CN101771322B - 一种胶囊机器人的电磁驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁驱动技术领域，具体地说是一种胶囊机器人的电磁驱动器，包括定子及动子，其中定子包括支架、外壳、线圈及垫圈，动子包括导磁体、导磁垫片、磁钢及导磁端盖，导磁体位于两端设有支架的外壳内，导磁体上安装有导磁端盖，导磁端盖与导磁体形成的空间内间隔设有多个磁钢及导磁垫片，在磁钢及导磁垫片与导磁体之间间隔设有多个线圈及垫圈，导磁体、导磁端盖、磁钢及导磁垫片可相对线圈及垫圈沿轴向往复移动；两端的支架分别与线圈相抵接。本发明具有结构简单、体积小，输出力大，功耗低、利用率高等优点。

Description

一种胶囊机器人的电磁驱动器

技术领域

本发明属于电磁驱动技术领域，具体地说是一种胶囊机器人的电磁驱动器。

背景技术

胶囊机器人是人体消化道检查机器人的一种，是机器人技术在医疗领域中应用的产物，它具有检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响患者正常工作等优点，可作为消化道疾病，尤其是小肠疾病诊断的首选方法。“内力-摩擦”型胶囊机器人没有外部的如腿、轮子等驱动机构，因外形酷似胶囊而得名，它依靠系统内力以及与外环境间的摩擦力来驱动。基于“内力-摩擦”型胶囊机器人的驱动方式，要求其驱动器具有体积小、功耗低、输出力大等特点。

目前，主动型胶囊机器人的驱动方式主要有仿生驱动和螺旋驱动等方式。其中，仿生驱动以模仿蚯蚓和尺蠖的运动方式为主。它以胶囊本身形变为运动的基础，以消化道管壁作为作用点，因此可能对消化道壁造成损伤。螺旋驱动方式是使胶囊体产生相对旋转，通过胶囊外表面的螺纹与肠道内黏液的作用推动胶囊运动；由于驱动机理的限制，在消化道直径较大的区域，这种驱动方式的效率较低。而利用体外磁场驱动胶囊旋转的方式，驱动器结构和胶囊的控制过程都很复杂，不便于实际应用。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种不损伤消化道的胶囊机器人的电磁驱动器，具有体积小、输出力大、功耗低的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括定子及动子，其中定子包括支架、外壳、线圈及垫圈，动子包括导磁体、导磁垫片、磁钢及导磁端盖，导磁体位于两端设有支架的外壳内，导磁体上安装有导磁端盖，导磁端盖与导磁体形成的空间内间隔设有多个磁钢及导磁垫片，在磁钢及导磁垫片与导磁体之间间隔设有多个线圈及垫圈，导磁体、导磁端盖、磁钢及导磁垫片可相对线圈及垫圈沿轴向往复移动；两端的支架分别与线圈相抵接。

其中：所述导磁体为一端设有底板、另一端开口的圆柱体，导磁体沿轴向均布开有多个第二凹槽，相邻第二凹槽之间构成与底板连接的侧板；导磁体的内径大于磁钢的直径；第二凹槽的内径与磁钢的直径相同，外径与导磁体的外径相同；所述磁钢为圆柱体，轴向充磁，同级相对沿轴向排列；导磁垫片的直径与磁钢的直径相同、同轴设置于相邻磁钢之间；所述导磁端盖的形状与导磁体上的底板的形状相同，导磁端盖上均布有多个第三凹槽，相邻第三凹槽之间构成第二凸部；第二凸部插接于导磁体上的第二凹槽，导磁体上的侧板插接于第三凹槽；所述线圈及垫圈套接在磁钢及导磁垫片外部、位于磁钢及导磁垫片与导磁体之间，垫圈的直径与线圈的直径相同、同轴设置于相邻线圈之间；两相邻线圈之间对应一个导磁垫片，该导磁垫片在动子行程的初始位置与终止位置分别与两个相邻线圈相对应；外壳为圆柱体，两端分别均布有多个第一凹槽；所述支架由圆环及爪组成，圆环的外径与外壳的内径相同；圆环上均布有多个爪，爪上设有弧形的第一凸部，爪插接于外壳的第一凹槽，第一凸部的截面抵接于线圈；磁钢为三个，线圈为四个，第一、三线圈为一组供电线圈，同时供有相反方向的电流，第二、四线圈为一组供电线圈，同时供有相反方向的电流。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明针对“内力-摩擦”型胶囊机器人的驱动方式而设计，结构简单、体积小，输出力大，功耗低。

2.本发明采用聚磁的结构设计，在磁钢之间用导磁垫片隔开，使得驱动线圈处于强气隙磁场中，提高了能量的利用率。

3.本发明利用外壳内部的线圈驱动，避免了对消化道造成损伤。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部结构剖视图；

图3为本发明的磁钢装配组与线圈、垫圈装配组的结构示意图；

图4为图2中外壳的结构示意图；

图5为图2中导磁体的结构示意图；

图6为图2中支架的结构示意图；

图7为图2中导磁端盖的结构示意图；

其中：1为导磁体，2为导磁垫片，3为磁钢，4为线圈，5为垫圈，6为支架，7为外壳，8为导磁端盖，9为第一凹槽，10为侧板，11为第二凹槽，12为底板，13为圆环，14为爪，15为第一凸部，16为第二凸部，17为第三凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明包括定子及动子，其中支架6、外壳7、线圈4及垫圈5胶粘固定在一起作为定子，导磁体1、导磁垫片2、磁钢3及导磁端盖8胶粘固定在一起作为动子。导磁体1位于两端设有支架6的外壳7内，导磁体1上安装有导磁端盖8，导磁端盖8与导磁体1形成的空间内间隔设有多个磁钢3及导磁垫片2(本实施例为三片磁钢、两片导磁垫片)，磁钢3及导磁垫片2与导磁体1同轴放置，在磁钢3及导磁垫片2与导磁体1之间间隔设有多个线圈4及垫圈5(本实施例为四个线圈、三个垫圈)，导磁体1、导磁端盖8、磁钢3及导磁垫片2可相对线圈4及垫圈5沿轴向往复移动；两端的支架6分别与线圈4相抵接。

如图5所示，导磁体1为一端设有底板12、另一端开口的圆柱体，导磁体1沿轴向均布开有多个第二凹槽11，第二凹槽11的个数为2～4个，本实施例为三个，相邻第二凹槽11之间构成与底板12连接的侧板10，侧板也为三个；第二凹槽11的内径与磁钢3的直径相同，外径与导磁体1的外径相同。磁钢3为圆柱体，轴向充磁，同级相对沿轴向排列；导磁垫片2的直径与磁钢3的直径相同、同轴设置于相邻磁钢之间，三片磁钢与两片导磁垫片组成一个装配组，磁钢与导磁垫片通过胶粘固定。导磁体1的内径大于磁钢3及导磁垫片2的直径，导磁体1的深度则刚好能够沿轴向放入三片磁钢、两片导磁垫片及导磁端盖。

如图7所示，导磁端盖8的形状与导磁体1上的底板12的形状相同，使组装后的驱动器具有两端对称的结构；导磁端盖8上均布开有多个第三凹槽17(本实施例为三个)，相邻第三凹槽17之间构成第二凸部16，第二凸部16也为三个；第二凸部16插接于导磁体1上的第二凹槽，导磁体1上的侧板10插接于第三凹槽17。

线圈4及垫圈5为圆环形，同轴套接在磁钢3及导磁垫片2外部、位于磁钢3及导磁垫片2与导磁体1之间，垫圈5的直径与线圈4的直径相同、同轴设置于相邻线圈之间，四个线圈与三个垫圈组成一个装配组，该装配组的长度小于磁钢与导磁垫片的装配组长度，线圈4与垫圈5通过胶粘固定。两相邻线圈4之间对应一个导磁垫片2，该导磁垫片在动子行程的初始位置与终止位置分别与两个相邻线圈相对应，即第一、三线圈为一组供电线圈，同时供有相反方向的电流，第二、四线圈为一组供电线圈，同时供有相反方向的电流，使两组线圈分时供有所需方向的电流来完成驱动器的整个运行周期。

如图4所示，外壳7为圆柱体，两端分别均布有多个第一凹槽9。

如图6所示，支架6由圆环13及爪14组成，圆环13的外径与外壳7的内径相同，使圆环13恰好通过胶粘固定在外壳7上；圆环13上均布有多个爪14(本实施例为三个)。爪14上设有弧形的第一凸部15，爪14插接于外壳7的第一凹槽9，该第一凸部15与第一凹槽9的接触面为弧面，第一凸部15的截面抵接于线圈4。

安装时，先将磁钢3及导磁垫片2同轴地装入导磁体1中，再将线圈4及垫圈5同轴放置于导磁体1与磁钢3及导磁垫片2之间的间隙中，用导磁端盖8将导磁体1的开口端封住；然后放置于外壳7内，两端用支架6固定。

本发明的工作原理为：

三片磁钢同极相对放置，调整导磁垫片的厚度，产生聚磁效果，使夹在三片磁钢之间的两片导磁垫片与导磁体1之间分别形成反向的强气隙磁场。开始时，动子位于外壳7内的左端，此时，第一、三线圈分别与两片导磁垫片相对应；开始运行时，第一、三线圈位于导磁垫片磁场较强的区域，给第一、三线圈通电流，控制第一、三线圈电流的方向，使第一、三线圈均受到向左的作用力，而动子受到反作用力向右运行。当动子运行到行程的一半(即动子即将滑过磁钢与导磁垫片装配组的中间位置)时，第一、三线圈离开导磁垫片，而导磁垫片开始逐渐运行到与第二、四线圈相对应；此时，给第二、四线圈通电流，控制电流方向，保持动子能够继续向右运行，直至行程结束。动子反行程运行的过程与上述类似，动子位于外壳7内的右端，此时，第二、四线圈分别与两片导磁垫片相对应；改变第二、四线圈的电流方向，使动子受力向左反向运行。当动子运行到行程的一半(即动子即将滑过磁钢与导磁垫片装配组的中间位置)时，第二、四线圈离开导磁垫片，而导磁垫片开始逐渐运行到与第一、三线圈相对应；此时，改为给第一、三线圈供电，控制电流方向，保证动子继续向左运行，直至动子运行到左端，完成一个运行周期。

动子在左半行程运行时，由第一、三线圈控制；动子在右半行程运行时，由第二、四线圈控制。本发明的电磁驱动器在100mA的电流下，可以达到250mN的最大输出力。

本发明电磁驱动器的外径可为4～100mm，本实施例为8mm，总长度可为6～200mm，本实施例为14mm；动子的运动行程可为1～20mm，本实施例为2mm；线圈与垫圈的厚度可为0.4～10mm，本实施例线圈与垫圈的厚度均为1mm。本实施例中，中间磁钢的厚度为3mm、两边磁钢的厚度为2mm，导磁垫片厚度为1mm，导磁体壁厚为0.5mm、直径为7mm、长度为10mm，第二凹槽的宽度为1/6圆环，外壳的厚度为0.5mm。

本发明可根据实际需要增加轴向长度及磁钢、导磁垫片、线圈、垫圈的个数；若个数增加，应保证N与N+1线圈之间的导磁垫片在动子从左向右运行时与第N个线圈相对应，而当动子从右向左反向运行时与第N+1个线圈相对应，其中N为1、3、5......的奇数；还应保证相间线圈同时通电，如第一、三线圈同时通电，第二、四线圈同时通电。

Claims (10)

1.一种胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：包括定子及动子，其中定子包括支架(6)、外壳(7)、线圈(4)及垫圈(5)，动子包括导磁体(1)、导磁垫片(2)、磁钢(3)及导磁端盖(8)，导磁体(1)位于两端设有支架(6)的外壳(7)内，导磁体(1)上安装有导磁端盖(8)，导磁端盖(8)与导磁体(1)形成的空间内间隔设有多个磁钢(3)及导磁垫片(2)，在磁钢(3)及导磁垫片(2)与导磁体(1)之间间隔设有多个线圈(4)及垫圈(5)，导磁体(1)、导磁端盖(8)、磁钢(3)及导磁垫片(2)可相对线圈(4)及垫圈(5)沿轴向往复移动；两端的支架(6)分别与线圈(4)相抵接。

2.按权利要求1所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述导磁体(1)为一端设有底板(12)、另一端开口的圆柱体，导磁体(1)沿轴向均布开有多个第二凹槽(11)，相邻第二凹槽(11)之间构成与底板(12)连接的侧板(10)；导磁体(1)的内径大于磁钢(3)的直径。

3.按权利要求2所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述第二凹槽(11)的内径大于磁钢(3)的直径，外径与导磁体(1)的外径相同。

4.按权利要求1所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述磁钢(3)为圆柱体，轴向充磁，同磁极相对沿轴向排列；导磁垫片(2)的直径与磁钢(3)的直径相同、同轴设置于相邻磁钢之间。

5.按权利要求2所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述导磁端盖(8)的形状与导磁体(1)上的底板(12)的形状相同，导磁端盖(8)上均布有多个第三凹槽(17)，相邻第三凹槽(17)之间构成第二凸部(16)；第二凸部(16)插接于导磁体(1)上的第二凹槽，导磁体(1)上的侧板(10)插接于第三凹槽(17)。

6.按权利要求1所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述线圈(4)及垫圈(5)套接在磁钢(3)及导磁垫片(2)外部、位于磁钢(3)及导磁垫片(2)与导磁体(1)之间，垫圈(5)的直径与线圈(4)的直径相同、同轴设置于相邻线圈之间。

7.按权利要求6所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：两相邻线圈(4)之间对应一个导磁垫片(2)，该导磁垫片在动子行程的初始位置与终止位置分别与所述两相邻线圈相对应。

8.按权利要求1所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述外壳(7)为圆柱体，两端分别均布有多个第一凹槽(9)。

9.按权利要求8所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述支架(6)由圆环(13)及爪(14)组成，圆环(13)的外径与外壳(7)的内径相同；圆环(13)上均布有多个爪(14)，爪(14)上设有弧形的第一凸部(15)，爪(14)插接于外壳(7)的第一凹槽(9)，第一凸部(15)的截面抵接于线圈(4)。

10.按权利要求1所述的胶囊机器人的电磁驱动器，其特征在于：所述磁钢(3)为三个，线圈(4)为四个，第一、三线圈为一组供电线圈，同时供有相反方向的电流，第二、四线圈为一组供电线圈，同时供有相反方向的电流。

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