趨磁細(xì)菌沿地磁場(chǎng)取向。細(xì)菌體內(nèi)的趨化傳感器是負(fù)責(zé)感應(yīng)環(huán)境變化的受體復(fù)合體蛋白--甲基趨化蛋白，可以啟動(dòng)鞭毛馬達(dá)使鞭毛逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)菌體沿地磁場(chǎng)方向直線泳動(dòng)，由此探尋適合其生長(zhǎng)的微好氧環(huán)境。這樣，趨磁細(xì)菌利用地磁場(chǎng)將三維空間的探尋任務(wù)簡(jiǎn)化為一維空間的探尋任務(wù)，已有研究表明，這種方式大大提高其探尋速度以及探尋效率。
美國專利5337732、5662587、5906591“仿蛇或尺蠖內(nèi)窺鏡機(jī)器人”，中國專利01126965.0“六足仿生微型機(jī)器人”，均采用基于本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式。上述美國專利“仿蛇或尺蠖內(nèi)窺鏡機(jī)器人”，本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)器人體內(nèi)多段相互連接的關(guān)節(jié)，包括牽引關(guān)節(jié)和激勵(lì)關(guān)節(jié)，通過對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作進(jìn)行有序控制，使機(jī)器人做類似于蛇或尺蠖的移動(dòng)。上述中國專利“六足仿生微型機(jī)器人”主要包括機(jī)架、微電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿裝置、皮帶傳動(dòng)裝置、四桿機(jī)構(gòu)，以及前足、中足和后足，其連接方式為機(jī)架內(nèi)部設(shè)有微電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿裝置、皮帶傳動(dòng)裝置，機(jī)架外部設(shè)有四桿機(jī)構(gòu)與前足、中足和后足各兩條，微電動(dòng)機(jī)與蝸輪蝸桿裝置連接，通過皮帶又與皮帶傳動(dòng)裝置連接，皮帶傳動(dòng)裝置的軸分別與四桿機(jī)構(gòu)連接，并將動(dòng)力分別傳給四桿機(jī)構(gòu)，四桿機(jī)構(gòu)分別與前足、中足和后足連接，并帶動(dòng)六足步行。本發(fā)明中，機(jī)器人體內(nèi)含有微型電池、射頻接收器、微電動(dòng)機(jī)、尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與尾部，由計(jì)算機(jī)通過射頻發(fā)射器控制微電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，帶動(dòng)尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，使機(jī)器人向前或向后移動(dòng)。
另一類專利涉及外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人技術(shù)，例如中國專利200510040887.8“體內(nèi)探測(cè)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置及方法”與中國專利200410009485.7、200410009528.1。上述專利所涉及的外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)均是利用組合線圈系統(tǒng)構(gòu)造空間中較為均勻的梯度磁場(chǎng)(由常導(dǎo)或超導(dǎo)線圈產(chǎn)生)，通過調(diào)整加載電流的大小以及部分線圈相對(duì)于人體的運(yùn)動(dòng)共同控制梯度的大小與方向，該梯度磁場(chǎng)作用于磁性微型機(jī)器人的內(nèi)置磁性體以獲得期望的空間矢量力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明中，外部導(dǎo)向線圈產(chǎn)生均勻?qū)虼艌?chǎng)，迫使磁性微型機(jī)器人的內(nèi)置磁體沿導(dǎo)向磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)，從整個(gè)移動(dòng)過程來看，微型機(jī)器人趨于沿管路延伸的切線方向移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人移動(dòng)的能量由微型機(jī)器人內(nèi)部的微電動(dòng)機(jī)等裝置提供。
當(dāng)前，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)日益得到重視，由于體內(nèi)環(huán)境的特點(diǎn)，傳統(tǒng)機(jī)器人很難發(fā)揮作用，因此各種仿生微型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，但目前仿生微型機(jī)器人在體積的微型化和運(yùn)動(dòng)的靈活性等方面還存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)中存在的姿態(tài)控制與移動(dòng)靈活性欠佳等缺點(diǎn)，借鑒趨磁細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)方式，提出一種主動(dòng)螺旋推進(jìn)結(jié)合外磁場(chǎng)姿態(tài)控制的仿生微型機(jī)器人及其體外導(dǎo)向系統(tǒng)。在一定程度上，本發(fā)明解決了機(jī)器人體積微型化與運(yùn)動(dòng)靈活性之間的矛盾，可在體內(nèi)診療和非磁性細(xì)小管路的探測(cè)中發(fā)揮重要作用。
1、本發(fā)明微型機(jī)器人功能及結(jié)構(gòu)說明如下本發(fā)明微型機(jī)器人在外部導(dǎo)向磁場(chǎng)及體內(nèi)微電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，沿導(dǎo)向磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)，并沿管路延伸的切線方向向給定目標(biāo)前進(jìn)，并能夠在計(jì)算機(jī)控制下通過射頻發(fā)射接收器調(diào)節(jié)微電動(dòng)機(jī)，使機(jī)器人做正向、反向移動(dòng)。
微型機(jī)器人包括以下組成部分機(jī)身、永磁磁塊、微電動(dòng)機(jī)、射頻接收器、微型電池、尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及尾部。
微型機(jī)器人的機(jī)殼制作成膠囊狀，兩端圓滑，中間無突起和溝槽，表面采用光滑的、具有一定韌性和柔性的醫(yī)用材料包覆，以減少與管路內(nèi)壁的摩擦。機(jī)身內(nèi)部鏤空，前端內(nèi)周面上開有一用于固定永磁磁塊的螺旋槽，底部開有一個(gè)軸向通孔，機(jī)身用左右對(duì)稱的兩塊材料加工制成，安裝時(shí)兩者合二為一粘貼成一體。微電動(dòng)機(jī)外形為長(zhǎng)方體，布置在機(jī)身內(nèi)。機(jī)器人尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)形狀類似于趨磁細(xì)菌鞭毛的尾部，尾部由柔韌性較好醫(yī)用材料制成，尾部與從機(jī)身通孔內(nèi)伸出的旋轉(zhuǎn)桿形成固定連接，采用高彈性密封膜將旋轉(zhuǎn)桿與機(jī)身密封。射頻接收器安裝在機(jī)身的內(nèi)周面上，微電動(dòng)機(jī)與射頻接收器均由裝在機(jī)身內(nèi)的微型電池供電。
所述永磁磁塊相當(dāng)于趨磁細(xì)菌體內(nèi)的磁小體鏈，具有磁矩，在外部導(dǎo)向磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩，趨向于導(dǎo)向磁場(chǎng)的方向。
當(dāng)正向接通微電動(dòng)機(jī)的電極時(shí)，微電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)柔性尾部周期性正向轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，在操作者通過計(jì)算機(jī)的控制下，反向接通微電動(dòng)機(jī)的電極時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿將帶動(dòng)尾部反向轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)境液體對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生向后的軸向推力，使機(jī)器人后退。
本發(fā)明中，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生射頻發(fā)射信號(hào)，由機(jī)器人體內(nèi)的射頻接收器接收，控制微電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速，再結(jié)合其他體外控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)器人移動(dòng)的控制。
2、本發(fā)明微型機(jī)器人體外導(dǎo)向系統(tǒng)包括磁定位子系統(tǒng)、成像子系統(tǒng)、磁導(dǎo)向子系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面，通過控制磁定位、成像與磁導(dǎo)向子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)器人移動(dòng)的控制。計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)作為中央控制臺(tái)，通過數(shù)據(jù)總線和控制總線分別連接磁定位子系統(tǒng)、成像子系統(tǒng)與磁導(dǎo)向子系統(tǒng)，完成對(duì)其它子系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各子系統(tǒng)功能及工作原理說明如下2.1磁定位子系統(tǒng)在不考慮外擾磁場(chǎng)的情況下，本子系統(tǒng)的功能是測(cè)量出永磁磁塊磁場(chǎng)空間分布的變化，并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)提供給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過求逆算法，計(jì)算出永磁磁塊、即微型機(jī)器人的位置，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置測(cè)量。同時(shí)結(jié)合成像子系統(tǒng)分階段提供的機(jī)器人與管路間的相對(duì)位置，使操作人員通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)獲得機(jī)器人的相對(duì)位置。
本子系統(tǒng)主要由8個(gè)巨磁電阻(GMR)傳感器構(gòu)成，所述傳感器分布于一虛擬的罩于被測(cè)管路外面的長(zhǎng)方體的8個(gè)頂點(diǎn)上。根據(jù)磁阻效應(yīng)，巨磁電阻的電阻率能夠隨著外磁場(chǎng)的變化而變化，則在給定電壓下電阻中流過的電流會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)該電流變化，計(jì)算機(jī)能夠利用磁定位求逆算法求出永磁磁塊的坐標(biāo)。
永磁磁塊在其周圍空間中激發(fā)的磁場(chǎng)具有特定的分布規(guī)律，因此可通過檢測(cè)該磁場(chǎng)的變化確定永磁磁塊的位置。當(dāng)永磁磁塊的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢測(cè)點(diǎn)和永磁磁塊間的距離時(shí)，永磁磁塊可等效為磁偶極子，其空間磁場(chǎng)分布模型可以用下式表示Bρ(rρ)=μ04π[3(mρ·rρ)rρr5-mρr3]---(1)]]>式中 為檢測(cè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，μ0為真空中的磁導(dǎo)率， 為磁偶極子的磁矩矢量， 為磁偶極子到檢測(cè)點(diǎn)的矢徑。
2.2成像子系統(tǒng)本子系統(tǒng)采用成熟的X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行三維成像，考慮到管路可能做微小的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，以及獲得機(jī)器人位置信息的速度與成像速度相差較大，因此，本發(fā)明中成像子系統(tǒng)對(duì)管路與機(jī)器人進(jìn)行周期性成像，每一幅圖像被用于在相應(yīng)的周期內(nèi)輔助對(duì)機(jī)器人移動(dòng)的導(dǎo)向。根據(jù)計(jì)算機(jī)斷層成像原理，X射線源發(fā)出的X射線穿過受檢體投射至檢測(cè)器，X射線檢測(cè)器收到與局部X射線衰減系數(shù)有關(guān)的投影數(shù)據(jù)并送入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)通過圖像重建算法重構(gòu)關(guān)于受檢體的圖像，即管路與機(jī)器人的圖像，可以得到管路的三維延伸方向與管路尺寸信息。
本子系統(tǒng)包括X射線源、X射線檢測(cè)器圓周陣列、成像電源、移動(dòng)床、接口電路以及顯示器，其中，X射線檢測(cè)器圓周陣列位于與移動(dòng)床軸向垂直的平面內(nèi)，X射線源在該平面內(nèi)可做圓周掃描，成像電源用于給X射線源與X射線檢測(cè)器圓周陣列供電，接口電路用于接收原始圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波、格式轉(zhuǎn)化等預(yù)處理，然后將其輸入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)進(jìn)行圖像重建與合成，最后由顯示器顯示出來。
工作時(shí)，將受檢體置于移動(dòng)床上，該床可沿自身軸線方向平移，并能在掃描平面內(nèi)進(jìn)行微移動(dòng)以使待成像部位位于成像區(qū)域內(nèi)。X射線源發(fā)出的X射線經(jīng)準(zhǔn)直后成為一條很窄的射線束，X射線源在掃描平面內(nèi)，以成像部位的幾何中心為圓心做斷層圓周掃描。本子系統(tǒng)采用光電二極管作為X射線檢測(cè)器，將若干個(gè)光電二極管以圓周陣列的形式布置于掃描平面上，與掃描圓周同圓心，成像過程中該陣列位置不變。
本子系統(tǒng)是在二維平面成像的基礎(chǔ)上，通過對(duì)多個(gè)連續(xù)斷層分別成像并合成，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路與機(jī)器人進(jìn)行三維成像，即需要先利用反投影重建算法得到二維圖像。對(duì)某一個(gè)斷層進(jìn)行成像時(shí)，首先在移動(dòng)床的驅(qū)動(dòng)下將待成像斷層移至成像區(qū)域，然后X射線源以恒定角速度作360°圓周掃描。掃描完一周以后，X射線源回到起始位置，等到下一個(gè)待掃描斷層進(jìn)入掃描平面后，再對(duì)下一個(gè)斷層進(jìn)行掃描。對(duì)指定部位掃描完畢后，計(jì)算機(jī)利用圖像處理程序?qū)υ紙D像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并重建出每一幅斷層圖像，最后合成為一幅管路與機(jī)器人的三維圖像。
2.3磁導(dǎo)向子系統(tǒng)在移動(dòng)床的配合下，本子系統(tǒng)可在中心區(qū)域產(chǎn)生指向所需方向的均勻?qū)虼艌?chǎng)，對(duì)永磁磁塊實(shí)施偏轉(zhuǎn)性導(dǎo)向控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)器人的姿態(tài)控制。導(dǎo)向磁場(chǎng)的方向由磁導(dǎo)向算法得到，并由接口電路將導(dǎo)向磁場(chǎng)信號(hào)傳送至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)電源。根據(jù)磁定位子系統(tǒng)測(cè)得的機(jī)器人的位置，以及成像子系統(tǒng)提供的管路與機(jī)器人間相對(duì)位置，操作者可以實(shí)時(shí)給出微型機(jī)器人的移動(dòng)方向，由導(dǎo)向磁場(chǎng)作用于永磁磁塊實(shí)現(xiàn)。利用磁導(dǎo)向算法，本子系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)生成沿所需方向的導(dǎo)向磁場(chǎng)。導(dǎo)向磁場(chǎng)由在三組亥姆霍茲線圈中通以可調(diào)直流電流得到，即由空間中方向兩兩正交的三個(gè)磁場(chǎng)疊加而成。這種方法操作簡(jiǎn)單，能有效地控制機(jī)器人的姿態(tài)，使其在管路中移動(dòng)時(shí)較易克服空間狹小、轉(zhuǎn)彎等一些障礙。
磁導(dǎo)向算法的流程包括首先，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，根據(jù)成像子系統(tǒng)生成的管路延伸圖像建立一條機(jī)器人參考移動(dòng)軌跡，可選取管路的中心延伸軸為參考軌跡；在圖像的有效時(shí)間內(nèi)，將機(jī)器人的移動(dòng)軌跡用若干間斷點(diǎn)連接而成的折線代替，所述間斷點(diǎn)即為由磁定位子系統(tǒng)測(cè)得的機(jī)器人位置；確定導(dǎo)向磁場(chǎng)的方向時(shí)，當(dāng)機(jī)器人的尺度相遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管路的長(zhǎng)度時(shí)，可將機(jī)器人看成一質(zhì)點(diǎn)，假設(shè)t＝t0時(shí)刻機(jī)器人位于p0(x0，y0，z0)，在磁定位子系統(tǒng)位置分辨率允許的范圍內(nèi)，經(jīng)過時(shí)間Δt，Δt→0，微型機(jī)器人移動(dòng)至p1(x1，y1，z1)點(diǎn)，再在參考移動(dòng)軌跡上找到一點(diǎn)，該點(diǎn)為p1在參考移動(dòng)軌跡上的正交投影，計(jì)算出在參考移動(dòng)軌跡上該投影點(diǎn)處切線方向的方向?qū)?shù)，以及由p0點(diǎn)指向p1的方向?qū)?shù)，由程序計(jì)算出兩個(gè)方向?qū)?shù)之差，該差值即為t＝t0+Δt時(shí)刻所需的方向修正值；最后將該方向修正值轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向磁場(chǎng)的控制參數(shù)，即線圈中電流的修正值，計(jì)算機(jī)將此修正值由接口電路傳送至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)電源裝置，最終產(chǎn)生所需的導(dǎo)向磁場(chǎng)。
本子系統(tǒng)是根據(jù)磁場(chǎng)力原理設(shè)計(jì)的，即處于外磁場(chǎng)中的磁體會(huì)受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在均勻磁場(chǎng)中，永磁磁塊受到力偶矩 的作用， 可表示為Tρ=Pρ×Bρ,]]>式中 為磁矩，等于磁塊的磁化強(qiáng)度矢量 在磁塊體積上的積分，在數(shù)值上有P＝∫Mdv， 為外部磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。當(dāng)磁塊磁場(chǎng)的方向與外磁場(chǎng)正交時(shí)，力偶矩 最大。
本子系統(tǒng)由三組互相正交的亥姆霍茲線圈與電源裝置組成，可以在中心區(qū)域產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)，每組線圈又由兩對(duì)互相平行的圓形線圈構(gòu)成，兩對(duì)線圈之間的間距等于線圈半徑。通過調(diào)節(jié)線圈電流，導(dǎo)向磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 在數(shù)值和方向上均連續(xù)可調(diào)。電源裝置接收計(jì)算機(jī)求得的導(dǎo)向磁場(chǎng)控制參數(shù)，調(diào)整每組線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度 i＝x，y，z，分別代表空間直角坐標(biāo)系中的三個(gè)分量。對(duì)三個(gè)磁場(chǎng)分量做矢量疊加后，得到導(dǎo)向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bω(rρ,t)=Bωx(rρ,t)+Bωy(rρ,t)+Bωz(rρ,t).]]>根據(jù)畢奧—薩伐爾定律，亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)為 (2)式中，I為線圈中電流強(qiáng)度， 為線圈上微線元 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)， 為微線元 相對(duì)于感興趣位置的矢徑。
2.4計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)本子系統(tǒng)是機(jī)器人體外導(dǎo)向系統(tǒng)的信號(hào)處理與控制中心，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與接口電路組成。該子系統(tǒng)通過與磁定位子系統(tǒng)、成像子系統(tǒng)、磁導(dǎo)向子系統(tǒng)以及射頻收發(fā)器配合工作，控制機(jī)器人的移動(dòng)速度和方向。在主動(dòng)螺旋驅(qū)動(dòng)結(jié)合外磁場(chǎng)姿態(tài)控制的混合驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)多種控制策略，并從中找出最優(yōu)的控制策略，使機(jī)器人按照期望的軌跡移動(dòng)。
本子系統(tǒng)通過接口電路連接磁定位子系統(tǒng)、成像子系統(tǒng)以及磁導(dǎo)向子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與通信。接口電路主要包括一片模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9874、一片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320f2812、一片可編程邏輯器件EPM7128AETC100-10以及一片數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7625。模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)對(duì)模擬輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及濾波，輸出數(shù)字信號(hào)至數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并輸出給其他子系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換，可編程邏輯器件對(duì)接口電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器等器件實(shí)施邏輯控制，包括寄存器參數(shù)設(shè)置、中斷管理等。
本發(fā)明工作過程簡(jiǎn)述如下首先，操作者控制移動(dòng)床將受檢管路移至成像區(qū)域，并將機(jī)器人放至管路始端。然后，成像子系統(tǒng)對(duì)第一段管路進(jìn)行成像并顯示，建立磁定位與磁導(dǎo)向所需的統(tǒng)一坐標(biāo)系，確定機(jī)器人初始坐標(biāo)。操作者通過計(jì)算機(jī)使射頻發(fā)射器發(fā)出微電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，由機(jī)器人體內(nèi)的射頻接收器接收，使機(jī)器人進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在機(jī)器人移動(dòng)過程中，操作者通過體外導(dǎo)向系統(tǒng)連續(xù)調(diào)整機(jī)器人的移動(dòng)方向與速度，控制機(jī)器人按照管路的延伸方向移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人需要向后移動(dòng)時(shí)，則借助射頻信號(hào)控制，使機(jī)器人體內(nèi)的微電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)器人向后移動(dòng)。最后，當(dāng)機(jī)器人完成所給探尋任務(wù)，需控制機(jī)器人反向退出管路，與前向移動(dòng)時(shí)類似，操作者通過控制體外部導(dǎo)向系統(tǒng)使其反向移動(dòng)，退出管路。
本發(fā)明采用主動(dòng)螺旋推進(jìn)結(jié)合導(dǎo)向磁場(chǎng)姿態(tài)控制的混合驅(qū)動(dòng)方式，在一定程度上解決了機(jī)器人體積微型化與移動(dòng)靈活性之間的矛盾，以期在人體內(nèi)部診療中發(fā)揮重要作用。另外，本發(fā)明還可應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備非磁性細(xì)小管路的探測(cè)。本發(fā)明通過將機(jī)器人技術(shù)、磁定位與導(dǎo)向技術(shù)、斷層成像技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及自動(dòng)控制等技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)傷診療或探測(cè)。
另外，在該混合驅(qū)動(dòng)方式中，本發(fā)明采用巨磁電阻(GMR)傳感器檢測(cè)微型機(jī)器人內(nèi)永磁磁塊磁場(chǎng)的方法，比現(xiàn)有的其它磁定位方法更簡(jiǎn)單、更精確。


圖1為微型機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1微型機(jī)器人，2管路，3管路內(nèi)介質(zhì)，1a機(jī)身，1b永磁磁塊，1c機(jī)殼，1d射頻接收器，1e微型電池，1f微電動(dòng)機(jī)，1g蝸桿，1h尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，1i尾部。
圖2為本發(fā)明體外導(dǎo)向系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)方框圖；圖中4磁導(dǎo)向子系統(tǒng)，5磁定位子系統(tǒng)，6成像子系統(tǒng)，7計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)。
圖3為磁導(dǎo)向子系統(tǒng)示意圖；圖中4a x方向亥姆霍茲線圈，4b y方向亥姆霍茲線圈，4c z方向亥姆霍茲線圈，4d磁導(dǎo)向電源裝置，8受檢者，9移動(dòng)床。
圖4為磁定位子系統(tǒng)示意圖；圖中，5a巨磁電阻，5b磁定位電源裝置，5c導(dǎo)線。
圖5為成像子系統(tǒng)示意圖；圖中，6a探測(cè)器圓周陣列，6b圓周掃描軌道，6c X射線發(fā)射器，6d成像電源裝置。
圖6為磁定位求逆算法流程圖；圖7為磁導(dǎo)向算法流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
微型機(jī)器人1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其前端光滑，外壁無突起或溝槽，外殼采用光滑的、具有一定韌性和柔性的醫(yī)用材料包覆，與管路2內(nèi)壁摩擦較小。永磁磁塊1b外周面有螺旋槽，與機(jī)身1a內(nèi)部前端的螺旋槽密閉配合。尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1h與尾部1i通過從機(jī)身內(nèi)伸出的旋轉(zhuǎn)桿形成固定連接。尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1h由蝸桿1g、蝸輪、凸輪、旋轉(zhuǎn)桿、底板、鉸鏈、永磁鐵與電磁線圈組成，蝸桿1g安裝在微電動(dòng)機(jī)1f主軸上，蝸輪和凸輪共軸布置，蝸輪的轉(zhuǎn)軸安裝在底板上，該底板粘貼在機(jī)身上，旋轉(zhuǎn)桿安裝在鉸鏈上，鉸鏈固定在微電動(dòng)機(jī)的殼體上，旋轉(zhuǎn)桿的一端與尾部固定連接，其另一端擱置在凸輪上，永久磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)桿上，電磁線圈位于永久磁鐵的外側(cè)。尾部1i采用光滑的、柔韌性較好的生物醫(yī)學(xué)材料制成。射頻接收器1d安裝在機(jī)身1a后端內(nèi)周面上。微電動(dòng)機(jī)1f與射頻接收器1d由裝在機(jī)身1a內(nèi)的微型電池1e供電，該電池1e安裝在機(jī)身1a后端內(nèi)周面上，位置與射頻接收器1d對(duì)稱。
微型機(jī)器人1的軸向移動(dòng)速率由射頻發(fā)射器與射頻接收器1d控制，射頻發(fā)射器屬于計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7的一部分，集成在接口電路上。射頻接收器1d控制微電動(dòng)機(jī)1f的工作狀態(tài)，包括其轉(zhuǎn)速與電源接通極性，微電動(dòng)機(jī)1f通過蝸桿1g與尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1h相連接，帶動(dòng)微型機(jī)器人1在管路內(nèi)介質(zhì)3中前向或后向移動(dòng)。
永磁磁塊1b采用高性能稀土永磁材料制成，如銣鐵硼永磁材料等。磁定位子系統(tǒng)5通過感知永磁磁塊1b所激發(fā)的磁場(chǎng)，對(duì)微型機(jī)器人1在管路2中的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4能夠在永磁磁塊1b所在區(qū)域激發(fā)出沿所需方向的導(dǎo)向磁場(chǎng)，永磁磁塊1b受導(dǎo)向磁場(chǎng)的作用被迫沿導(dǎo)向磁場(chǎng)取向，以使微型機(jī)器人1沿期望路徑移動(dòng)。
如圖2所示，本發(fā)明體外導(dǎo)向系統(tǒng)由磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4、磁定位子系統(tǒng)5、成像子系統(tǒng)6以及計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7組成。
計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與接口電路組成，用于計(jì)算、協(xié)調(diào)及控制微型機(jī)器人1、磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4、磁定位子系統(tǒng)5以及成像子系統(tǒng)6的工作，其作為各種數(shù)據(jù)與信號(hào)的接收、處理及發(fā)送中心，同時(shí)為操作者提供人機(jī)交互界面。除計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7外，磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4、磁定位子系統(tǒng)5以及成像子系統(tǒng)6與微型機(jī)器人1之間也存在邏輯關(guān)系。
圖2所示的邏輯關(guān)系包括成像子系統(tǒng)6對(duì)待成像區(qū)域進(jìn)行若干斷層圖像掃描，所得原始圖像數(shù)據(jù)被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7進(jìn)行圖像重建并顯示；磁定位子系統(tǒng)5對(duì)微型機(jī)器人1內(nèi)部永磁磁塊1b通過磁場(chǎng)進(jìn)行定位，所得含有位置信息的信號(hào)被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7由磁定位求逆算法進(jìn)行位置重建；計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7產(chǎn)生導(dǎo)向磁場(chǎng)控制信號(hào)并傳遞至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4，對(duì)微型機(jī)器人1進(jìn)行導(dǎo)向控制；計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7發(fā)送射頻控制信號(hào)至微型機(jī)器人1。
如圖3所示的磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4中，包括三組亥姆霍茲線圈4a、4b和4c，設(shè)計(jì)線圈幾何參數(shù)時(shí)，考慮到將受檢者8由移動(dòng)床9送入磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4時(shí)不使其產(chǎn)生壓迫感，三組亥姆霍茲圓形線圈4a、4b和4c直徑相等，每組線圈兩兩正交，并由兩個(gè)鏡像對(duì)稱的線圈組成，間距0.6米。磁導(dǎo)向電源裝置4d在計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7的控制下，用于向線圈4a、4b和4c供應(yīng)可調(diào)直流電流。
如圖4所示的磁定位子系統(tǒng)5中，采用8個(gè)巨磁電阻5a，分布于一虛擬的罩于被測(cè)管路2外面的長(zhǎng)方體的8個(gè)頂點(diǎn)上，以測(cè)量微型機(jī)器人1內(nèi)永磁磁塊1b磁場(chǎng)的空間分布。根據(jù)測(cè)得的結(jié)果，通過求逆算法獲得微型機(jī)器人1的位置。磁定位子系統(tǒng)電源裝置5b負(fù)責(zé)向巨磁電阻5a提供恒定直流電壓，導(dǎo)線5c用于將巨磁電阻5a與電源裝置5b連成一個(gè)串并聯(lián)回路，即將巨磁電阻5a分成兩組，每組中采用串聯(lián)方式，組間采用并聯(lián)方式。
如圖5所示的成像子系統(tǒng)6，X射線發(fā)射器6c對(duì)管路2的一系列斷層進(jìn)行若干次圓周掃描。每一次掃描中，X射線發(fā)射器6c在圓周掃描軌道6b上的每一次步進(jìn)，對(duì)應(yīng)于探測(cè)器圓周陣列6a中的一個(gè)探測(cè)器，并得到一個(gè)原始圖像數(shù)據(jù)。探測(cè)器圓周陣列6a包含若干個(gè)探測(cè)器，當(dāng)X射線發(fā)射器6c做完一次圓周掃描，相應(yīng)斷層的掃描數(shù)據(jù)被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7進(jìn)行圖像重建，獲得一幅斷層圖像，對(duì)一段管路的成像是通過對(duì)若干幅斷層圖像進(jìn)行合成而得到的。成像電源裝置6d負(fù)責(zé)給X射線發(fā)射器6c與探測(cè)器圓周陣列6a供電。
移動(dòng)床9為非磁性床，根據(jù)斷層成像子系統(tǒng)5以及磁導(dǎo)向子系統(tǒng)2的需要，并考慮到微型機(jī)器人1在管路2中的移動(dòng)特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)形式為以軸向平移為主、兼可在垂直于受檢者8軸線方向的平面內(nèi)微位移，即具備三個(gè)自由度，以將感興趣區(qū)域送至有效導(dǎo)向磁場(chǎng)區(qū)域或成像區(qū)域。
如圖6所示的磁定位求逆算法流程圖，首先確定統(tǒng)一坐標(biāo)系，給出各巨磁電阻5a在坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)；根據(jù)成像子系統(tǒng)6提供的管路2幾何形狀，選取管路2的幾何中心軸作為機(jī)器人1參考移動(dòng)軌跡；對(duì)于給定的永磁磁塊1b，通過(1)式計(jì)算當(dāng)其位于參考移動(dòng)軌跡上每一點(diǎn)時(shí)各巨磁電阻5a所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，并預(yù)測(cè)各巨磁電阻5a的測(cè)量值，建立一張位置—磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表；然后，在機(jī)器人1體外控制系統(tǒng)的配合下使機(jī)器人1在管路2中盡可能沿參考移動(dòng)軌跡移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中連續(xù)記錄每個(gè)巨磁電阻5a的測(cè)量值；最后，由各測(cè)量值，結(jié)合位置—磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表進(jìn)行曲線擬合，獲得對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻機(jī)器人1的近似位置。
如圖7所示的磁導(dǎo)向算法流程圖，首先，根據(jù)成像子系統(tǒng)6生成的管路2延伸圖像建立一條機(jī)器人1參考移動(dòng)軌跡，選取管路2的幾何中心軸為參考軌跡。在當(dāng)前圖像的有效時(shí)間內(nèi)，將磁定位子系統(tǒng)5測(cè)得的一系列不連續(xù)機(jī)器人位置坐標(biāo)連接起來獲得一條折線路徑。判斷導(dǎo)向磁場(chǎng)方向的原理如下當(dāng)機(jī)器人1的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管路的長(zhǎng)度時(shí)，可將機(jī)器人1看成質(zhì)點(diǎn)，假設(shè)t＝t0時(shí)刻機(jī)器人1位于p0(x0，y0，z0)，在不超過磁定位子系統(tǒng)位置分辨率的情況下，經(jīng)過時(shí)間段Δt，Δt→0，機(jī)器人1移動(dòng)至p1(x1，y1，z1)點(diǎn)；在參考移動(dòng)軌跡上找一點(diǎn)p1′，該點(diǎn)為p1點(diǎn)在參考移動(dòng)軌跡上的正交投影，然后計(jì)算出參考移動(dòng)軌跡在p1′點(diǎn)切線方向的方向?qū)?shù)，以及由p0點(diǎn)指向p1點(diǎn)的方向?qū)?shù)；計(jì)算出上述兩方向?qū)?shù)之差，此差值即為所求的導(dǎo)向磁場(chǎng)方向修正值。最后將方向修正值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)于p1點(diǎn)的導(dǎo)向磁場(chǎng)控制參數(shù)，并由接口電路傳送至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4的電源裝置4d，最終使機(jī)器人1盡可能沿參考移動(dòng)軌跡移動(dòng)。
本發(fā)明的具體工作流程為1.首先開啟計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7，并打開與微型機(jī)器人1、磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4、磁定位子系統(tǒng)5以及成像子系統(tǒng)6連接的接口電路。
2.開啟成像子系統(tǒng)6，在移動(dòng)床9的配合下，調(diào)整待成像區(qū)域與X射線掃描平面間的相對(duì)位置，將相應(yīng)斷層，即管路2的始端調(diào)整至成像視野。
3.開啟磁定位子系統(tǒng)5，給巨磁電阻5a串并聯(lián)電路加固定電壓。將微型機(jī)器人1放置于管路2始端，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7發(fā)出射頻微電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)至微型機(jī)器人1內(nèi)部的射頻接收器1d，并在射頻接收器1d控制下，使微電動(dòng)機(jī)1f進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。接下來，磁定位子系統(tǒng)5測(cè)量微型機(jī)器人1的初始位置，并將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7進(jìn)行處理。
利用磁定位算法，由計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7計(jì)算出永磁磁塊1b的初始位置，即微型機(jī)器人1的初始位置。需要注意的是，成像子系統(tǒng)6對(duì)管路2與微型機(jī)器人1成像的工作是周期性進(jìn)行的，而微型機(jī)器人1與管路2間的相對(duì)位置，是通過將磁定位子系統(tǒng)5對(duì)微型機(jī)器人1實(shí)時(shí)測(cè)得的位置與每一幀圖像相結(jié)合得到的。
4.結(jié)合第三步中得到的管路2與微型機(jī)器人1相對(duì)位置，操作者根據(jù)微型機(jī)器人1所要實(shí)現(xiàn)的探測(cè)目的，決定其期望移動(dòng)方向。并根據(jù)該期望方向，利用磁導(dǎo)向算法，由計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7計(jì)算出關(guān)于該期望方向的一組磁感應(yīng)強(qiáng)度， 疊加后得到的總磁感應(yīng)強(qiáng)度 的方向即為期望的微型機(jī)器人1移動(dòng)方向。
5.開啟磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4。通過接口電路，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)5將第四步中得到的導(dǎo)向磁場(chǎng)控制參數(shù)傳送至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4的電源裝置4d，該電源裝置4d將導(dǎo)向磁場(chǎng)控制參數(shù)變換為三組亥姆霍茲線圈4a、4b和4c中電流強(qiáng)度的變化量。根據(jù)安培環(huán)路定理， 在線圈中通以直流電流會(huì)在其周圍空間中激發(fā)出恒定的磁場(chǎng)。本發(fā)明中，利用電源裝置4d控制4a、4b、4c三組線圈中直流電流的大小與方向，在磁導(dǎo)向子系統(tǒng)4的中心區(qū)域得到所需均勻?qū)虼艌?chǎng) 6.在外部導(dǎo)向磁場(chǎng) 作用下，微型機(jī)器人1中的永磁磁塊1b將產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩，迫使永磁磁塊1b沿導(dǎo)向磁場(chǎng)方向取向。同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7通過射頻收發(fā)器啟動(dòng)微電動(dòng)機(jī)1f，由蝸桿1g帶動(dòng)尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1h與尾部1i，使微型機(jī)器人1沿指定方向前進(jìn)。
7.微型機(jī)器人1移動(dòng)過程中移動(dòng)方向與速度的連續(xù)控制。由于管路2的內(nèi)部尺寸與延伸方向的不確定性，必須隨時(shí)調(diào)整微型機(jī)器人1的移動(dòng)方向與速度，就需要操作者通過微型機(jī)器人1體外導(dǎo)向系統(tǒng)時(shí)時(shí)獲得管路2與微型機(jī)器人1的相對(duì)位置信息，并通過體外導(dǎo)向控制系統(tǒng)使微型機(jī)器人1最終移動(dòng)至指定位置。
8.當(dāng)微型機(jī)器人1完成所給探尋任務(wù)，或者因?yàn)橛龅秸系K等原因需要向后移動(dòng)時(shí)，與前向移動(dòng)時(shí)類似，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)7通過射頻發(fā)射器發(fā)射射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)至微型機(jī)器人1，使微電動(dòng)機(jī)1f驅(qū)動(dòng)尾部1i反向轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)使微型機(jī)器人1向后移動(dòng)。而且，與前進(jìn)時(shí)一樣，后退過程也需要在體外導(dǎo)向控制系統(tǒng)的控制下進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種微型機(jī)器人，機(jī)身[1a]內(nèi)部鏤空，布置有射頻接收器[1d]、微型電池[1e]與微電動(dòng)機(jī)[1f]，其特征在于機(jī)身[1a]內(nèi)部前端周面上開有一個(gè)用于布置永磁磁塊[1b]的螺旋槽，永磁磁塊[1b]外周面有螺旋槽，與機(jī)身[1a]內(nèi)部前端環(huán)形螺旋槽密閉配合；機(jī)身[1a]底部開有一個(gè)軸向通孔；尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[1h]與尾部[1i]通過從機(jī)身[1a]通孔內(nèi)伸出的旋轉(zhuǎn)桿固定連接，旋轉(zhuǎn)桿與機(jī)身[1a]采用高彈性密封膜密封；微型機(jī)器人[1]前端光滑，外壁表面無突起或溝槽；射頻接收器[1d]安裝在機(jī)身[1a]后端內(nèi)周面上，微電動(dòng)機(jī)[1f]與射頻接收器[1d]由微型電池[1e]供電，該電池[1e]安裝在機(jī)身[1a]后端內(nèi)周面上，位置與射頻接收器[1d]對(duì)稱；尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[1h]通過蝸桿[1g]與微電動(dòng)機(jī)[1f]主軸連接，帶動(dòng)微型機(jī)器人1向前或向后移動(dòng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的微型機(jī)器人，其特征在于微型機(jī)器人[1]尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[1h]由蝸桿[1g]、蝸輪、凸輪、旋轉(zhuǎn)桿、底板、鉸鏈、永磁鐵與電磁線圈組成，蝸桿[1g]安裝在微電動(dòng)機(jī)[1f]主軸上，蝸輪和凸輪共軸布置，蝸輪的轉(zhuǎn)軸安裝在底板上，該底板粘貼在機(jī)身上，旋轉(zhuǎn)桿安裝在鉸鏈上，鉸鏈固定在微電動(dòng)機(jī)[1f]的殼體上，旋轉(zhuǎn)桿的一端與尾部[1i]固定連接，其另一端與凸輪連接，永磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)桿上，電磁線圈位于永磁鐵的外側(cè)。
3.按照權(quán)利要求1所述的微型機(jī)器人，其特征在于微型機(jī)器人[1]機(jī)殼[1c]及尾部[1i]采用光滑的、具有柔韌性的醫(yī)用材料制成，尾部[1i]形狀類似于趨磁細(xì)菌的鞭毛，永磁磁塊[1b]采用高性能稀土永磁材料制成。
4.一種如權(quán)利要求1所述微型機(jī)器人的體外導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于包括磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]、磁定位子系統(tǒng)[5]、成像子系統(tǒng)[6]以及計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]；計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]分別與微型機(jī)器人[1]、磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]、磁定位子系統(tǒng)[5]以及成像子系統(tǒng)[6]連接；成像子系統(tǒng)[6]對(duì)待探測(cè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)斷層平面掃描，所得原始圖像數(shù)據(jù)被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]進(jìn)行圖像重建并顯示，磁定位子系統(tǒng)[5]對(duì)微型機(jī)器人[1]內(nèi)部的永磁磁塊[1b]進(jìn)行磁定位，所得原始位置信息被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]進(jìn)行位置重建，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]產(chǎn)生導(dǎo)向控制信息并傳遞至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]，磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]對(duì)微型機(jī)器人[1]進(jìn)行導(dǎo)向控制，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]發(fā)送射頻控制信號(hào)至微型機(jī)器人[1]。
5.按照權(quán)利要求4所述的微型機(jī)器人體外導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]中，三組亥姆霍茲線圈[4a、4b和4c]均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，直徑相等，兩兩正交；每組線圈分別由兩對(duì)互相平行的圓形線圈組成。
6.按照權(quán)利要求4所述的微型機(jī)器人體外導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于磁定位子系統(tǒng)[5]中，采用8個(gè)巨磁電阻傳感器[5a]，分兩層布置于管路[2]的外部，即在受檢者軸線方向上分前后互相平行的兩層布置，以時(shí)時(shí)檢測(cè)微型機(jī)器人[1]內(nèi)永磁磁塊磁場(chǎng)的分布變化，并將檢測(cè)結(jié)果與已知的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬，通過磁定位求逆算法獲得微型機(jī)器人[1]的位置信息。7、按照權(quán)利要求4或6所述的微型機(jī)器人體外導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]由磁定位求逆算法進(jìn)行位置重建流程如下首先確定統(tǒng)一坐標(biāo)系，給出各巨磁電阻[5a]在坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)；根據(jù)成像子系統(tǒng)[6]提供的管路[2]幾何形狀，選取管路[2]的幾何中心軸作為機(jī)器人[1]參考移動(dòng)軌跡；對(duì)于給定的永磁磁塊[1b]，計(jì)算當(dāng)其位于參考移動(dòng)軌跡上每一點(diǎn)時(shí)各巨磁電阻[5a]所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，并預(yù)測(cè)各巨磁電阻[5a]的測(cè)量值，建立一張位置—磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表；然后，在機(jī)器人[1]體外控制系統(tǒng)的配合下使機(jī)器人[1]在管路[2]中盡可能沿參考移動(dòng)軌跡移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中連續(xù)記錄每個(gè)巨磁電阻[5a]的測(cè)量值；最后，由各測(cè)量值，結(jié)合位置—磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表進(jìn)行曲線擬合，獲得對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻機(jī)器人[1]的近似位置。
8.按照權(quán)利要求4所述的微型機(jī)器人體外導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]通過磁導(dǎo)向算法控制機(jī)器人的移動(dòng)方向的流程如下首先，根據(jù)成像子系統(tǒng)[6]生成的管路[2]延伸圖像建立一條機(jī)器人[1]參考移動(dòng)軌跡，選取管路[2]的幾何中心軸為參考軌跡；在當(dāng)前圖像的有效時(shí)間內(nèi)，將磁定位子系統(tǒng)[5]測(cè)得的一系列不連續(xù)機(jī)器人位置坐標(biāo)連接起來獲得一條折線路徑；當(dāng)機(jī)器人1的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管路的長(zhǎng)度時(shí)，可將機(jī)器人1看成質(zhì)點(diǎn)，假設(shè)t＝t0時(shí)刻機(jī)器人1位于p0(x0，y0，z0)，在不超過磁定位子系統(tǒng)位置分辨率的情況下，經(jīng)過時(shí)間段Δt，Δt→0，機(jī)器人1移動(dòng)至p1(x1，y1，z1)點(diǎn)；在參考移動(dòng)軌跡上找一點(diǎn)p′1，該點(diǎn)為p1點(diǎn)在參考移動(dòng)軌跡上的正交投影，計(jì)算出參考移動(dòng)軌跡在p′1點(diǎn)切線方向的方向?qū)?shù)，以及由p0點(diǎn)指向p1點(diǎn)的方向?qū)?shù)；再計(jì)算出上述兩方向?qū)?shù)之差，此差值即為所求的導(dǎo)向磁場(chǎng)方向修正值；最后將方向修正值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)于p1點(diǎn)的導(dǎo)向磁場(chǎng)控制參數(shù)，并由接口電路傳送至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]的電源裝置[4d]，使機(jī)器人[1]盡可能沿參考移動(dòng)軌跡移動(dòng)。
全文摘要
一種微型機(jī)器人及其體外導(dǎo)向系統(tǒng)，機(jī)身[1a]內(nèi)部布置有永磁磁塊[1b]、微電動(dòng)機(jī)[1f]、射頻接收器[1d]、微型電池[1e]，尾部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[1h]與尾部[1i]通過從機(jī)身[1a]后端通孔內(nèi)伸出的旋轉(zhuǎn)桿形成固定連接，旋轉(zhuǎn)桿與機(jī)身[1a]采用高彈性密封膜密封。微型機(jī)器人的體外導(dǎo)向控制系統(tǒng)，由成像子系統(tǒng)[6]對(duì)待探測(cè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)掃描，所得原始圖像數(shù)據(jù)被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[7]進(jìn)行圖像重建，磁定位子系統(tǒng)[5]對(duì)微型機(jī)器人[1]內(nèi)部的永磁磁塊[1b]進(jìn)行磁定位，所得原始位置信息被送入計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[5]進(jìn)行位置重建，計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)[5]產(chǎn)生導(dǎo)向控制信息并傳遞至磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]，磁導(dǎo)向子系統(tǒng)[4]對(duì)微型機(jī)器人[1]進(jìn)行導(dǎo)向控制。
文檔編號(hào)F17D5/00GK1973753SQ20061016549
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者宋濤, 李曉南, 王錚, 王明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所