CN113241240B - 面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维接收线圈装置 - Google Patents

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Abstract

一种面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维接收线圈装置，采用被动式二维线圈绕组装置实现固定发射线圈绕组的无线能量传输装置下的三维能量接收以及采用始终保持与固定无线能量发射端正对的被动式二维接收线圈绕组装置，本发明在采用体外采用平行于地面的固定发射线圈绕组进行能量传输，体内采用被动式二维线圈绕组实现三维能量接收，确保体内运行的胃肠道机器人在任意位置任意姿态下能够实现高效率能量接收。

Description

面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维接收线圈装置
技术领域
本发明涉及的是一种医疗设备领域的技术，具体是一种面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维被动式接收线圈装置。
背景技术
胶囊内镜机器人主要用于消化道检测、采样和治疗，利用无线能量传输实现安全有效的胶囊内镜机器人能量供给是目前较为常见的方案，其主要通过绕制一维线圈绕组、二维正交线圈绕组或三维正交线圈绕组结构分别实现一维、二维、三维无线能量接收，但胶囊内镜机器人在消化道内运行空间三维姿态不断变化，现有的一维线圈绕组、二维正交线圈绕组和三维正交线圈绕组无法保证机器人运行过程接收线圈绕组始终与固定发射线圈绕组正对，难以保证运行过程能量持续供给，无法提高无线能量传输效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维接收线圈装置，在采用体外采用平行于地面的固定发射线圈绕组进行能量传输，体内采用被动式二维线圈绕组实现三维能量接收，确保体内运行的胃肠道机器人在任意位置任意姿态下能够实现高效率能量接收。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维被动式接收线圈装置，包括：前绕组、二维线圈绕组前支撑、电刷、沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组、磁芯、两端面球形转子、二维线圈绕组后支撑和后绕组，其中：前绕组和后绕组为沿二维线圈绕组前支撑和二维线圈绕组后支撑圆周方向缠绕的利兹线线圈，用于感应磁芯与发射线圈绕组组成的固定无线能量发射端发出的沿轴向分布磁感线，沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组缠绕在磁芯表面，磁芯位于两端面球形转子内固定设置，两端面球形转子的两端通过转动轴分别与二维线圈绕组前支撑和二维线圈绕组后支撑轴座相联，在绕组线圈自身重力驱动下绕轴向自由转动，以根据机器人在消化道内姿态实现实时被动调整，保持平行于径向磁芯与发射线圈绕组组成的固定无线能量发射端磁感线，并将产生的感应电流通过转动轴与电刷进行输出。
所述的二维线圈绕组采用正交形式，分别包括沿圆周方向缠绕的利兹线线圈绕组和沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组，其中：沿圆周方向绕制的利兹线线圈绕组为固定式，沿轴线方向缠绕利兹线线圈绕组为转动式，即利兹线线圈绕组可围绕磁芯的轴线自由旋转，该二维线圈绕组利用接收线圈绕组自身重力实现线圈绕组绕轴向被动旋转，以保持与固定发射线圈绕组正对，保证通过接收线圈绕组的磁通量和接收能量的均匀性并实现导磁，增强通过线圈的磁感应强度，该线圈绕组固定于两端面为球形的转子上，该转子能够在重力作用下实现绕轴向的二维转动。
技术效果
本发明整体解决了现有胶囊内镜机器人在固定发射线圈绕组的无线能量传输环境中运行时缺乏无线能量接收端全空间、全姿态高效、可靠能量接收装置的不足；与现有技术相比，本发明能够实现运行过程中胶囊内镜机器人内置二维线圈绕组始终与外部固定发射线圈绕组正对，通过内置线圈绕组被动运动实现利用二维线圈完成胶囊内镜机器人运动过程三维空间内全空间全姿态的能量持续和高效供给。
附图说明
图1为本发明被动式二维线圈绕组装置结构示意图；
图2和图3为本发明被动式二维线圈绕组装置剖视图；
图4为胶囊内镜机器人系统示意图；
图中：1前绕组、2二维线圈绕组前支撑、3电刷、4沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组、5磁芯、6两端面球形转子、7二维线圈绕组后支撑、8后绕组、9胶囊内镜机器人外壳、10天线、11射频收发器、12被动式二维线圈绕组装置、13整流与控制电路、14发光二极管(LED)灯、15CMOS摄像头、16透明罩、17固定无线能量发射端。
具体实施方式
如图1～图3所示，为本实施例涉及的一种面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维被动式接收线圈装置，包括：前绕组1、二维线圈绕组前支撑2、电刷3、沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组4、磁芯5、两端面球形转子6、二维线圈绕组后支撑7和后绕组8，其中：前绕组1和后绕组8为沿二维线圈绕组前支撑2和二维线圈绕组后支撑7圆周方向缠绕的利兹线线圈，用于感应磁芯5与固定无线能量发射端发出的沿轴向分布磁感线，沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组4缠绕在磁芯5表面，磁芯5位于两端面球形转子6内固定设置，两端面球形转子6的两端通过转动轴分别与二维线圈绕组前支撑2和二维线圈绕组后支撑7轴座相联，在绕组线圈自身重力驱动下绕轴向自由转动，以根据机器人在消化道内姿态实现实时被动调整，保持平行于径向磁芯与发射线圈绕组组成的固定无线能量发射端磁感线，并将产生的感应电流通过两端面球形转子6两端与电刷3进行能量输出。
如图2和图3所示，所述的前绕组1和后绕组8为固定式沿二维线圈绕组前支撑2和二维线圈绕组后支撑7圆周方向缠绕的利兹线线圈，其用于感应磁芯与发射线圈绕组组成的固定无线能量发射端发出的沿轴向分布磁感线。
如图4所示，为本实施例涉及基于上述三维被动式接收线圈装置的胶囊内镜机器人系统，包括：固定无线能量发射端17、位于其间的胶囊内镜机器人外壳9以及设置于其内部的天线10、射频收发器11、上述三维被动式接收线圈装置12、整流与控制电路13、发光二极管(LED)灯14和CMOS摄像头15，其中：固定无线能量发射端17产生交变磁场，经安装于胶囊内镜机器人外壳9内的被动式二维线圈绕组装置12接收，产生感应电流，经整流与控制电路13中整流桥电路进行整流滤波，供给天线10接收外部传来的控制信号并传给整流与控制电路13中微控制器执行控制指令，控制发光二极管(LED)灯14照亮胃肠道内环境并由CMOS摄像头透过透明罩16进行拍摄和监测，并将采集图像信息经由天线10传出体外，最终完成消化道检测任务。
所述的胶囊内镜机器人外壳9上对应发光二极管(LED)灯14和CMOS摄像头15位置进一步设有透明罩16。
经过具体实际实验，在模拟消化道具体环境设置下，以25伏，10安培驱动固定无线能量发射端17运行上述装置，能够得到的实验数据是：被动式二维线圈绕组装置12接收功率最小为985.7毫瓦，最大可达到1750.8毫瓦，完全满足胶囊内镜机器人供能模块设计需要。
与现有技术相比，本装置采用被动式二维线圈绕组装置12实现固定发射线圈绕组17的无线能量传输装置下的三维能量接收以及采用始终保持与固定无线能量发射端17正对的被动式二维接收线圈绕组装置12，实现能够始终保证胶囊内镜机器人在任意位置和姿态的能量持续可靠供给，随着胶囊内镜机器人在管道内上下左右运行，被动式二维线圈绕组装置12能够在重力作用下始终能够保证线圈与固定无线能量发射端17正对，在磁场作用下产生电势，供给胶囊内镜机器人控制和执行机构。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维被动式接收线圈装置，其特征在于，包括：前绕组、二维线圈绕组前支撑、电刷、沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组、磁芯、两端面球形转子、二维线圈绕组后支撑和后绕组，其中：前绕组和后绕组为沿二维线圈绕组前支撑和二维线圈绕组后支撑圆周方向缠绕的利兹线线圈，用于感应磁芯与发射线圈绕组组成的固定无线能量发射端发出的沿轴向分布磁感线，沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组缠绕在磁芯表面，磁芯位于两端面球形转子内固定设置，两端面球形转子的两端通过转动轴分别与二维线圈绕组前支撑和二维线圈绕组后支撑轴座相联，在线圈绕组自身重力驱动下绕轴向自由转动，以根据机器人在消化道内姿态实现实时被动调整，保持平行于径向磁芯与发射线圈绕组组成的固定无线能量发射端磁感线，并将产生的感应电流通过转动轴与电刷进行输出；
所述的二维线圈绕组采用正交形式，分别包括沿圆周方向缠绕的利兹线线圈绕组和沿轴线方向缠绕的利兹线线圈绕组，其中：沿圆周方向绕制的利兹线线圈绕组为固定式，沿轴线方向缠绕利兹线线圈绕组为转动式，即利兹线线圈绕组可围绕磁芯的轴线自由旋转，该二维线圈绕组利用接收线圈绕组自身重力实现线圈绕组绕轴向被动旋转，以保持与固定发射线圈绕组正对，保证通过接收线圈绕组的磁通量和接收能量的均匀性并实现导磁，增强通过线圈的磁感应强度，该线圈绕组固定于两端面为球形的转子上，该转子能够在重力作用下实现绕轴向的二维转动。
2.根据权利要求1所述的面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维被动式接收线圈装置，其特征是，所述的胶囊内镜机器人包括：固定无线能量发射端、位于其间的胶囊内镜机器人外壳以及设置于其内部的天线、射频收发器、上述三维被动式接收线圈装置、整流与控制电路、发光二极管和CMOS摄像头，其中：固定无线能量发射端产生交变磁场，经安装于胶囊内镜机器人外壳内的被动式二维线圈绕组装置接收，产生感应电流，经整流与控制电路中整流桥电路进行整流滤波，供给天线接收外部传来的控制信号并传给整流与控制电路中微控制器执行控制指令，控制发光二极管照亮胃肠道内环境并由CMOS摄像头透过透明罩进行拍摄和监测，并将采集图像信息经由天线传出体外，最终完成消化道检测任务。
3.根据权利要求2所述的面向胶囊内镜机器人无线能量传输的三维被动式接收线圈装置，其特征是，所述的胶囊内镜机器人外壳上对应发光二极管和CMOS摄像头位置进一步设有透明罩。
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