CN106606377B - 一种医学用自给式主动径向驱动装置 - Google Patents
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Abstract
一种医学用自给式主动径向驱动装置，包括：壳体、轴体、安装座对、至少一对径向位移传感器组件对、至少一对径向磁轴承组件对和保护块对；每对径向位移传感器组件对中的两个径向位移传感器组件相互对称地分别设置在壳体内部的左右两端，包括传感器定子、传感器探头和检测环，传感器定子的传感器探头与检测环形成探测间隙；每对径向磁轴承组件对中的两个径向磁轴承组件比径向位移传感器组件更靠内地相互对称地分别设置在壳体的两端，包括径向磁轴承定子、线圈和径向磁轴承转子，径向磁轴承定子和径向磁轴承转子之间形成磁间隙，线圈缠绕在径向磁轴承定子的每个磁极上。整个装置可实现轴体的径向方向的精确悬浮以及沿径向方向的偏转控制。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及一种医学用自给式主动径向驱动装置，其可作为内镜或显微手术机器人装置的运动机构。
背景技术
随着医学科技的快速迅猛发展，疾病诊断、监测、采样和活体内临床手术处理越来越趋于微创和无创化，因此对在体内进行微创或无创医疗检测的机器人，例如，主动引导内窥镜的蠕动式机器人，的需求越来越大，要求也越来越高，特别是对这种机器人的体积、质量、功能上提出了更高的要求。目前商用胶囊机器人，例如，用于自动拍摄消化道内的图片的胶囊内镜，多是被动随消化系统蠕动而无法控制其方位，在肠道狭窄和皱褶区域会发生嵌顿、滞留现象。而应用内镜运动机器人的运动装置尚处于试验阶段且结构比较复杂，其中，有的装置是利用外界磁场与进入体内的蠕动式机器人的相互作用力实现该蠕动式机器人的自主蠕动功能，然而，由于外界磁场漏磁较大，如果要实现体外磁场与体内磁场的相互作用，那么体外磁场的体积会很大，不利于病人临床上的安放和限制病人自由活动。此外，现有的蠕动式机器人的自给式蠕动装置无法实现轴的精确控制，导致实际应用时误差很大，而且现有的自给式蠕动装置只能实现单一自由度的出力，无法实现各个自由度上的出力。
发明内容
基于此，有必要针对现有内镜或显微手术机器人中蠕动运动装置体积大以及功耗高的问题，提供一种医学用自给式主动径向驱动装置，其不依赖复杂的外界磁场驱动，便于精确的蠕动控制，具有体积小、功耗低的特点。
本发明提供了一种医学用自给式主动径向驱动装置，包括：
壳体，该壳体为中空圆筒状，包括相对的左右两个开口；
轴体，该轴体横向设置在所述壳体的所述两个开口之间；
安装座对，该安装座对中的两个安装座分别设置在所述壳体的所述两个开口上，与所述壳体固定连接；
至少一对径向位移传感器组件对，每对径向位移传感器组件对中的两个径向位移传感器组件相互对称地分别设置在所述壳体内部的左右两端，每个径向位移传感器组件包括传感器定子和检测环，所述传感器定子外表面连接在所述壳体上，所述检测环位于所述传感器定子内并安装在所述轴体上；
至少一对径向磁轴承组件对，该至少一对径向磁轴承组件对位于所述壳体内，每对径向磁轴承组件对中的两个径向磁轴承组件相对所述径向位移传感器组件更靠内地相互对称地分别设置在所述轴体的两端，每个所述径向磁轴承组件包括径向磁轴承定子、线圈和径向磁轴承转子，所述径向磁轴承定子外表面连接在所述壳体上，所述径向磁轴承转子位于所述径向磁轴承定子内并安装在所述轴体上，所述径向磁轴承定子和所述径向磁轴承转子之间形成磁间隙；以及
保护块对，该保护块对中的两个保护块相对所述径向位移传感器组件更靠外地分别设置在所述轴体的最外两端，与所述径向位移传感器组件的检测环连接，并与同侧的所述安装座在在径向方向上形成保护间隙；
其中，设置在所述壳体同一端的所述径向位移传感器组件的传感器定子与所述径向磁轴承组件的径向磁轴承定子在轴向方向上相邻，所述径向位移传感器组件的检测环位于所述径向磁轴承组件的径向磁轴承转子的侧面；所述径向磁轴承组件的径向磁轴承定子包括周向上均匀地间隔设置在所述径向磁轴承定子上的多个磁极，所述径向磁轴承组件的线圈缠绕在所述多个磁极中的每个磁极上；所述径向位移传感器组件还包括周向上均匀地间隔设置在所述传感器定子上的多个传感器探头，所述至少多个传感器探头中的每个传感器探头与所述检测环形成探测间隙。
在其中一个实施例中，单独对所述径向磁轴承组件中的所述线圈中的电流进行控制。
在其中一个实施例中，所述径向磁轴承组件中的所述径向磁轴承定子和所述径向磁轴承转子均为实心结构，由饱和磁密高的软磁材料制成，该软磁材料包括1J50、1J22和硅钢DW270。
在其中一个实施例中，所述径向位移传感器组件中的所述传感器定子和所述检测环由高磁导率的材料制成，该高磁导率的材料包括1J85、1J50、1J79和40Cr。
在其中一个实施例中，所述径向磁轴承定子与所述径向磁轴承转子之间形成的所述磁间隙的大小为0.15mm～0.3mm。
在其中一个实施例中，所述径向位移传感器定子与所述检测环之间形成的所述探测间隙的大小为0.5mm～1mm。
在其中一个实施例中，所述安装座与同侧的所述保护块之间形成的所述保护间隙大小为0.1mm～0.15mm。
在其中一个实施例中，所述医学用自给式主动径向驱动装置仅包括一对所述径向位移传感器组件对和一对所述径向磁轴承组件对，其中，该径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件配置为包括分别按照+x、-x、+y、-y方向设置在所述传感器定子上的四个传感器探头,x方向上的传感器探头和y方向上的传感器探头互相垂直；该径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件包括分别按照+x、-x、+y、-y方向设置在所述径向磁轴承定子上的四个磁极，x方向上的磁极和y方向上的磁极相互垂直。
优选地，为了减小整个装置在径向方向上的体积，所述医学用自给式主动径向驱动装置可以包括两对所述径向位移传感器组件对，这两对所述径向位移传感器组件对包括第一径向位移传感器组件对和第二径向位移传感器组件对，其中，所述第一径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件配置为包括分别按照+x、-x方向设置在所述传感器定子上的两个传感器探头，所述第二径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件配置为包括分别按照+y、-y方向设置在所述传感器定子上的两个传感器探头，x方向上的传感器探头和y方向上的传感器探头相互垂直，所述第一径向位移传感器组件对利用分别按照+x和-x方向设置的传感器探头检测所述轴体沿x方向的平动和绕y方向的转动，所述第二径向位移传感器组件对利用分别按照+y和-y方向设置的传感器探头检测所述轴体沿y方向的平动和绕x方向的转动。
优选地，为了减小整个装置在径向方向上的体积，所述医学用自给式主动径向驱动装置还可以包括两对所述径向磁轴承组件对，这两对所述径向磁轴承组件对包括第一径向磁轴承组件对和第二径向位径向磁轴承组件对，其中，所述第一径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件配置为包括分别按照+x、-x方向设置在所述径向磁轴承定子上的两个磁极，第二径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件配置为包括分别按照+y、-y方向设置在所述径向磁轴承定子上的两个磁极，x方向上的磁极和y方向上的磁极相互垂直，所述第一径向磁轴承组件对利用分别按照+x和-x方向设置的磁极实现所述轴体沿x方向的平动和绕y方向的转动，所述第二径向磁轴承组件对利用分别按照+y和-y方向设置的磁极实现所述轴体沿y方向的平动和绕x方向的转动。
本发明根据径向位移传感器组件对于轴体的位置的检测，可以单独对径向磁轴承组件中的线圈的电流进行控制，从而实现各个自由度上的力的输出。此外，为了减小装置的径向方向上的体积，可以在装置的每一端采用两个径向位移传感器组件和两个径向磁轴承组件，其中一个径向位移传感器组件采用x方向上的两个传感器探头，另外一个径向位移传感器组件则采用y方向上的两个传感器探头，而其中一个径向磁轴承组件采用x方向上的两个磁极，另外一个径向磁轴承组件则采用y方向上的两个磁极。通过这种方式，两端的具有两个x方向传感器探头的径向位移传感器组件共同作用，利用两端x方向上检测位移的和实现轴体的x方向的平动检测，利用其检测位移的差作为轴体的绕y方向偏转方向的检测，之后通过控制器来控制两端的具有两个x方向磁极的径向磁轴承组件实现x方向上的出力，并且通过控制器来控制两端的具有两个y方向磁极的径向磁轴承组件实现输出y方向上的扭转力；同理，两端的具有两个y方向探头的径向位移传感器组件共同作用，利用两端y方向上检测位移的和实现轴的y方向的平动检测，利用其检测位移的差作为轴体的绕x方向偏转方向的检测，之后通过控制器来控制两端的具有两个y方向磁极的径向磁轴承组件实现y方向上的出力，并且通过控制器来控制两端的具有两个x方向磁极的径向磁轴承组件实现输出x方向上的扭转力。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明由于采用的了磁悬浮轴承结构，因此没有机械摩擦，损耗小，控制精度高；
(2)本发明可以对径向磁轴承线圈的电流分别进行控制，从而使得径向磁轴承组件的各个磁极与径向磁轴承转子之间的作用力均不相同，因而可以实现各个自由度方向上的出力；
(3)本发明可以采用两对径向磁轴承组件对，其中，每个径向磁轴承组件只有两个磁极，通过设置使得同侧的两个径向磁轴承组件的各自的一对磁极处于正交位置，即可实现一个径向磁轴承组件的功能，在径向方向上可以大大减小体积；
(4)本发明可以采用两对径向位移传感器组件对，其中，每个径向位移传感器组件只有两个探头，通过设置使得同侧的两个径向位移传感器组件的各自的一对传感器探头处于正交位置，即可实现了一个径向位移传感器组件的功能，在径向方向上可以大大减小体积。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的一种医学用自给式主动径向驱动装置的沿平行于轴体轴线方向的截面示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的径向位移传感器组件的沿垂直于轴体轴线方向的截面示意图；
图3为根据本发明的一个实施例的径向磁轴承组件的沿垂直于轴体轴线方向的截面示意图；
图4a和4b分别为根据本发明的另一个实施例的两个径向位移传感器组件的沿垂直于轴体轴线方向的截面示意图；
图5a和5b分别为根据本发明的另一个实施例的两个径向磁轴承组件的沿垂直于轴体轴线方向的截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图1为根据本发明的一个实施例的一种医学用自给式主动径向驱动装置的沿平行于轴体轴线方向的截面示意图。如图所示，该医学用自给式主动径向驱动装置包括壳体6、轴体4、安装座1、1’、径向位移传感器组件对、径向磁轴承组件对和保护块5、5’。壳体6为中空圆筒状，包括相对的左右两个开口。轴体4横向设置在所述壳体6的两个开口之间。两个安装座1、1’分别设置在壳体6的两个开口上，与壳体6固定连接。
径向位移传感器组件对位于壳体6内，该径向位移传感器组件对中的两个径向位移传感器组件2、2’相互对称地分别设置在壳体6的两端。如图2所示，每个径向位移传感器组件2、2’包括传感器定子21、多个传感器探头22和检测环23。传感器定子21外表面连接在壳体6上，多个传感器探头22周向上均匀地间隔设置在传感器定子21上，检测环23位于传感器定子21内并安装在轴体4上。径向位移传感器组件2、2’中的传感器定子21和检测环23由高磁导率的材料制成，例如，1J85、1J50、1J79或40Cr等。传感器探头22与检测环23形成大小约为0.5mm～1mm的探测间隙24。
在图2中，径向位移传感器组件包括四个传感器探头22，这四个传感器探头22在周向上均匀地间隔设置，例如，分别按照+x、-x、+y和-y方向，x方向上的传感器探头和y方向上的传感器探头互相垂直，如图中P1、P2、P3和P4所示。
径向磁轴承组件对位于壳体6内，每对径向磁轴承组件对中的两个径向磁轴承组件3、3’相对径向位移传感器组件2、2’更靠内地相互对称地分别设置在轴体4的两端。如图3所示，每个径向磁轴承组件3、3’包括径向磁轴承定子31、线圈32和径向磁轴承转子33。径向磁轴承定子31外表面连接在所述壳体6上，径向磁轴承转子33位于径向磁轴承定子31内并安装在轴体4上。径向磁轴承定子31和径向磁轴承转子33之间形成大小约为0.15mm～0.3mm的磁间隙34。径向磁轴承定子31包括周向上均匀地间隔设置在径向磁轴承定子31上的多个磁极，每个磁极上均缠绕有线圈。
在图3中，径向磁轴承组件包括四个磁极，这四个磁极在周向上均匀地间隔设置，例如，分别按照+x、-x、+y和-y方向，x方向上的磁极和y方向上的磁极互相垂直。
壳体左端的径向位移传感器组件2的传感器定子21与径向磁轴承组件3的径向磁轴承定子31在轴向方向上相邻，壳体右端的径向位移传感器组件2’的传感器定子21与径向磁轴承组件3’的径向磁轴承定子31在轴向方向上也相邻。径向位移传感器组件2、2’的检测环23位于径向磁轴承组件3、3’的径向磁轴承转子33的侧面。
两个保护块5、5’相对径向位移传感器组件2、2’更靠外地分别设置在轴体4的最外两端，与径向位移传感器组件2、2’的检测环连接23，并与同侧的安装座1、1’在径向方向上形成大小约为0.1mm～0.15mm的保护间隙。
径向磁轴承组件3、3’中的径向磁轴承定子31和径向磁轴承转子33均为实心结构，由饱和磁密高的软磁材料制成，例如，1J50、1J22或硅钢DW270等。径向磁轴承组件3、3’中的每线圈32中的电流均单独进行控制，以实现径向磁轴承定子31与径向磁轴承转子33之间输出各个方向上的作用力。
为了减小装置径向方向上的体积，该医学用自给式主动径向驱动装置可以采用多对径向位移传感器组件对和多对径向磁轴承组件对。如图1所示的实施例中，采用了两对径向位移传感器组件对和两对径向磁轴承组件对，即，轴体的左右两端均有两个径向位移传感器组件和两个径向磁轴承组件。
图4a和4b，以及图5a和5b分别说明了采用两对径向位移传感器组件对和两对径向磁轴承组件对时，同侧两个径向位移传感器组件和两个径向磁轴承组件的结构设置。两对径向位移传感器组件对包括第一径向位移传感器组件对和第二径向位移传感器组件对，两对径向磁轴承组件对包括第一径向磁轴承组件对和第二径向磁轴承组件对。
如图4a所示，第一径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件2、2’包括分别按照+x和-x方向设置的两个传感器探头，如图4b所示，第二径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件2、2’包括分别按照+y和-y方向设置的两个传感器探头。x方向上的传感器探头和y方向上的传感器探头互相垂直。第一径向位移传感器组件对利用分别按照+x和-x方向设置的传感器探头检测所述轴体4沿x方向的平动和绕y方向的转动，第二径向位移传感器组件对利用分别按照+y和-y方向设置的传感器探头检测轴体4沿y方向的平动和绕x方向的转动。
如图5a所示，第一径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件3、3’包括分别按照+x和-x方向设置的两个磁极，如图5b所示，第二径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件3、3’包括分别按照+y和-y方向设置的两个磁极。x方向上的磁极和y方向上的磁极互相垂直。第一径向磁轴承组件对利用分别按照+x和-x方向设置的磁极实现轴体4沿x方向的平动和绕y方向的转动，第二径向磁轴承组件对利用分别按照+y和-y方向设置的磁极实现轴体4沿y方向的平动和绕x方向的转动。
本发明的工作原理如下：
根据径向位移传感器组件对于轴体的位置的检测，可以单独对径向磁轴承组件中的线圈的电流进行控制，从而实现各个自由度上的力的输出。举例而言，当轴体受到某一方向上的扰动力时，整个装置两端的位移传感器组件会检测到传感器探头与检测环之间的探测间隙的变化，此时，位移传感器组件会将探测间隙的变化转换为电压值，并将该电压值传送给控制器，控制器接收到该电压值后，根据一定的控制算法，将接收到的电压值转换为一定大小的电流值，按照径向磁轴承组件的线圈电流的分配关系进行输出，经过功率放大器后通入相应的线圈中。需要说明的是，径向位移传感器组件检测的是轴体的位置变化，为了提高轴体的控制精度，可以对轴体位置的变化速度进行检测和补偿。
另外，为了减小装置的径向方向上的体积，可以在装置的每一端采用两个径向位移传感器组件和两个径向磁轴承组件，其中一个径向位移传感器组件采用x方向上的两个传感器探头，另外一个径向位移传感器组件则采用y方向上的两个传感器探头，而其中一个径向磁轴承组件采用x方向上的两个磁极，另外一个径向磁轴承组件则采用y方向上的两个磁极。此时，两端的具有两个x方向传感器探头的径向位移传感器组件共同作用，利用两端x方向上检测位移的和实现轴体的x方向的平动检测，利用其检测位移的差作为轴体的绕y方向偏转方向的检测，之后通过控制器来控制两端的具有两个x方向磁极的径向磁轴承组件实现x方向上的出力，并且通过控制器来控制两端的具有两个y方向磁极的径向磁轴承组件实现输出y方向上的扭转力；同理，两端的具有两个y方向传感器探头的径向位移传感器组件共同作用，利用两端y方向上检测位移的和实现轴的y方向的平动检测，利用其检测位移的差作为轴体的绕x方向偏转方向的检测，之后通过控制器来控制两端的具有两个y方向磁极的径向磁轴承组件实现y方向上的出力，并且通过控制器来控制两端的具有两个x方向磁极的径向磁轴承组件实现输出x方向上的扭转力。
本说明书中未作详细说明描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于内镜或显微镜手术机器人的医学用自给式主动径向驱动装置，包括：
壳体（6），该壳体（6）为中空圆筒状，包括相对的左右两个开口；
轴体（4），该轴体（4）横向设置在所述壳体（6）的所述两个开口之间；
安装座对，该安装座对中的两个安装座（1、1’）分别设置在所述壳体（6）的所述两个开口上，与所述壳体（6）固定连接；
两对径向位移传感器组件对，每对径向位移传感器组件对中的两个径向位移传感器组件（2、2’）相互对称地分别设置在所述壳体（6）内部的左右两端，每个径向位移传感器组件（2、2’）包括传感器定子（21）和检测环（23），所述传感器定子（21）外表面连接在所述壳体（6）上，所述检测环（23）位于所述传感器定子（21）内并安装在所述轴体（4）上，所述两对径向位移传感器组件对包括第一径向位移传感器组件对和第二径向位移传感器组件对，其中，所述第一径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件（2、2’）配置为包括分别按照+x、-x方向设置在所述传感器定子（21）上的两个传感器探头，所述第二径向位移传感器组件对中的每个径向位移传感器组件（2、2’）配置为包括分别按照+y、-y方向设置在所述传感器定子（21）上的两个传感器探头，x方向上的传感器探头和y方向上的传感器探头相互垂直，所述第一径向位移传感器组件对利用分别按照+x和-x方向设置的传感器探头检测所述轴体（4）沿x方向的平动和绕y方向的转动，所述第二径向位移传感器组件对利用分别按照+y和-y方向设置的传感器探头检测所述轴体（4）沿y方向的平动和绕x方向的转动；
两对径向磁轴承组件对，所述两对径向磁轴承组件对位于所述壳体（6）内，每对径向磁轴承组件对中的两个径向磁轴承组件（3、3’）相对所述径向位移传感器组件（2、2’）更靠内地相互对称地分别设置在所述壳体（6）的两端，每个所述径向磁轴承组件（3、3’）包括径向磁轴承定子（31）、线圈（32）和径向磁轴承转子（33），所述径向磁轴承定子（31）的外表面连接在所述壳体（6）上，所述径向磁轴承转子（33）位于所述径向磁轴承定子（31）内并安装在所述轴体（4）上，所述径向磁轴承定子（31）和所述径向磁轴承转子（33）之间形成磁间隙（34），所述两对径向磁轴承组件对包括第一径向磁轴承组件对和第二径向磁轴承组件对，其中，所述第一径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件（3、3’）配置为包括分别按照+x、-x方向设置在所述径向磁轴承定子（31）上的两个磁极，所述第二径向磁轴承组件对中的每个径向磁轴承组件（3、3’）配置为包括分别按照+y、-y方向设置在所述径向磁轴承定子（31）上的两个磁极，x方向上的磁极和y方向上的磁极相互垂直，所述第一径向磁轴承组件对利用分别按照+x和-x方向设置的磁极实现所述轴体（4）沿x方向的平动和绕y方向的转动，所述第二径向磁轴承组件对利用分别按照+y和-y方向设置的磁极实现所述轴体（4）沿y方向的平动和绕x方向的转动；以及
保护块对，该保护块对中的两个保护块（5、5’）相对所述径向位移传感器组件（2、2’）更靠外地分别设置在所述轴体（4）的最外两端，与所述径向位移传感器组件（2、2’）的检测环（23）连接，并与同侧的所述安装座（1、1’）在径向方向上形成保护间隙；
其中，设置在所述壳体（6）同一端的所述径向位移传感器组件的传感器定子（21）与所述径向磁轴承组件的径向磁轴承定子（31）在轴向方向上相邻，所述径向位移传感器组件（2、2’）的检测环（23）位于所述径向磁轴承组件（3、3’）的径向磁轴承转子（33）的侧面；所述径向磁轴承组件（3、3’）的线圈（32）缠绕在每个磁极上；每个传感器探头（22）与所述检测环（23）形成探测间隙（24）。
2.根据权利要求1所述的医学用自给式主动径向驱动装置，其特征在于，单独对所述径向磁轴承组件（3、3’）中的所述线圈（32）中的电流进行控制。
3.根据权利要求1所述的医学用自给式主动径向驱动装置，其特征在于，所述径向磁轴承组件（3、3’）中的所述径向磁轴承定子（31）和所述径向磁轴承转子（33）均为实心结构，由饱和磁密高的软磁材料制成，该软磁材料包括1J50、1J22和硅钢DW270。
4.根据权利要求1所述的医学用自给式主动径向驱动装置，其特征在于，所述径向位移传感器组件（2、2’）中的所述传感器定子（21）和所述检测环（23）由高磁导率的材料制成，该高磁导率的材料包括1J85、1J50、1J79和40Cr。
5.根据权利要求1所述的医学用自给式主动径向驱动装置，其特征在于，所述径向磁轴承定子（31）与所述径向磁轴承转子（33）之间形成的所述磁间隙的大小为0.15mm~0.3mm。
6.根据权利要求1所述的医学用自给式主动径向驱动装置，其特征在于，所述传感器定子（21）与所述检测环（23）之间形成的所述探测间隙的大小为0.5mm~1mm。
7.根据权利要求1所述的医学用自给式主动径向驱动装置，其特征在于，所述安装座（1、1’）与同侧的所述保护块（5、5’）之间形成的所述保护间隙大小为0.1mm~0.15mm。
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