[发明专利]一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种通过同一外旋转磁场条件下，在充满大粘度液体的封闭柔弹性管道内，实现多个胶囊式医疗微型机器人驱动控制的基本方法。

背景技术

磁控无缆驱动微机器人更接近于自然状态，在人体内作业时具有可靠性、安全高等特点。以人体柔弹性组织内的体液为媒介，它可到达体内的深处部位。因此游动微型机器人为体内介入治疗提供了一种重要的作业形式，在医学工程领域具有广阔的应用前景。

医疗微型机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其环境特点是周围由柔弹性组织封闭、内部充有体液的狭小空间。为了不对柔弹性软组织造成创伤，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，并采用简单、易于微型化的结构，以实现体内在线医疗作业。

为了满足体内柔弹性壁无创伤要求，日本K.Ikeuchi等人首先提出利用液体动压膜作为动力媒介的非接触无损伤体内驱动医用微机器人，它由圆柱体、螺旋肋以及提供大扭矩的微型马达构成。当微马达驱动螺旋肋在有粘液的腔道内旋转时，螺旋肋处的流体产生动压效应，并在管壁表面形成动压保护膜，当肋一端的液体动压力超另一端的液体动压力时，便产生轴向推力，实现非接触无损伤驱动。实验表明当机器人与管壁的间隙较小时，且滑动速度较高时，最大的推进力可达到1N。其缺点是拖带电缆，电机悬在管内，驱动力矩不能平衡，当圆柱体螺旋肋与管壁的间隙太大时，液体动压薄膜会发生破裂，推进力骤减。螺旋表面柔顺性差，其结构尚不能适应复杂环境内的作业。国内浙江大学也成功研制了类似的体内医用微型机器人，结构上巧妙地采用中间电机带动两端的螺旋肋旋向相反的圆柱部高速旋转，使体液在两个圆柱部和弹性壁之间产生动压效应，形成同向推力，对油膜的厚度与轴向推力的关系也进行了研究，也存在机器人与管壁间隙对轴向推力的影响问题，其结构尚不能自适应调整螺旋肋与管壁的间隙，因此柔弹性壁复杂环境内的适应能力尚需进一步提高，机器人还存在能量供给问题。由于螺旋行进机器人的驱动原理简单，因此可靠性与安全性更好，实用前景广阔。

事实证明采用磁场控制的无缆驱动方式是提高微型机器人实用性和可靠性的关键，因此磁控微型机器人迅速成为国际上的研究热点。为了实现无缆式外磁场驱动控制，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，作用于胶囊内嵌钕铁硼磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进。但通电线圈产生旋转磁场存在驱动频率与磁场强度间的矛盾，高频驱动时，能量损耗大，发热严重，磁场衰减大，会因驱动力矩不足而导致胶囊机器人的截止驱动频率减小，旋进速度降低，甚至使机器人发生堵转而不能行走，影响体内作业的安全性与可靠性。其本体刚性结构也存在径向间隙不能补偿的问题，还不能适应复杂柔弹性壁环境内的驱动行走。

综上所述，通过径向间隙补偿是提高胶囊式医疗微型机器人在柔弹性管壁环境内驱动行走的有效途径，目前，在同一旋转磁场条件下，通过径向间隙补偿，实现多胶囊式医疗微型机器人的驱动控制的研究还未见报道。体内微型机器人群体操作的介入医疗概念具有重要实际应用价值，如将每个机器人设计成具有不同的医疗目的，能明显减小机器人的体积，提高安全性与可靠性，患者可以同时吞下具有不同医疗目的的多个胶囊微型机器人，在同一磁场下实现其群体协调操作，将显著提高体内的医疗效率，提高安全性与实用性，应用前景广阔。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在充满大粘度液体介质的柔弹性管壁环境内和在同一外旋转磁场驱动条件下，对多个胶囊式医疗微型机器人实施驱动控制的操作装置和方法，实现多胶囊式医疗微型机器人的在同一旋转磁场驱动下的控制。

本发明的技术方案是：