用作腸胃痛檢查的無線電微型機器人

1、 用作腸胃痛檢查的無線電微型機器人 摘要這則報告講述了一種用作腸胃檢查的新型無線電仿生微型機器人。這則觀察系統(tǒng)描述很詳細，包括機器人的結(jié)構(gòu)，無線電傳輸系統(tǒng)，rf交流系統(tǒng)和圖像模式。以及由直流發(fā)動機驅(qū)動的像蚯蚓一樣蠕動的混合片段的設(shè)計和制造。重復(fù)關(guān)閉循環(huán)控制體系來保證有可利用的充足有效的電力。rf傳送器是一個低能量消耗而且數(shù)據(jù)傳輸率為50kbps的設(shè)備。它能無線傳輸高質(zhì)量的圖像，這個系統(tǒng)能提供實時的監(jiān)測。這個模型直徑12mm長150mm。通過實驗證明，這個微型機器人能夠很順利通過人體柔軟的組織。 關(guān)鍵字- 無線電傳輸，微型機器人，無線電交流系統(tǒng)，腸鏡 簡介 膠囊腸鏡在腸道的營養(yǎng)檢查中另辟蹊徑，特

2、別是針對小腸的檢查，它是目前唯一一種不依靠外科手術(shù)就能提供實際圖像的腸胃檢查方法。然而，這種膠囊腸鏡也有幾種局限性，第一，這個膠囊是統(tǒng)一由一個內(nèi)置的鋰電池來提供能量的，用有限的電能來獲取高質(zhì)量高數(shù)量的圖像。這個由given imaing 公司生產(chǎn)的膠囊腸鏡只能工作8小時，每秒傳送兩張圖片。相比較舊式的腸鏡能提供300000像素的圖片，它只能傳送低于80000像素的圖片。第二，膠囊腸鏡是通過腸胃的蠕動從嘴巴到肛門移動的。大概有30%很重要的觀察點被忽略了。通過長期的觀察和試驗藥物只能通過一些簡單的人體組織。 許多研究者提出了機車制造內(nèi)窺鏡微型機器人做腸鏡的實際猜想，意大利crim實驗室和保羅達里

3、奧教授合作，已經(jīng)發(fā)明了好幾代生物應(yīng)用的微型機器人，peumatic是基于蟲子的仿生學(xué)設(shè)計而成的，而且根據(jù)機動車原理的實驗室已經(jīng)做出來了。膠囊記憶合金也被選擇應(yīng)用于做成腸鏡?；趕ma而設(shè)計成的鉗裝置也用來使膠囊在一個需要觀測的點做長時間的觀察，然而這個機器人能夠包裹著十條纜線和一根空氣管來進入從頭到尾不少于一米的結(jié)腸。這個sma裝置也被捆著能達到1.35w的電力供給，另一個無線電微型機器人也被dymsykim korea設(shè)計成功了。不幸的是，這個機器人盡管配備了電池也僅僅只能工作18分鐘。這則報告呈現(xiàn)了一個新型的無線電腸鏡機器人的裝置系統(tǒng)，這個機器人通過rf交流系統(tǒng)能遠程控制和調(diào)節(jié)工作地點。機

4、器人內(nèi)部裝有一個圖像傳感器和傳輸器，在這個裝置里能收到實時現(xiàn)場的錄像，被建立的無線電傳輸系統(tǒng)打破了許多其他裝置電力不足的局限性。這個裝置系統(tǒng)被分成2部分，身體內(nèi)和身體外，身體內(nèi)的是微型機器人，身體外的包括電力傳輸，錄像接收器，rf交流器和工作地點。這個模塊將在以下被講述到。 微型機器人設(shè)計a目標(biāo)原則像蚯蚓一樣的外形適合人體柔滑的環(huán)境，它通過拉動前面的弧形和推動后面的弧形來前進，這個移動原則在圖1中能夠簡單理解。這個移動步驟如下描述1） 整個形體被內(nèi)置在一個裝備中2） 拉動弧形1，然后推動頭艙，這樣形成一個圖像。3） 向前拉動弧形2，而且同時弧形1收回，弧形1形成一個圖像4） 拉動弧形3，同時弧

5、形2收回，弧形2形成一個圖像5） 弧形3收回，弧形3和尾艙被推向前形成一個圖像，機器人收回到裝置里，這樣就向前行進一步。 這個機器人通過重復(fù)以上程序不斷向前進。通過翻轉(zhuǎn)次序來向后移動，5個小弧形都有接頭連接著，從而使整個過程靈活運行。b 移動弧形的設(shè)計 移動弧形是以上程序中的關(guān)鍵部分，高效率的電動刷被選為前進的源動力，從而提供電能，提供3v電壓產(chǎn)生0.3nm的扭矩力，這個旋轉(zhuǎn)的速度是1500rpm，發(fā)動機直徑10mm長12mm。三級齒輪的設(shè)計和制造是為了增加產(chǎn)出的扭矩力，這個齒輪模數(shù)0.2mm，一對錐形齒輪副齒數(shù)分別為8和19、減少的比率大約是13.4. 螺絲是通過旋轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)換成直線移動的。這個

6、螺絲被安裝在螺帽上，當(dāng)電動機旋轉(zhuǎn)時 帶動動螺絲伸縮，當(dāng)螺帽被移動到底部，反饋信號就通過交流傳感器被傳送到了mcu里。控制系統(tǒng)通過接頭使發(fā)動機停止并改變方向。圖2顯示了駕駛段有幾部分組成，這個組裝段直徑11.5mm，長22mm，拉伸狀態(tài)31mm，輸出力矩在當(dāng)前的3v電源電壓下為1.2n消耗少超過100mac艙容 頭艙設(shè)計見圖3，機器人安置在里面等待指令。一旦外面的裝置被rf接收器收到，一個端點就被傳送到了mcu,mcu通過 spi；來讀取數(shù)據(jù)以及分析收到的數(shù)據(jù)，然后它執(zhí)行相關(guān)的命令，比如把機器人送到工作場所或控制發(fā)動機運行。三個連續(xù)的spdt，開關(guān)設(shè)計在發(fā)動機表面板上，來控制發(fā)動機運行的方向和停

7、止，大片pcb板被電線緊緊的連接在一起。這個電源接收器放在尾機艙，（如圖4所示）用一個常規(guī)的滿橋檢測器和鉗電容器來對感應(yīng)ac電壓檢測和過濾到dc然后dc電壓被放入可產(chǎn)出3v電壓的調(diào)節(jié)器中。zerer被用來控制調(diào)整輸入層從而保護過電壓的損壞 ，這些不規(guī)則的電壓被ad集合存放在mcu中，這些信息通過rf信息連接器被傳送到外面，還有反饋信號也被送到控制器中。 無線電力傳輸系統(tǒng)幾部作品已經(jīng)驗證了無線電力傳輸系統(tǒng)的可行性，通過利用電感耦合遠程微電系統(tǒng)，在這種方法中，要使用2個線圈，位于身體外部的主要線圈和次要線圈集成，構(gòu)成系統(tǒng)的一個松散耦合變壓器，一些研究人員在接受端采用并聯(lián)諧振電路，一些研究院采用串聯(lián)

8、諧振電路，傳輸效率比能夠被優(yōu)化，通過這2個電路拓撲，最大效率可以在發(fā)射接受電路的調(diào)諧共振條件下達到。兩個階段，需要以優(yōu)化電力傳輸連接為目的來進行。首先，高壓電存在的電容被選中，這個傳送頻率能用下面的方程式進行計算。 根據(jù)傳送的頻率和線圈的自變量，接收方的振幅也能通過以上方程式計算出來。而且兩方的共振是以同一個頻率。然而，實際上，如果傳送頻率是既定的計算價值，很難滿足共振的要求，因為自感l(wèi)通過圈線隨著環(huán)境變化而變化，例如附近的金屬物體，溫度變化和零件的耐力等。由于依賴高頻共振電路的感應(yīng)連接，線圈必須精確調(diào)節(jié)到共振頻率，以至于不減少傳送效率，圖5顯示了線圈自變量傳送效率的靈敏度。圖標(biāo)闡明如果自變量

9、線圈傳送變化1%，那么效率就會減少超過30%，但是傳送頻率不會有相應(yīng)的變化。一個自動協(xié)調(diào)電路基于pll（相鎖相環(huán)）設(shè)計成了。這個框圖如圖6所示，用于在主電路誘導(dǎo)電壓vf其中的振幅成正比i和/2段的差異也擴大。i1這段信息在vf擴大，正向電壓輸入到pll放大和相移。另一個信號vp和i1是相似的，而且差異性也控制著vco頻率的產(chǎn)出，所以主電路由三相電流和電壓調(diào)整的共振通過調(diào)整發(fā)射頻率。傳送頻率的異常會導(dǎo)致接收方的振幅紊亂，然而，由于接受先圈質(zhì)量因素比傳送線圈小的多，所以這個變化太小，傳送效率在頻率不是太敏感的時候，這個影響可以忽略。當(dāng)微型小機器人在腸道里爬行的時候，他的位置和方向總是在變，所以回路

10、也是不連續(xù)的。并且，液壓也隨著工作環(huán)境變化著，有時是一發(fā)動機運行，有時候有兩個，這個電力傳輸系統(tǒng)必須在最差環(huán)境時提供確切的電力。這時是最大電力的消耗。另一方面，工作條件也通常有。在修正器和調(diào)節(jié)器上，會有一些不必要的電力浪費，這可能會引起溫度的上升還有部件的損害，所以，這個電力應(yīng)該根據(jù)需要來提供?；跓o限交流器的一個電壓反饋漕如圖6所示，正如上一節(jié)所介紹的，在樣品0.5s階段，電壓vr對pwm控制器會有反應(yīng)，移動板塊在如圖7g1s作為有著pwm信息量的h橋和傳送線圈電流量的轉(zhuǎn)移功能，g2s代表總結(jié)連接，包括整個橋梁的調(diào)整和過濾，它不是一個單一的子系統(tǒng)。fs是一個設(shè)計作為動力穩(wěn)定接收電壓，在一個理

11、想的6v電壓的控制器。let代表vp的一個循環(huán)周期，vt代表經(jīng)過h橋的電壓，電壓通過最初邊緣稱為v1如圖6所示，這樣，我們就在傳送線圈上火的擴大的電流。這里的r1就是控制原始電路的振幅，而且，vr由&周期控制，圖8顯示在ma上的反應(yīng)。 在我們的實驗中，發(fā)射線圈纏繞在按照人體形態(tài)的橢圓形。它是由120圈awg和16跟銅線圍繞成的單一層結(jié)構(gòu)。它長38cm寬26cm深度28cm。在低谷時，quasi-homogeneous交替就會產(chǎn)生磁場。這個小線圈外圍直徑11.5cm，內(nèi)直徑8mm長10mm。還有一個有320圈awg3.5線的多層結(jié)構(gòu)。這個傳送頻率達到36.9赫茲。接受的電力以3.8%的效率達到8

12、00mw。 4rf交流系統(tǒng) 首先，rf載波頻率應(yīng)選擇輻射效率最大化，以減少權(quán)力輻射和提高抗干擾能433mhzism頻率被用在我們這個系統(tǒng)里，rf信號衰減在這頻率范圍內(nèi)較小。一些模塊能用來傳送數(shù)碼數(shù)據(jù)。包括ask和psk，一個單一的芯片gfsk交換器被用在我們的設(shè)計中，這個芯片nrf905，由noroic生產(chǎn)的自動化處理。rneamble和crc。這樣保證了rf連接的可行性。這個內(nèi)置的數(shù)碼傳送器的顯示，是由3個模塊組成的，傳輸芯片外部的零件盒天線模型。一個一個特殊短鞭天線被用于最小的傳送器。12mm長，直徑0.25mm。因為盛情的空間限制。這個最小的電壓是1.9v到3.6v。最大字節(jié)率達到50k

13、bps。對大多數(shù)運用都是充足的。在最大傳送電力到10dbm時，電流消耗17ma。外部的rf交流模塊，包括mcu和rs232接收器，除了如圖9所示的rf交流連接。mcu控制著rs232接收器和rf交流芯片。還能讀懂控制小組的按鈕，指令能夠從工作地點或控制組通過rf交流連接被送到微型機器人，另一方面，一個數(shù)碼的pwm模塊和mcu形體控制無線傳輸?shù)淖畲?。?種圖像傳感器值得在設(shè)計中考慮。ccd和cmos。ccd傳感器一般比cmos的圖像質(zhì)量更好，但是它的外電路的控制很復(fù)雜。在把有限的電壓考慮在微型機器人后cmos傳感器被采用了。在頭艙有5部分組成，分別是內(nèi)置圖像模塊傳感器。照明設(shè)備，顯微鏡，拱頂，圖

14、像傳感器。錄像傳送。見圖3，這個照明設(shè)備包括有著40mv電力的4個led等，這個圖像傳感器以30fps的速率傳送500000像素的圖片。這個照相機支持pa2模塊和輸出。而且能夠直接連接到無線傳輸器上，最小的圖像可以120度角度拍攝內(nèi)置的錄像的總能量消耗至少與200mw，在這個裝置外面，一個如圖9的無線接收器，它被連接到工作地點的一個錄像帶上，這個錄像是實時課件的而且能被捕捉和重復(fù)播放。 實驗這個觀察系統(tǒng)模型見圖10一些實驗在微型機器人上已經(jīng)實行了，第一，這個實驗已經(jīng)被執(zhí)行了。這個微型機器人在直徑15mm的橡膠水管和玻璃水管中等不同的環(huán)境下能夠高效的運行。結(jié)果見圖11.這個微型機器人能夠根據(jù)工作

15、地點的要求被控制，在我們的所有實驗中，溫度都上升到3度以下，這些結(jié)果初步驗證了，火車頭原則實驗表明，機車效率在橡膠水管中比玻璃水管中高。一些管子在很小的摩擦表面會打滑。在橡膠水管中的循環(huán)運動比在玻璃種短。這由dc發(fā)動機的特性所造成的，這個旋轉(zhuǎn)速度在壓力較小時很高，一般來說，這種速度對這種滑質(zhì)表面很適合。這些是和醫(yī)學(xué)克隆一起做的實驗，這個新鮮的器官由一個導(dǎo)管牽引放在傳送線圈里。這個平均的爬行速度是17mm每分鐘。這比橡膠管中要慢很多。許多中風(fēng)患者在延伸和恢復(fù)期間因為克隆組織的變形而死去。根據(jù)生物制造和地理因素，移動階段的效率的研究已經(jīng)被開發(fā)出來了。這個結(jié)果提供給我們通過計算臨界中風(fēng)的內(nèi)置墻壁的運行來設(shè)計一