CN100590963C - 体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学工程技术领域，公开了一种体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法。其特征是将z轴、y轴和x轴三组亥姆霍兹线圈组正交嵌套安装，使三组线圈在同一谐波电流驱动时各自的组合感抗相等和各自产生的谐波磁场磁感应强度的幅值相同；与机器人轴线方位角相关幅值和相位的同频率正弦谐波驱动电流在三轴正交亥姆霍磁线圈装置包围的一定空间内叠加形成相应方位角旋转轴线的空间万向均匀旋转磁场。通过改变电流频率调整磁场转速，通过改变三轴正交亥姆霍磁线圈驱动电流方向，可改变万向旋转磁场自旋方向。本发明的有益效果是适用于弯曲的人体内环境，实现体内机器人的转向、前进、后退、调速等诸多功能与体内的定位操作。

Description

体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法

技术领域

本发明属于医学工程技术领域，涉及一种分别向三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置施加以机器人轴线方位角为输入变量的相关幅值和相位的同频率正弦信号电流，在三轴相互正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置包围的一定空间内叠加形成旋转轴线与机器人轴线一致的万向旋转磁场，通过方位角的改变，可实现内嵌径向磁化钕铁硼磁体螺旋旋进医疗微型机器人沿体内任意方向驱动行走的基本方法。

背景技术

体内医疗微机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其管状柔弹性壁环境组织内形复杂，蜿蜒曲折，空间狭小，复杂非结构化的流体环境给微机器人的主动控制和操作带来了很大难度。为了不对柔弹性软组织造成创伤和进入体内深处，要求微机器人以无电缆驱动方式，通过游动可靠的进入和退出体内深处，并能安全精细地实现诊断、介入治疗等作业。体内医疗机器人无缆驱动技术对提高人类寿命与生活质量，避免外部手术对人体造成创伤甚至致残具有重要的科学意义，能减轻患者痛苦，缩短康复时间，降低医疗费用，必将对医学工程的发展产生极大的影响。

无缆驱动方式可显著提高体内机器人在复杂环境内的通过性、安全性与可靠性，因此微机器人无缆驱动已经成为国际上的主要发展趋势。日本K.Ishiyama等人提出了利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，作用于胶囊内嵌径向磁化钕铁硼磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进驱动的技术方案，但对如何产生空间旋转磁场并没有介绍，目前还处于保密状态。该驱动方法要求外旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线重合，才能有效的驱动机器人旋进行走，因此在弯曲环境内，要求外旋转磁场的轴线可以任意调整，以保证在弯曲柔弹性管内外旋转磁场的旋转轴线始终与机器人的轴线一致，才能实现体内弯曲环境内的驱动。目前尚未见到关于研究机器人在柔弹性弯曲环境内驱动方法的报道。中国科学院合肥智能机械研究所提出用梯度线圈轴向拉动胶囊机器人在肠道内移动的技术方案，该方式仍然属于有损伤式驱动，容易拉伤肠道，此外该方案要调整病床与磁场系统的相对位置，给患者带来了不适感。毋庸置疑万向外旋转磁场无损伤旋进驱动方式更具有实用前景。

人体软组织环境蜿蜒曲折，为了适应弯曲环境内的驱动，研究能根据弯曲环境的具体情况进行旋转轴线可任意调整的万向旋转磁场的驱动方法，研制基于该驱动方法的万向旋转磁场发生装置是问题的关键。这样才能根据柔弹性管道的弯曲情况进行调整，使万向旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线方向一致，实现体内复杂弯曲环境内的驱动。美国专利文献提出一种提供高频旋转磁场的方法和装置，将位相相差90度的正弦信号电流分别送入两个正交的亥姆霍兹线圈中，便产生了旋转磁场。

下面结合附图2，说明两轴正交亥姆霍兹线圈产生旋转磁场的原理。当分别向两轴正交亥姆霍兹线圈通入相同频率和相位差为90°的正弦信号电流时，两组线圈会产生相同频率、相位差为90°的正弦谐波交流磁场。采用感抗相同的两组正交亥姆霍兹线圈，产生的谐波磁场的磁感应强度幅值相同，则两轴磁场分量叠加后产生的磁场矢量是方向随时间变化的旋转磁场。

两轴正交亥姆霍兹线圈磁场矢量叠加后产生的旋转磁场如下：

${\stackrel{\·}{B}}_0\left(\mathrm{\ωt}\right)=B_0\cos \mathrm{\ωt}+i\·B_0\sin \mathrm{\ωt}$

其中，B₀为旋转磁场磁感应强度的幅值，ω为旋转磁场的角速度，B₀cosωt为t时刻x轴线圈磁场的磁感应强度，B₀sinωt为t时刻y轴线圈磁场的磁感应强度。向两线圈施加的谐波驱动电流分别为：

其中，I₀为向两组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，ω为施加正弦信号电流的角速度，施加正弦信号电流的频率为

通过调节加载正弦信号电流的频率可以控制磁场的旋转速度，通过改变加载正弦信号电流的幅值可以控制磁感应强度的大小。

另一个美国专利文献提出三对轴线互相正交的亥姆霍兹线圈嵌套成的组合阵列，分别驱动每对亥姆霍兹线圈，可实现三个垂直方向的消磁。经检索尚未发现三轴正交亥姆霍兹线圈嵌套组产生空间万向旋转磁场的相关研究文献。

综上所述，空间万向旋转磁场驱动技术是体内微型机器人在弯曲环境内驱动和实用化的关键技术。目前，尚未有人提出体内机器人基于万向旋转磁场的驱动技术方案与实现途径，该技术实用前景广阔，一旦取得突破，可以在体外施加万向旋转磁场驱动内嵌径向磁化钕铁硼磁体的体内微型螺旋驱动机器人。螺旋肋机器人特别适合大粘度液体内的驱动，通过螺旋肋与体内软组织可形成一层动压薄保护膜，进行无损伤驱动，使基于万向旋转磁场主动控制的体内无创窥视诊断、介入治疗的梦想变成现实。

发明内容

本发明要解决的技术方案是提供一种产生空间万向旋转磁场的驱动方法与具体操作途径，以实现内嵌钕铁硼内驱动器螺旋无损伤医疗微型机器人在体内弯曲复杂环境内的全方位驱动行走与姿态控制。

本发明的技术方案是：

将三组轴线相互正交的亥姆霍兹线圈嵌套在一起，构成三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置(c)，其空间区域包围病床(b)与患者(a)躯干部分，由外驱动控制器(d)分别向三轴亥姆霍兹线圈组施加与机器人运动方位角相关幅值和相位的同频率正弦信号电流，由三轴正交亥姆霍兹线圈叠加为一定区域内的旋转轴线与机器人运动方向一致的均匀万向旋转磁场，实现医疗微型机器人在体内弯曲环境内的驱动控制。以机器人在体内不同弯曲环境内预知的前方欲运动的方向角为输入，通过驱动三轴相互正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置(c)，可方便的实现万向旋转磁场的旋转轴线的方向调整，达到与机器人运动方向角相一致的目的，实现体内机器人沿着不同方向的驱动控制。

空间正交的三轴分量可以叠加出任意方向的矢量，因此为了产生空间万向旋转磁场，需要添加第三轴亥姆霍兹线圈。在参考两轴正交亥姆霍兹线圈产生固定旋转轴线的旋转磁场原理的基础上，通过控制三轴正交亥姆霍兹线圈组之间相关幅值与相位的正弦信号电流的加载关系，能够产生旋转轴线可调的空间万向旋转磁场。

下面结合附图3，说明三轴正交亥姆霍兹线圈产生空间万向旋转磁场的原理。空间单位向量为微机器人的运动方向向量，其中α，β，γ分别为

与空间卡迪尔坐标系的x，y，z轴的方向角，即是要求叠加产生万向旋转磁场旋转轴线的方向。参照两轴亥姆霍兹线圈产生旋转磁场的叠加原理，需要在向量

的垂直平面内寻找两个相互垂直的单位向量

和

只要沿这两个单位向量具有位相差为90°的正弦磁场分量，就可以叠加产生旋转轴线方向为的空间万向旋转磁场。

由空间解析几何可知，空间单位向量可以用方向余弦表示。选取向量

在xoy平面内且垂直于向量在该平面内的投影，则向量

垂直于向量经推导向量可表示为

选取向量

在noz平面内，且垂直于向量

因为向量垂直于平面noz，所以向量和向量

也相互垂直，因此向量

和向量

即为要求得的两个向量，满足产生旋转磁场的要求，下面进行向量的求解。

由向量的位置特征，设向量

为(x₂，y₂，sinγ)，其中x₂，y₂分别是在x、y轴的方向余弦，求解向量

的过程就是求解两个方向余弦x₂，y₂。由方向余弦的性质及两空间向量相互垂直的解析关系式有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2^2+y_2^2+{\sin }^2\mathrm{\γ}=1\\ x_2\·\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\γ}}+y_2\·(-\frac{\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\γ}})=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

求得

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\α}\\ y_2=\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{x}_2=-\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\α}\\ y_2=-\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.$

根据向量与向量

相互垂直的关系有：x₂·cosα+y₂·cosβ+sinγ·cosλ＝0将以上两组解分别代入以上相互垂直关系式验证得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=-\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\α}\\ y_2=-\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.$

所以向量的方向余弦为：(-ctgγ·cosα，-ctgγ·cosβ，sinγ)。

当沿两个相互垂直的向量

和向量

的磁感应强度分量分别为如下形式时，便可叠加产生旋转轴线方向为

的空间万向旋转磁场。

$B_1=B_0\·(i\·\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\γ}}-j\·\frac{\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\γ}})\·\cos \mathrm{\ωt}---\left(3\right)$

B₂＝B₀(·-i·ctgγ·cosα-j·ctgγ·cosβ+k·sinγ)·sinωt  (4)

因此只需向三轴正交亥姆霍兹线圈内分别加载如下公式(5)中的电流，就能使产生的万向旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线一致，驱动机器人沿着向量

的方向运动。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_x=I_0\·(\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\ωt}-\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\ωt})\\ I_y=I_0\·(-\frac{\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\γ}}\·\cos \mathrm{\ωt}-\mathrm{ctg\γ}\·\cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\ωt})\\ I_z=I_0\·\sin \·\mathrm{\γ}\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right.---\left(5\right)$

对上式变换得

其中，α，β，γ分别为向量与空间卡迪尔坐标系的x，y，z轴的方向角，

I₀为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，ω为施加正弦信号电流的角速度，施加正弦信号电流的频率为 $f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}.$

每轴电流正方向与相应的坐标轴之间满足右手定则。

式(6)是三轴正交亥姆霍兹线圈产生空间万向旋转磁场的一般驱动关系式，

式(1)为两轴正交亥姆霍兹线圈产生固定轴旋转磁场的驱动关系式，是式(6)的一个特例，可见式(6)是正确的。

由式(6)可见，三轴正交亥姆霍兹线圈加载正弦信号电流的幅值跟机器人运动方向角的正弦成正比，各个加载正弦信号的相位差也与方向余弦有关，因此以机器人的运动方向角为输入变量，调节三轴正交亥姆霍兹线圈的加载正弦信号电流关系，便可产生旋转轴线与机器人轴线相一致的空间万向旋转磁场，实现对机器人沿任意方向的驱动控制。

通过坐标变换所得出的向三轴相互正交嵌套的亥姆霍兹线圈组装置施加三路同频率的幅值和相位与方位角(cosα，cosβ，cosγ)为输入变量相关的正弦信号函数关系的其它表达形式，与公式(6)是实质相同的产生空间万向旋转磁场的正弦信号表达式。

本发明的效果和益处是：

通过软件编程可叠加产生空间万向旋转磁场，解决了体内医疗微型机器人沿任意方向的驱动行走问题，可实现机器人在体内弯曲环境内的无缆驱动。患者可以在病床上安静的躺下，操作者通过万向旋转磁场的控制实现体内机器人的转向、前进、后退和速度调整等功能，克服了以往病床相对磁场的调整运动给患者带来的不舒适感，提高了体内机器人控制的可靠性与实用性。

附图说明

附图1是本发明的万向旋转磁场装置用于体内介入医疗的技术方案示意图。

附图2是两轴正交亥姆霍兹线圈装置产生旋转磁场的原理图

附图3是三轴正交亥姆霍兹线圈产生空间万向旋转磁场的原理图。

附图4是三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置与驱动控制系统结构图。

图中：a患者；b病床；c三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈磁场叠加装置；d驱动控制器。

1内嵌径向磁化体的螺旋体内机器人；2轴向为x轴的亥姆霍兹线圈组；

3轴向为y轴的亥姆霍兹线圈组；     4轴向为z轴的亥姆霍兹线圈组；

5控制器；6驱动器。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例：

本发明的实施步骤如下：

(1)规划三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈组围成的空间，以便包容人体与病床；采用轴向为z轴的亥姆霍兹线圈组4，轴向为y轴的亥姆霍兹线圈组3和轴向为x轴的亥姆霍兹线圈组2从大到小的顺序相互正交嵌套的安装方案。

(2)在以上顺序嵌套安装方案的基础上，完成轴向为z轴的亥姆霍兹线圈组4，轴向为y轴的亥姆霍兹线圈组3和轴向为x轴的亥姆霍兹线圈组2的匹配设计，使三组亥姆霍兹线圈在同一正弦信号电流驱动时的各自的组合感抗相等和各自产生的谐波磁场磁感应强度的幅值相同，保证三轴磁场分量叠加后的磁场是均匀的空间旋转磁场。按三组亥姆霍兹线圈组的尺寸从大到小嵌套安装，为了补偿大线圈中心区域的磁场强度损耗，采取的技术途径是相应的增加z轴的亥姆霍兹线圈组4和y轴的亥姆霍兹线圈组3的匝数使三组亥姆霍兹线圈在同一正弦信号电流驱动时三组线圈的谐波磁场磁感应强度的幅值相同；为了补偿小线圈匝数少感抗小的问题，将一定相应的电感分别串接到y轴的亥姆霍兹线圈组3和x轴的亥姆霍兹线圈组2上，使三组亥姆霍兹线圈在同一正弦信号电流驱动时各自的组合感抗相等，完成匹配设计。

(3)控制器5的设计采用带有三路独立输出的DDS芯片AD9959作为信号发生电路的核心器件，利用单片机控制AD9959输出三路频率相同的相关的相位和幅值满足公式(6)的函数关系的正弦信号，三路信号经滤波放大后，再经过功率放大驱动器6，以输出足够大的电流，分别驱动三轴相互正交亥姆霍兹线圈，每组线圈都产生一个空间磁场，磁场方向也相互正交，三个磁场的正交磁矢量叠加后，在三轴线圈所包围的空间内形成一个均匀的旋转磁场。

其中，α，β，γ分别为向量

与空间卡迪尔坐标系的x，y，z轴的方向角，

I₀为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，ω为施加正弦信号电流的角速度，施加正弦信号电流的频率为 $f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}.$

每轴电流正方向与相应的坐标轴之间满足右手定则。

(4)信号发生电路外围是人机交互电路，包括键盘电路、显示电路和串口通信电路。键盘电路负责对键盘进行扫描，从键盘接受相应键值，包括输出信号的频率、幅值和相位的设置以及各种功能键的值，键值送入单片机后经过程序解释后，作为频率控制字、幅值控制字和相位控制字等指令送入DDS芯片，AD9959收到指令后即执行调整输出信号的频率，幅值和相位等相应操作，且每一路输出信号都可以单独调制。显示电路可显示输出信号的各项参数值及键盘输入的键值，便于对输出信号进行控制。通过串口通信电路单片机可以与上位PC机通信，在PC机中的虚拟仪表界面下，能够设置系统输出信号的各项参数，还可以读出单片机当前的工作状态和信息。

(5)当需要产生磁场方向向量为

(cosα，cosβ，cosγ)的空间旋转磁场时，其中α，β，γ分别为

与x，y，z轴的方向角，首先将方向角α，β，γ的值输入PC机，PC机根据方程(6)，经过运算，求得在x，y，z轴方向产生满足要求的磁场时，三组线圈分别加载的三路正弦信号I_x，I_y，I_z。再将所得正弦信号I_x，I_y，I_z的频率、相关幅值和相位参数通过PC机上的人机交互界面发送给单片机，由单片机控制DDS芯片AD9959输出满足要求的三路正弦信号，经过滤波放大后，分别加载到对应的亥姆霍兹线圈上，从而产生磁场方向为

的满足要求的空间万向旋转磁场。

(6)空间万向旋转磁场的转速可通过改变输出正弦信号的频率来实现，而磁场强度的大小则由电流的幅值来控制。当需要空间万向磁场反向旋转时，只需要将反转磁场的旋转轴方向的方向角(π+α)，(π+β)，(π+γ)的值输入PC机中，刷新三路输出信号的波形参数，新的电流信号加载到线圈上，即可驱动产生反向旋转的万向空间旋转磁场，实现机器人沿任意方向后退的驱动控制。

Claims (1)

1、体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法，其特征在于：

(1)将轴向为z轴的亥姆霍兹线圈组(4)，轴向为y轴的亥姆霍兹线圈组(3)和轴向为x轴的亥姆霍兹线圈组(2)由大到小顺序正交嵌套安装后的三组亥姆霍兹线圈组的电路匹配设计；增加z轴的亥姆霍兹线圈组(4)和y轴的亥姆霍兹线圈组(3)的匝数，使以同一谐波电流驱动时，在三组正交嵌套的亥姆霍兹线圈组产生谐波磁场的磁感应强度的幅值相同，将电感分别串接到y轴的亥姆霍兹线圈组(3)和x轴的亥姆霍兹线圈组(2)上，使三组亥姆霍兹线圈在同一谐波电流驱动时各自的组合感抗相等，保证三轴磁场分量叠加后的磁场是均匀的空间旋转磁场；

((2))产生旋转轴的单位向量为(cosα，cosβ，cosγ)的空间万向旋转磁场时，将方向角α，β，γ的值为输入变量，控制三路输出频率相同的满足公式(6)的函数关系的正弦信号分别驱动三个轴线相互正交的亥姆霍兹线圈，在其所包围的一定空间内形成均匀的万向旋转磁场；

其中，α，β，γ分别为单位向量

与空间卡迪尔坐标系的x，y，z轴的方向角，

I0为向三组正交亥姆霍兹线圈中通入的正弦信号电流的幅值，ω为施加正弦信号电流的角速度，施加正弦信号电流的频率为 $f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}};$ 每轴电流正方向与相应的坐标轴之间满足右手定则；

((3))空间万向旋转磁场的转速通过改变三组输出正弦信号的频率来实现；磁场强度的大小由三组输出正弦信号的幅值来控制；当需要空间万向旋转磁场反向旋转时，只需要将反转磁场的旋转轴方向

(-cosα，-cosβ，-cosγ)的方向角(π+α)，(π+β)，(π+γ)的值为新的输入变量即可，依据满足公式(6)的函数关系的正弦信号分别驱动三个轴线相互正交的亥姆霍兹线圈，产生反向旋转的万向空间旋转磁场，实现机器人任意方向的后退驱动控制。

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