CN116784771A - 一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，本申请涉及医疗检测设备技术领域，包括磁耦合装置模块、控制模块和电机模块，磁耦合装置模块和电机模块通过固定组件衔接，控制模块与电机模块信号连接，磁耦合装置模块包括主永磁体单元、从永磁体单元和胶囊机器人，电机模块驱动主永磁体单元旋转产生稳定旋转磁场，在旋转磁场的作用下主永磁体单元对胶囊机器人内部的从永磁体单元产生非接触磁作用力，胶囊机器人与外部的旋转磁场同步旋转实现运动，控制模块包括PC端和操作手柄，操作手柄对电机模块进行调控从何控制磁耦合装置模块的胶囊机器人的运动。本申请具有对胶囊机器人的磁驱动稳定且对胶囊机器人的操控精确便捷的效果。

Description

一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法

技术领域

本发明涉及医疗检测设备技术领域，具体涉及一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法。

技术背景

胶囊机器人作为人体胃肠道内的一种无创、无痛诊疗工具，能够有效提高检查舒适性和患者耐受力，使体内胃肠道等盲区内的检查成为可能，且当检测肠道肿瘤和胃肠道病变时，无线胶囊机器人也比磁共振成像系统更准确，利用永磁铁和磁场的相互作用，利用电磁控制系统驱动胶囊机器人的灵活运动，电磁场的应用已经证明了其在临床的功能性优势，而且外磁场驱动的胶囊机器人可不受机器人内部空间约束，可高度微型化，便于临床应用。

目前，外磁场驱动系统可分为电磁线圈驱动系统和永磁体驱动系统，电磁线圈驱动系统往往需要医师有较高操作水准且成本高昂，而永磁体驱动系统相对来说较为简便更加适用，相关技术中用于胶囊机器人的永磁体驱动系统在对胶囊机器人进行磁驱动时往往不够稳定，而且对位于人体内的胶囊机器人的控制也不够精确便捷，存在改进之处。

发明内容

本发明的目的在于提供一种胶囊机器人磁驱动系统的设计及控制方法，以解决上述背景中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种胶囊机器人磁驱动系统的设计及控制方法，包括磁耦合装置模块、控制模块和电机模块，所述磁耦合装置模块和所述电机模块的衔接处设置有固定组件，所述电机模块驱动所述磁耦合装置模块进行磁耦合，所述控制模块与所述电机模块信号连接，所述控制模块控制所述电机模块进而实现对所述磁耦合装置模块的驱动控制；

所述磁耦合装置模块包括主永磁体单元、从永磁体单元和胶囊机器人，所述从永磁体单元设置在所述胶囊机器人内部中心处，所述电机模块驱动所述主永磁体单元旋转产生稳定旋转磁场，在旋转磁场的作用下所述主永磁体单元对所述胶囊机器人内部的从永磁体单元产生非接触磁作用力，所述胶囊机器人与外部的旋转磁场同步旋转，实现前进、后退与转向运动；

所述控制模块包括PC端和操作手柄，所述PC端与所述胶囊机器人信号连接，用于接收胶囊机器人的视觉反馈信号，所述操作手柄与所述电机模块信号连接，用于对所述电机模块进行调控从何控制所述磁耦合装置模块的胶囊机器人的运动。

优选的，所述电机模块设置为直流电机，所述直流电机与所述控制手柄信号连接，由所述控制手柄进行控制，所述直流电机的一侧设有输出轴，所述输出轴与所述固定组件嵌套设置且固定连接，所述固定组件又与所述主永磁体单元固定连接，用于固定直流电机和所述主永磁体单元，使产生的旋转磁场更加稳定。

优选的，所述主永磁体单元包括两块主永磁体，所述主永磁体呈圆柱状且对称设置，充磁方向为厚度方向充磁，所述两块对称设置的主永磁体在所述直流电机的驱动下可产生稳定的叠加旋转磁场，所述从永磁体单元包括一块圆柱状的从永磁体，所述从永磁体的充磁方向为径向充磁，所述从永磁体设置在所述胶囊机器人的内部中心处。

优选的，所述固定组件包括联轴器和紧固螺栓，所述联轴器的一侧与所述直流电机的输出轴嵌套设置并通过紧固螺栓进行固定，所述联轴器另一侧分别与所述两块主永磁体固定连接并通过紧固螺栓进行固定。

优选的，所述胶囊机器人采用3D打印制造，外部设置有一圈外螺纹，所述外螺纹上的螺旋凹槽用于将液体对所述胶囊机器人的压力转变为轴向压力，驱动所述胶囊机器人向前或向后运动。

优选的，所述操作手柄包括电机驱动器、电机控制器和控制面板，所述电机驱动器和所述电机控制器用于对所述直流电机的无线驱动控制，所述控制面板用于对所述直流电机进行转速及转向的精确控制，且能显示所述直流电机的指令状态及运行状态。

优选的，所述控制面板包括速度调节旋钮、转向调节按键、停止按键、开关键和数码显示屏，所述速度调节旋钮和所述转向旋钮用于控制所述直流电机的转向及速度，从而调控所述两块主永磁体产生的旋转磁场，进一步控制胶囊机器人的转向和速度，所述停止按键用于控制所述直流电机停止运作，旋转磁场消失，胶囊机器人停止运动，所述数码显示屏用于显示所述操作手柄正在执行的指令及直流电机的旋转状态及速度值。

优选的，所述速度调节旋钮设置为正向旋转和反向旋转，当正向旋转速度调节旋钮时，所述直流电机速度增加，所述胶囊机器人也会随之加速旋转，所述数码显示屏显示此时的指令状态及所述直流电机的转速值，且电机的转速在达到最大保护限定转速值后不再增加；当反向旋转速度调节旋钮时，所述直流电机速度减小，所述胶囊机器人也会随之减速旋转，所述数码显示屏显示指令状态及所述直流电机的转速值，随着速度调节旋钮继续旋转，达到0位后，电机的速度不再变化。

优选的，所述转向调节按键设置为正转按键和反转按键，在控制面板按下正转按键，所述直流电机开始转动，所述胶囊机器人随着所述主永磁体产生的旋转磁场而旋转，所述数码显示屏显示所述直流电机为正转及转动速度数值，在控制面板按下反转按键，所述直流电机转动的方向与正向转动的方向相反，所述胶囊机器人随之反方向旋转，所述数码显示屏显示所述直流电机为反转及转动速度数值。

优选的，所述直流电机采用有线或者无线锂电池供电，设置在配套外壳内部，所述固定组件也设置在配套外壳内部，所述两块主永磁体设置在所述配套外壳外部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过控制模块的操作手柄和PC端相互配合，操作手柄与电机模块信号连接实现对电机模块的稳定调控，操作手柄通过操控电机模块的旋转速度及旋转方向，进而对与电机模块固定连接的主永磁体单元产生的旋转磁场进行操控，达到对内部设有从永磁体单元的胶囊机器人的操控，配合PC端接收到的来自胶囊机器人的视觉反馈信号，可以实时观测胶囊机器人所处环境并对其进行操控，操作手柄的使用使得与电机模块固定连接的主永磁体单元产生的旋转磁场产生更加稳定，对胶囊机器人的操控也更稳定便捷。

2.操作手柄包括电机驱动器、电机控制器和控制面板，通过电机驱动器和电机控制器对直流电机的操控更稳定，控制面板包括速度调节旋钮、转向调节按键、停止按键和数码显示屏，通过速度调节旋钮、转向调节按键、停止按键可以对直流电机进行更精确地调控，数码显示屏可以显示当前控制面板的指令转态及直流电机的转动速度值，从何实现对胶囊机器人的精确操控。

附图说明

图1是本发明一种胶囊机器人磁驱动的设计及控制方法的磁耦合模块和电机模块的结构图；

图2是本发明一种胶囊机器人磁驱动的设计及控制方法的控制模块的结构图；

图3是本发明一种胶囊机器人磁驱动的设计及控制方法的胶囊机器人的结构图；

图4是本发明一种胶囊机器人磁驱动的设计及控制方法的整体控制原理图；

图中：1、磁耦合装置模块；11、主永磁体单元；111、主永磁体；12、从永磁体单元；121、从永磁体；13、胶囊机器人；131、外螺纹；2、控制模块；21、PC端；22、操作手柄；221、电机驱动器；222、电机控制器；223、控制面板；2231、速度调节旋钮；2232、转向调节按键；22321、正转按键；22322、反转按键；2233、停止按键；2234、数码显示屏；2232、开关键；3、电机模块；31、直流电机；311、输出轴；4、固定组件；41、联轴器；42、紧固螺栓；5、配套外壳。

具体实施方式

下面结合实施例及附图1对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

本发明公开了一种胶囊机器人磁驱动系统的设计及控制方法，包括磁耦合装置模块1、控制模块2和电机模块3，磁耦合装置模块1和电机模块3通过固定组件4衔接，电机模块3驱动磁耦合装置模块1进行磁耦合，控制模块2与电机模块3信号连接，控制模块2控制电机模块3从何实现对磁耦合装置模块1的驱动控制。

参照图1，磁耦合装置模块1包括主永磁体单元11、从永磁体单元12和胶囊机器人13，从永磁体单元12设置在胶囊机器人13内部中心处，电机模块3驱动主永磁体单元11旋转产生稳定旋转磁场，在旋转磁场的作用下主永磁体单元11对胶囊机器人13内部的从永磁体单元12产生非接触磁作用力，胶囊机器人13与外部的旋转磁场同步旋转，实现前进、后退与转向运动；电机模块3设置为直流电机31，直流电机31的一侧设有输出轴311，输出轴311与固定组件4嵌套设置且固定连接，固定组件4又与主永磁体单元11固定连接，用于固定直流电机31和主永磁体单元11，使产生的旋转磁场更加稳定。

实际运用中，直流电机31启动后，由于主永磁体单元11与直流电机31通过和固定组件4固定连接，主永磁体单元11在直流电机31的驱动下能产生更稳定的旋转磁场，而且产生的旋转磁场可由直流电机31进行调控，内部设有从永磁体121的胶囊机器人13在这种稳定的旋转磁场的作用下会同步旋转，通过对直流电机31调控即可实现对胶囊机器人13前进、后退以及转向的稳定操控。

参照图1，主永磁体单元11包括两块主永磁体111，主永磁体111呈圆柱状且对称设置，充磁方向为厚度方向充磁，两块对称设置的主永磁体111在直流电机31的驱动下可产生稳定的叠加旋转磁场，从永磁体121单元12包括一块圆柱状的从永磁体121，从永磁体121的充磁方向为径向充磁，从永磁体121设置在胶囊机器人13的内部中心处。

实际运用中，两块主永磁体111在直流电机31驱动下叠加产生的旋转磁场对从永磁体121的非接触磁作用力更强，保证胶囊机器人13位于人体内时能够稳定收到非接触磁作用力，不易出现断触情况，从永磁体121设置在胶囊机器人13的中心处也使得胶囊机器人13各部位受到的磁作用力均匀，在操控过程中不易出现因受力不均造成的位置偏移，控制效果差的情况。

参照图1，固定组件4包括联轴器41和紧固螺栓42，联轴器41的一侧与直流电机31的输出轴311嵌套设置并通过紧固螺栓42进行固定，联轴器41另一侧分别与两块主永磁体111固定连接并通过紧固螺栓42进行固定，直流电机31采用有线或者无线锂电池供电，设置在配套外壳5内部，固定组件4和两块主永磁体111设置在配套外壳5外部。

实际运用中，直流电机31依靠输出轴311带动两块主永磁体111旋转，联轴器41在其中起到衔接和固定的作用，保证了主永磁体111旋转过程中的稳定和安全性，紧固螺栓42又进一步进行固定，对旋转磁场的稳定产生进行双重固定保护，直流电机31使用锂电池供电，可进行无线和有线两种方式充电，使直流电机31的电源电量得到保证，直流电机31设置在配套外壳5内起到对电机的保护和隔离作用。

参照图1和图2，控制模块2包括PC端21和操作手柄22，PC端21与胶囊机器人13信号连接，用于接收胶囊机器人13的视觉反馈信号，操作手柄22与电机模块3信号连接，用于对电机模块3进行调控从何控制磁耦合装置模块1的胶囊机器人13的运动，操作手柄22包括电机驱动器221、电机控制器222和控制面板223，电机驱动器221和电机控制器222用于对直流电机31的无线驱动控制，控制面板223用于对直流电机31进行转速及转向的精确控制，且能显示直流电机31的指令状态及运行状态。

实际应用中，通过操作手柄22启动直流电机31，操作手柄22设有的电机驱动器221和电机控制器222加强稳固操作手柄22对主流电机的无线调控，直流电机31启动后，主永磁体111产生旋转磁场，操作手柄22实现对胶囊机器人13的操控，配合PC端21接收到的胶囊机器人13所述的位置环境，通过控制面板223即可对胶囊机器人13进行精确控制。

参照图1和图2，控制面板223包括速度调节旋钮2231、转向调节按键2232、停止按键2233、开关键2232和数码显示屏2234，速度调节旋钮2231和转向旋钮用于控制直流电机31的转向及转速，从而调控两块主永磁体111产生的旋转磁场，进一步控制胶囊机器人13的转向和旋转速度，停止按键2233用于控制直流电机31停止运作，旋转磁场消失，胶囊机器人13停止运动，数码显示屏2234用于显示操作手柄22正在执行的指令及直流电机31的旋转状态及速度值。

实际应用中，通过控制面板223上速度调节旋钮2231、转向调节按键2232和停止按键2233对直流电机31进行调控，直流电机31影响主永磁体111产生的旋转磁场，从何调控内部含有从永磁体121的胶囊机器人13，通过控制面板223上的数码显示屏2234还可以进一步观察到直流电机31此时正在执行的指令，包括正反向转向和转动速度值。

参照图1和图2，速度调节旋钮2231设置为正向旋转和反向旋转，当正向旋转速度调节旋钮2231时，直流电机31速度增加，胶囊机器人13也会随之加速旋转，数码显示屏2234显示此时的指令状态及直流电机31的速度值，且电机的转速在达到最大保护限定转速值后不再增加；当反向旋转速度调节旋钮2231时，直流电机31速度减小，胶囊机器人13也会随之减速旋转，数码显示屏2234显示指令状态及直流电机31的速度值，随着速度调节旋钮2231继续旋转，达到0位后，电机的速度不再变化。

实际应用中，通过操作手柄22控制面板223上的速度调节旋钮2231即可对直流电机31的转速进行调控，从何影响胶囊机器人13的旋转速度，实现对胶囊机器人13的加速或减速调控，比如正向旋转速度调节旋钮2231，直流电机31的转速会增加，胶囊机器人13随之加速旋转，实现胶囊机器人13的加速；反向旋转速度调节旋钮2231，直流电机31的转速会减小，胶囊机器人13随之减速旋转，实现胶囊机器人13的减速，同时在数码显示屏2234上能观测到直流电机31的转速值。

参照图1和图2，转向调节按键2232设置为正转按键22321和反转按键22322，在控制面板223按下正转按键22321，直流电机31开始转动，胶囊机器人13随着主永磁体111产生的旋转磁场而旋转，数码显示屏2234显示直流电机31为正转及旋转速度数值，在控制面板223按下反转按键22322，直流电机31转动的方向与正向转动的方向相反，胶囊机器人13随之反方向旋转，数码显示屏2234显示直流电机31为反转及旋转速度数值。

实际应用中，通过控制面板223上的转向调节按键2232控制胶囊机器人13正向运动或者反向运动，按下正转按键22321，直流电机31正常开始转动，胶囊机器人13正向旋转；按下反转按键22322，直流电机31反向转动，与正向转动的方向相反，胶囊机器人13反向旋转，实现变向，同时在数码显示屏2234上能观测到直流电机31的正反转状态。

参照图3，胶囊机器人13采用3D打印制造，外部设置有一圈外螺纹131，外螺纹131上的螺旋凹槽用于将液体对胶囊机器人13的压力转变为轴向压力，有利于驱动胶囊机器人13向前或向后运动。

参照图4，本发明一种胶囊机器人磁驱动系统的设计及控制方法的控制方法分为以下步骤：

步骤一，按下控制面板223开关键2232，操作手柄22开始工作

步骤二，按下控制面板223上的正转按键22321，直流电机31启动且正向旋转；

步骤三，正向顺时针旋转控制面板223上的旋转速度调节旋钮2231，电机转速增加，胶囊机器人13也会随之加速旋转；

步骤四，反向逆时针旋转控制面板223上的旋转速度调节旋钮2231，电机转速减小，胶囊机器人13也会随之减速旋转；

步骤五，按下控制面板223上的反转按键22322，直流电机31反向转动，与直流电机31正向转动的方向相反，胶囊机器人13反向旋转，实现变向；

步骤六，按下控制面板223上的暂停按键，直流电机31停止转动，胶囊机器人13停止旋转停滞；

步骤七，检测结束再次按下控制面板223上的开关键2232，操作手柄22关闭。

本申请实施例一种胶囊机器人磁驱动系统的设计和控制方法的实施原理为：通过操作手柄22对直流电机31进行启动调控，直流电机31转动，带动与直流电机31通过固定组件4固定连接的两块主永磁体111旋转产生旋转磁场，位于胶囊机器人13内部中心处的从永磁体121在旋转磁场的作用下受到非接触磁作用力，胶囊机器人13与外部的旋转磁场同步旋转，实现由操作手柄22对胶囊机器人13的操控，且操作手柄22上的电机驱动器221、电机控制器222使得操作手柄22与直流电机31的无线信号连接更稳定，控制面板223上的速度调节旋钮2231、转向调节按键2232、停止按键2233实现对直流电机31进行更精确地转速及转向调控，从何能够实现对胶囊机器人13更精确地调控。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，包括磁耦合装置模块(1)、控制模块(2)和电机模块(3)，所述磁耦合装置模块(1)和所述电机模块(3)的衔接处设置有固定组件(4)，所述电机模块(3)驱动所述磁耦合装置模块(1)进行磁耦合，所述控制模块(2)与所述电机模块(3)信号连接，所述控制模块(2)控制所述电机模块(3)进何实现对所述磁耦合装置模块(1)的驱动控制；

所述磁耦合装置模块(1)包括主永磁体单元(11)、从永磁体单元(12)和胶囊机器人(13)，所述从永磁体单元(12)设置在所述胶囊机器人(13)内部中心处，所述电机模块(3)驱动所述主永磁体单元(11)旋转产生稳定旋转磁场，在旋转磁场的作用下所述主永磁体单元(11)对所述胶囊机器人(13)内部的从永磁体单元(12)产生非接触磁作用力，所述胶囊机器人(13)与外部的旋转磁场同步旋转，实现前进、后退与转向运动；

所述控制模块(2)包括PC端(21)和操作手柄(22)，所述PC端(21)与所述胶囊机器人(13)信号连接，用于接收胶囊机器人(13)的视觉反馈信号，所述操作手柄(22)与所述电机模块(3)信号连接，用于对所述电机模块(3)进行调控从何控制所述磁耦合装置模块(1)的胶囊机器人(13)的运动。

2.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述电机模块(3)设置为直流电机(31)，所述直流电机(31)与所述操作手柄(22)信号连接，由所述操作手柄(22)进行控制，所述直流电机(31)的一侧设有输出轴(311)，所述输出轴(311)与所述固定组件(4)嵌套设置且固定连接，所述固定组件(4)又与所述主永磁体单元(11)固定连接，用于固定直流电机(31)和所述主永磁体单元(11)，使产生的旋转磁场更加稳定。

3.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述主永磁体单元(11)包括两块主永磁体(111)，所述主永磁体(111)呈圆柱状且对称设置，充磁方向为厚度方向充磁，所述两块对称设置的主永磁体(111)在所述直流电机(31)的驱动下可产生稳定的叠加旋转磁场，所述从永磁体单元(12)包括一块圆柱状的从永磁体(121)，所述从永磁体(121)的充磁方向为径向充磁，所述从永磁体(121)设置在所述胶囊机器人(13)的内部中心处。

4.根据权利要求2所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述固定组件(4)包括联轴器(41)和紧固螺栓(42)，所述联轴器(41)的一侧与所述直流电机(31)的输出轴(311)嵌套设置并通过紧固螺栓(42)进行固定，所述联轴器(41)另一侧分别与所述两块主永磁体(111)固定连接并通过紧固螺栓(42)进行固定。

5.根据权利要求1所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述胶囊机器人(13)采用3D打印制造，外部设置有一圈外螺纹(131)，所述外螺纹(131)上的螺旋凹槽用于将液体对所述胶囊机器人(13)的压力转变为轴向压力，驱动所述胶囊机器人(13)向前或向后运动。

6.根据权利要求4所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述操作手柄(22)包括电机驱动器(221)、电机控制器(222)和控制面板(223)，所述电机驱动器(221)和所述电机控制器(222)用于对所述直流电机(31)的无线驱动控制，所述控制面板(223)用于对所述直流电机(31)进行转速及转向的精确控制，且能显示所述直流电机(31)的指令状态及转速值。

7.根据权利要求6所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述控制面板(223)包括速度调节旋钮(2231)、转向调节按键(2232)、停止按键(2233)、开关键(2232)和数码显示屏(2234)，所述速度调节旋钮(2231)和所述转向调节按键(2232)用于控制所述直流电机(31)的转向及转动速度，从而调控所述主永磁体(111)产生的旋转磁场，进一步控制胶囊机器人(13)的转向和旋转速度，所述停止按键(2233)用于操控所述直流电机(31)停止运作，旋转磁场消失，胶囊机器人(13)停止运动，所述数码显示屏(2234)用于显示所述操作手柄(22)正在执行的指令及直流电机(31)的转动状态及转速值。

8.根据权利要求7所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述速度调节旋钮(2231)设置为正向旋转和反向旋转，当正向旋转速度调节旋钮(2231)时，所述直流电机(31)速度增加，所述胶囊机器人(13)随之加速旋转，所述数码显示屏(2234)显示此时的指令状态及所述直流电机(31)的转速值，且电机的转速在达到最大保护限定转速值后不再增加；当反向旋转速度调节旋钮(2231)时，所述直流电机(31)速度减小，所述胶囊机器人(13)随之减速旋转，所述数码显示屏(2234)显示指令状态及所述直流电机(31)的转速值，随着速度调节旋钮(2231)继续旋转，达到0位后，所述主流电机(31)的转动速度不再变化。

9.根据权利要求7所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述转向调节按键(2232)设置为正转按键(22321)和反转按键(22322)，在控制面板(223)按下正转按键(22321)，所述直流电机(31)开始转动，所述胶囊机器人(13)随着所述主永磁体(111)产生的旋转磁场而旋转，所述数码显示屏(2234)显示所述直流电机(31)为正转及旋转速度数值，在控制面板(223)按下反转按键(22322)，所述直流电机(31)转动的方向与正向旋转的方向相反，所述胶囊机器人(13)随之反方向旋转，所述数码显示屏(2234)显示所述直流电机(31)为反转及转动速度数值。

10.根据权利要求9所述的一种胶囊机器人磁驱动系统设计及控制方法，其特征在于，所述直流电机(31)采用有线或者无线锂电池供电，所述直流电机外部设置有配套外壳(5)内部，所述固定组件(4)也设置在所述配套外壳(5)内部，所述两块主永磁体(111)设置在所述配套外壳(5)外部。