[发明专利]用于弱耦合无线能量传输系统的三维正交能量接收装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种线圈技术领域的装置，具体是一种用于弱耦合无线能量传输系统的三维正交能量接收装置。

背景技术

采用传统胃镜和肠镜对胃肠疾病进行诊疗时，医生通过控制后端细长纤维软管来推进安装于胃肠镜前端的摄像头，摄像头的被动推进和细长柔软管的介入会给病人带来痛苦，同时，该诊疗过程需要专业医生完成。为了克服传统胃肠镜的局限，研究人员将摄像头安装在具备主动运动能力的微型机器人前端，这种微型机器人可分为两种类型：拖缆式和无缆式，拖缆式一般指采用气源驱动的微型机器人，“缆”即为通气管；无缆式一般为通过机载微驱动器进行驱动的微型机器人。拖缆式微型机器人的缆线与肠道间存在摩擦阻力，该阻力限制了该类型机器人对肠道的诊疗范围，通常可完成对结肠的诊疗；而无缆式微型机器人则可实现对人体全消化道的诊疗，因此受到更多研究者的重视。

无缆式微型机器人的实现有两个难点：机器人尺寸的微型化和对机载微驱动器的能量供应。机器人尺寸微型化指其直径应小于人体消化道最小直径，其长度应尽量小以保证机器人在肠道急弯处的通过性；机载微驱动器的能量供应指其能耗高达几百毫瓦，纽扣电池根本无法满足这一能量需求，需要采用无线能量传输技术实现稳定持久的能量供应。

无线能量传输技术基于电磁感应原理，即体外发射线圈产生交变电磁场，体内接收线圈在该交变电磁场的激励下感应出电动势，为机载微驱动器提供能量。用于胃肠道微型机器人的接收线圈尺寸要比发射线圈尺寸小得多，发射线圈与接收线圈间的耦合系数很低，因此称该类技术为弱耦合无线能量传输技术。另外，机器人在肠道内的姿态是不确定的，需要设计三维正交能量接收装置来保证机器人在任意姿态下都能获得能量供应，所谓三维正交，指三个维度的能量接收线圈平面相互垂直，三个维度接收线圈平面相互垂直可避免不同维度线圈间相互干扰，保证接收的稳定性。

经对现有技术检索发现以下相关技术文献，北京生物医学工程，2013年第3期，第32卷，第296～301页，公开了一种无线供能系统接收装置的结构设计。该接收装置采用一个外观为正方体的锰锌铁氧体磁芯，然后依次在该磁芯上缠绕三个维度的线圈，且三个维度的线圈平面相互垂直。该接收装置三个维度的接收线圈利用同一磁芯来提高其接收能量，实现了磁芯的复用。然而，由于磁芯为正方体，缠绕线圈后的接收装置的外观同样为正方体，导致该接收装置的空间利用率较低，因用于胃肠道的微型机器人外观通常设计为圆柱形以适应管状的肠道环境。另外，该接收装置集成到微型机器人时，需单独占据一定的轴向长度空间，导致机器人总长度的增加。

另外，生理测量2013年第11期，第34卷，公开了一种用于结肠诊疗的无线胶囊内镜。该胶囊内镜的无线能量接收装置首次设计为圆环柱，可集成到机器人机构的外围，利用机构外围的冗余圆环柱空间，避免了对机器人总长度的增加，提高了机器人整体的空间利用率。然而，该无线能量接收装置自身的空间利用率较低，主要表现在该接收装置三个维度的接收线圈缠绕在三个孤立的锰锌铁氧体磁芯上，未对磁芯进行复用。

综上所述，经对现有专利和公开技术检测，目前用于用于弱耦合无线能量传输系统的三维正交能量接收装置，或存在单独占据轴向长度空间，导致机器人总长度增加的问题，或未对磁芯进行复用，造成接收装置自身空间利用率低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于弱耦合无线能量传输系统的三维正交能量接收装置，提高机器人整体的空间利用率和接收装置自身的空间利用率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：第一维接收线圈和第二维接收线圈、圆柱形的第三维接收线圈以及锰锌铁氧体磁芯，其中：锰锌铁氧体磁芯的圆柱面上开有四个等角度间隔的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一维接收线圈缠绕于第一凹槽和第三凹槽上，第二维接收线圈缠绕于第二凹槽和第四凹槽上，第一维接收线圈和第二维接收线圈分别包含两组形状相互对称的绕线，各组绕线均为一侧为长方形另一侧为弧形的半圆柱形状的框架结构，第三维接收线圈缠绕于锰锌铁氧体磁芯的圆柱面外部，第一维接收线圈、第二维接收线圈和第三维接收线圈的等效平面分别两两垂直，使得第一维接收线圈、第二维接收线圈和第三维接收线圈整体于交变磁场中处于任意姿态时均产生感应电动势。

所述的第一维接收线圈或第二维接收线圈的两组绕线相互对称是指两个框架结构的长方形一侧相对设置。