文章编号:100220446(2006)0620560205体内微型机器人的全方位旋进驱动特性3张永顺,张凯,张林燕(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连　116024)摘　要:提出了一种由外旋转磁场驱动的体内微机器人.它以相邻径向异向磁化瓦状多磁极圆筒形NdFe B永磁体为外驱动器,以机器人内嵌同结构的NdFe B永磁体为内驱动器,外驱动器旋转时产生旋转磁场,通过磁机耦合作用于内嵌驱动器形成机器人驱动力矩,在本体外表面螺纹与流体动压力的作用下,实现机器人在管道内的在线旋进.在建立微机器人游动模型的基础上,以垂直管道为试验环境,研究了机器人的全方位驱动特性,试验结果表明机器人可以实现管道内全方位驱动.关键词:体内微型机器人;旋转磁场;游动特性;全方位驱动中图分类号:　TP24 文献标识码:　BSp i ra l D r i ve Character isti cs of a M i cro Robot I n si de Human BodyZ HANG Yong2shun,Z HANG Kai,ZHANG L in2yan(Key L aboratory for Precision&N on2traditional M achining of M inistry of Education,D alian U niversity of Technology,D alian116024,China)　Abstract:A ne w m icr o r obot inside hu man body driven by exteri or r otating magnetic field is p r oposed.It takes a cylindri2 cal NdFe B multi pole per manentmagnet composed of several neighboring tegular magnetsmagnetized anis otr op ically al ong ra2 dial directi on as exteri or actuat or,and a magnet with the same structure e mbedded inside the r obot body as the inner actua2 t or.The r obot scre ws for ward inside p i pe under the acti on bet w een s p iral rib on the exteri or surface of r obot body and fluid dyna m ic p ressure when r obot r otates by magnetic t orque,which is generated by magnet o2mechanical coup ling fr om r otating exteri or actuat or t o inner one.Based on a ne wly devel oped s wi m m ing mathe matical model,its characteristics of omni2direc2 ti onal drive is studied in the envir on ment of erect p i pe.Experi m ental results show that the r obot can realize omni2directi onal drive.　Keywords:m icr o r obot inside hu man body;r otating magnetic field;s wi m m ing characteristics;omni2directi onal drive1　引言(I n troducti on)ME MS技术的发展,使微机器人进入体内执行无创或微创介入医疗作业成为可能.为了安全、可靠地进行肠道内的检查及手术作业,减少病人的痛苦,人们已经研究出微型肠道胶囊内窥镜和胶囊电子药丸.胶囊内窥镜可以无线传输检查图像,电子药丸可以通过在肠道内脉冲放电来医治胃肠疾病.它们均随肠道蠕动来完成整个区域检查与作业,并随排泄物排出体外,其过程安全、可靠,但速度缓慢,效率低下,尤其是错过病变组织时,不能主动返程进行集中局部观察与治疗,使肠道内的一些医疗作业无法完成.为了实现胶囊式机器人的体内作业,有必要对其实施安全有效的主动驱动控制和姿态调整,尤其要求机器人具有全方位驱动功能,这样才能实现机器人的可靠作业.日本Ishiya ma等人利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场,通过加载电流控制磁场强度及方向,作用于胶囊内嵌磁体带动其旋转,在胶囊表面螺纹与液体的作用下实现旋进[1,2],通过调整外旋转磁场平面的方向对微机器人进行姿态控制[3,4].但通电线圈所产生的驱动力矩小,驱动不安全,尤其当驱动频率较高时,线圈的能量损耗较大,大大降低了机器人的效率.　第28卷第6期　2006年11月机器人　ROBO T Vol.28,No.6　Nov.,20063基金项目:国家自然科学基金资助项目(60275034);辽宁省自然科学基金资助项目(20021061,20032119).收稿日期:2006-01-13本文提出一种以径向磁化的N 、S 极相间排列的多磁极圆环NdFe B 永磁体为外驱动器,以嵌入胶囊内的同磁极结构NdFe B 永磁体为内驱动器,通过变频调速带动外驱动器转动产生旋转磁场,驱动机器人内嵌磁体旋转,实现体内旋进的驱动控制方法.由于该驱动器产生的旋转磁场强度高达015T,为线圈提供空间旋转磁场强度的100倍,显著提高了驱动力矩.要提高在人体内的实用性与可靠性,机器人必须具备全方位驱动功能,如机器人在肠道内要能克服重力实现快速爬行等.本文在建立机器人螺旋参数与运动特性数学模型的基础上,着重研究了微机器人在垂直封闭管内的游动特性.行走试验表明机器人具有良好的垂直爬行的性能.由于螺旋结构机器人适于在充满大粘度液体的封闭管内环境中游动,因此病人可饮入大粘度无毒透明液体,如糖浆等,使消化道具备机器人驱动的动力媒介与环境.机器人的大驱动力矩与全方位驱动特性使其极有可能作为胶囊内窥镜或施药装置的移动载体应用于人体肠道和血管内的医疗作业.2　机器人结构与外驱动磁场(Robot struc 2ture and its exter i or dr i v i n g magneti c f i eld)图1为研制的螺旋式胶囊微机器人及旋转磁场驱动的示意图,通过变频调速来控制旋转磁场的转速,实现微机器人的旋进速度控制.反向驱动外驱动器,可实现微机器人反向运动.调整外驱动器的空间姿态可以实现微机器人在空间任意方向的运动.图1　外旋转磁场驱动螺旋式微机器人的示意图Fig .1　Illustrati on of a s p iral type m icr o r obot drivenby exteri or r otating magnetic field 外驱动器对机器人内嵌磁体产生的轴向驱动力由两部分组成:(1)当微机器人旋转时,其螺旋结构与管内粘性液体产生动压膜,形成轴向驱动力;(2)调整外驱动器偏离机器人的中心位置,外驱动器通过内驱动器对机器人产生轴向推力.二者与外旋转力矩形成“力旋”,在柔弹性组织内有理想的撑开推进效果.图2为研制的几种不同螺旋参数的机器人模型,为了不损伤柔弹性组织,其外表面缠有由柔软无毒树脂材料制成的螺旋线.图2　螺旋式微机器人样机Fig .2　Pr ot otypes of several kinds of s p iral r obots3　机器人水平运动特性方程的建立(Est ab 2lishm en t of character isti c equa ti on s of hor i zon t a l robot sw i m m i n g)为了分析螺旋表面的压力分布情况,建立如图3(a )所示的坐标系[5],机器人在管内旋转移动时,圆周上某点的绝对运动为周向速度U 和轴向速度V a 的合成运动,在x 、y 方向的投影为: W =U sinθ-V a cos θ V =U cos θ+V a sin θ式中,θ为螺旋升角.将螺旋表面按垂直于螺纹t 2t 的截面展开,螺旋结构参数如图3(a )、3(b )所示,其动压力分布如图3(c )所示.图中,h a 为螺旋槽的高度;c 为微机器人螺旋顶端与管道内壁的径向间隙.设β=ba ,γ=h a c,由雷诺方程建立机器人螺旋外表面的压力特征方程,再根据Navier 2St okes 方程确定流体流动速度分布规律,最终根据表面剪力分布规律确定机器人轴向推力与机器人运动与螺旋几何参量的关系式,求得微机器人所受的液体轴向推进力为[6]:165 第28卷第6期张永顺等:　体内微型机器人的全方位旋进驱动特性 F a =2πμL c 3β(1-β)γ2B C cos θ[r -c (1-γ)](1-β)B +βr (1+γ)3C-(1-β)(r -c γ)c (1+γ)V a -βV a (1)式中,B =(r -c γ)ωr sin θ-V a r cos θ;C =ωr sin θ-V a cos θ;ω为微机器人的转动角速度;r 为微机器人的半径;L 为微机器人的长度.图3　螺旋表面流体的运动与压力分析Fig .3　Analysis on moti on and dynam ic p ressure about liquid on s p iral surface研究表明,当螺旋角θ=45°时,机器人游动速度最大,因此取该螺旋角研究机器人的全方位驱动特性.根据式(1)可得不同转速下F a 与V a 的关系曲线,如图4所示.其中各参数取值如下:θ=45°,β=011,γ=1,c =1mm ,r =515mm ,μ=5Pa 1s ,L =70mm.图4　轴向推进力与游动速度之间的关系Fig .4　Relati onshi p bet w een axial p r opulsive f orceand s wi m m ing s peed 可见,F a 随V a 的增大而减小,V a =0时,F a 最大,微机器人在F a 的作用下沿轴向由静止开始加速游动,随着V a 的逐渐增大,F a 逐渐减小,当F a 减至0时,V a 达到最大值,微机器人运动速度达到最大稳态值.微机器人的游动速度与机器人的转速为线性关系.4　微机器人在垂直管内的游动特性(Est ab 2lish m en t on equa ti on of verti ca l sw i m 2m i n g character isti cs of robot)机器人在水平管内游动时,自身重力对游动特性没有影响;机器人在垂直放置的管内游动时,机器人的重力G 与驱动力F a 的作用线一致,因此重力将对游动特性产生影响.下面分别讨论微机器人在垂直管内向上游动和向下游动时,重力G 对机器人游动特性的影响.4.1　微机器人向上的游动特性驱动微机器人在垂直放置的管内向上游动时,应控制微机器人的旋转方向,使驱动力F a 的方向向上,以克服重力G .如果机器人的螺旋结构参数一定,并假设在重力的作用下,对流体的动态特性没有影响,即F a 与V a 依然满足图4中的F a 2V a 线性关系,那么垂直向上驱动时,式(1)可以写成:F a =f (V a ,n )(2)265 机　器　人2006年11月　机器人所受的合力为:F =F a -G(3) 当F a >G 时,微机器人才启动,沿轴向由静止开始向上游动后,F a 随V a 的增大而减小,当F a 减至与重力G 相等时,合力F =0,其V a 达到最大稳态值,实现匀速向上游动.图5所示为不同转速时,机器人向上游动的F a 2V a 计算曲线.其中微机器人的重力G =0112N (图中的水平虚线).可见,n =33215r/m in 时,F a 等于重力G,机器人刚好克服重力,达到平衡状态,该速度记为n 0,对应的F a 2V a 曲线称为临界启动曲线.当n >n 0时,F a 2V a 曲线在临界启动曲线上方,微机器人才可克服重力,实现向上爬行.F a 2V a 曲线与G 线的交点对应的横坐标值即为在该驱动转速下,机器人在垂直管内的稳定向上游动速度.机器人的启动过程是由纵轴沿F a 2V a 曲线与G 线相交,速度由零达到稳态向上游动速度.图5　微机器人向上游动时的F a 2V a 曲线Fig .5　Relati onshi p bet w een axial p r opulsive force and s wi m m ing s peed when r obot s wi m s upward vertically 显然n 越大,V a 的稳态值越大;当n <n 0时,即F a 2V a 曲线在临界启动曲线下方时,微机器人不能启动,例如图中n =200r/m in 时.4.2　微机器人向下的游动特性当驱动微机器人在垂直放置的管内向下游动时,应控制微机器人的旋转方向,使驱动力F a 的方向向下,与重力G 作用方向一致.如果机器人的螺旋结构参数一定,同理垂直向下驱动时有式(2)成立.微机器人在垂直管内向下驱动时,驱动力向下,称为正向驱动,其驱动转速为正,此时微机器人沿轴向所受的合力为:F =F a +G(4) 向下驱动时满足F ≥0,机器人可以启动.微机器人在垂直管内向上驱动时,驱动力向上,称为反向驱动,其驱动转速为负,在一定反向驱动转速范围内,机器人也可实现向下游动.这是由于向上游动的临界驱动速度为n =-33215r/m in ,因此当向上驱动速度的绝对值小于截止驱动速度的绝对值时,机器人也可以在重力的作用下,实现向下启动.此时微机器人沿轴向所受的合力为:F =G -F a(5) 图6所示为微机器人以不同转速向下驱动的F a 2V a 曲线,G 线为-0112N 的水平线,n =-33215r/m in 时的F a 2V a 曲线称为截止曲线,在其上方,微机器人才能实现向下启动,这些曲线与G 线的交点表示微机器人的稳态游动速度.图6　微机器人向下游动时的F a 2V a 曲线Fig .6　Relati onshi p bet w een axial p r opulsive f orce and s wi m m ing s peed when r obot s wi m s down ward vertically 正向旋转驱动时,机器人沿轴向由静止开始加速向下游动,F a 随V a 的增大而减小,当F a 减至0时,微机器人所受的合力并不为0,而是F =G,故将继续加速向下游动,随着V a 的继续增大,F a 将由0开始沿反向逐渐增大,直至增大到F a =-G 时,合力F 为0,微机器人达到稳态;在反向旋转驱动时,机器人在满足启动条件的情况下,微机器人从静止开始向下加速游动,F a 的绝对值随着V a 的增大而增大(此时F a 为负值),当F a 的绝对值增大到G,即F a =-G 时,合力F 等于0,微机器人达到稳态.365 第28卷第6期张永顺等:　体内微型机器人的全方位旋进驱动特性 5　机器人运动特性的试验研究(Exper i m en 2t a l research on robot sw i m m i n g charac 2ter isti cs)研制了旋转磁场驱动系统和微机器人样机,各项参数如前所述,为了验证上述理论分析结果,分别进行了水平和垂直管道内的游动对比试验,机器人游动试验装置如图7所示.图8和图9分别为水平游动和垂直游动的试验结果.由图8可见,水平游动的游动速度与驱动转速曲线是过原点的一条直线,与理论计算结果一致.(a )水平游动试验(b )垂直游动试验图7　机器人游动试验装置Fig .7　Experi m ental set 2up for r obot s wi m ming图8　微机器人水平游动试验曲线Fig .8　Experi m ental curve when r obot s wi m s horizontally 由图9(a )可见,垂直向上游动速度与驱动转速曲线是过启动转速n 0=33215r/m in 的一条直线,当转速低于或等于启动转速n 0时,微机器人不能启动;由图9(b )可见,垂直向下游动速度与驱动转速曲线是过启动转速n 0=-33215r/m in 的一条直线,当微机器人正转(n >0)或不转(n =0)时,微机器人均能启动;当微机器人反转(n <0)时,只有当转速的绝对值低于启动转速n 0的绝对值时,微机器人才能启动.上述情形均与理论分析结果一致.(a )垂直向上游动(b )垂直向下游动图9　微机器人垂直游动试验曲线Fig .9　Experi m ental curve when r obot s wi m s vertically6　结论(Conclusi on)提出一种新的胶囊型微型机器人的外旋转磁场驱动控制方法,外旋转磁场驱动器采用径向磁化多磁极圆筒形永磁体,具有旋转磁场强、驱动力矩大、动态响应快、安全可靠等优点.试验结果表明,该方法与线圈驱动方式相比,更能节省能源,实用性更好.由于驱动力矩大,机器人与外旋转磁场同步驱动性好,因此显著提高了机器人的可靠性与实用性.(下转第570页)速度趋于稳定的调整时间,减小时滞现象,增强抗干扰能力,在此基础上,测试平稳运动时运动器的爬坡和越障能力.5　结论(Conclusi on)球形运动器设计的主要准则是将球体的转向与直线行走两种运动状态分开实现,这样可以避免两种运动综合作用时产生的运动耦合现象,从而降低了耦合时所带来的力学分析和控制上的难度.通过对运动器进行的动力学分析,得出了其内部各个状态变量的变化规律,为进一步控制奠定了基础.设计的开环控制系统能够实现球形运动器的两个基本运动方式,达到平面上的任何一点,完成精度不高的探测性任务.下一步的工作是实现闭环控制,使球形运动器运动效果更加平稳、灵活.参考文献　(References)[1]Javadi A H A,Mojabi P.I ntr oducing August:a novel strategy f oran omnidirecti onal s pherical r olling r obot[A].Pr oceedings of theI EEE I nternati onal Conference on Robotics and Aut omati on[C].Piscata way,US A:I EEE,2002.3527-3533.[2]B icchi A,Balluchi A,Prattichizz o D,et al.I ntr oducing 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