基于超聲電機(jī)的膠囊內(nèi)窺鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)研究

王皆宸　邢曉紅　蔣建　韓宇航

【摘 要】針對(duì)膠囊內(nèi)置鏡頭的運(yùn)動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)了一種由直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)窺鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)。該直線電機(jī)為基于圓環(huán)形薄板面內(nèi)非軸對(duì)稱模態(tài)的螺紋型超聲電機(jī)，利用有限元軟件 COMSOL Multiphysics 優(yōu)化了電機(jī)尺寸，測(cè)得該電機(jī)在頻率38.6kHz，電壓40Vpp的激勵(lì)下，直線前進(jìn)速度為137.3μm/s，后退速度為164.5μm/s，直線行程超過(guò)5mm。該調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有良好的精密定位能力，又因采用壓電超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該醫(yī)療設(shè)備可以與核磁共振成像MRI相兼容。

【關(guān)鍵詞】膠囊內(nèi)窺鏡；調(diào)焦機(jī)構(gòu)；有限元分析；超聲電機(jī)

中圖分類號(hào)： TB55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0093-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.040

0 引言

膠囊內(nèi)窺鏡突破了常規(guī)內(nèi)窺鏡檢查的方式，無(wú)痛苦，無(wú)創(chuàng)傷。膠囊經(jīng)患者吞服后，隨著消化道的蠕動(dòng)而逐漸行進(jìn)，對(duì)途經(jīng)的腔段，特別是常規(guī)內(nèi)窺鏡無(wú)法觀察到的小腸部分連續(xù)拍攝并把圖像數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)襟w外借以達(dá)到診斷目的。受制于食道大小，膠囊內(nèi)窺鏡的外形尺寸受到限制，通常直徑10-15mm為宜，長(zhǎng)度也不宜超過(guò)30mm，膠囊太大會(huì)對(duì)吞咽造成困難，增加患者痛苦，直徑太小則會(huì)因?yàn)榫劢共坏绞车澜M織或其他雜物干擾對(duì)成像造成不利影響。傳統(tǒng)膠囊的鏡頭被固定于內(nèi)窺鏡的端部，為了獲得更高的圖像質(zhì)量和更大視野需要調(diào)整內(nèi)置鏡頭的姿態(tài)。

超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)獲得運(yùn)動(dòng)和力（矩）的驅(qū)動(dòng)器，由定子，動(dòng)子，預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等部分組成。與電磁電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大（是傳統(tǒng)電機(jī)的3～10倍）；低速大扭矩，無(wú)需減速裝置；響應(yīng)快（毫秒級(jí)）；有很好的斷電自鎖能力；不受外界磁場(chǎng)及輻射干擾，不產(chǎn)生磁場(chǎng)；形狀可以多樣化（圓的、方的、空心的、桿狀的等）。由于其優(yōu)異的性能，超聲電機(jī)在航空航天，精密平臺(tái)，武器，醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)有應(yīng)用[1]。

1 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)

膠囊內(nèi)窺鏡對(duì)直線電機(jī)的要求是具有較強(qiáng)的自鎖能力，驅(qū)動(dòng)力比較大，控制精度也比較高，以便精確調(diào)焦。目前能做到較小尺寸的直線壓電電機(jī)主要有慣性式壓電直線電機(jī)，通過(guò)螺紋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的超聲電機(jī)，以及利用面內(nèi)模態(tài)的平板式超聲電機(jī)[2]。慣性直線電機(jī)由于驅(qū)動(dòng)力較小，預(yù)壓力的控制比較復(fù)雜，不適用于膠囊內(nèi)窺鏡；平板式超聲電機(jī)的預(yù)壓力控制更加復(fù)雜，也被排除掉。而螺紋驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)[3]由于螺紋結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的自鎖能力，驅(qū)動(dòng)力比較大，控制精度也比較高，因此采用這一類型電機(jī)作為直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本文介紹的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，利用基于面內(nèi)非軸對(duì)稱模態(tài)的螺紋型直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示：其定子為環(huán)形金屬-壓電陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，定子內(nèi)圈表面制備螺紋，轉(zhuǎn)子為一螺桿，定子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子作螺旋運(yùn)動(dòng)（將螺桿制備為管狀中空結(jié)構(gòu)，則鏡頭可安裝于其中）。所制備旋轉(zhuǎn)電機(jī)其徑向尺寸不超過(guò)10mm，軸向尺寸也不超過(guò)10mm，此種環(huán)形結(jié)構(gòu)有利于安裝在膠囊內(nèi)窺鏡中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省空間。

環(huán)形金屬內(nèi)圓上攻內(nèi)螺紋但該螺紋結(jié)構(gòu)中間有1mm被車去，只有兩側(cè)還保留，以減小轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)時(shí)過(guò)大的摩擦力，如圖1b所示，材料采用磷青銅，直徑8mm，厚3mm。環(huán)形金屬兩面粘接了兩塊PZT-4陶瓷，尺寸為外徑10mm，內(nèi)徑8 mm，厚度0.2 mm。轉(zhuǎn)子采用磷青銅，為全螺紋，螺距0.3mm；牙型角60°，邊長(zhǎng)0.25mm（牙高0.2165mm），大徑6mm。用環(huán)氧樹(shù)脂將環(huán)形金屬與壓電陶瓷零件粘接為一體作為定子。利用環(huán)形定子薄板的面內(nèi)非軸對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，在壓電陶瓷的激勵(lì)下金屬定子圓環(huán)內(nèi)圈表面質(zhì)點(diǎn)作面內(nèi)橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與螺母嚙合的精密螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)螺桿的軸向直線運(yùn)動(dòng)。

電機(jī)的兩片壓電陶瓷都采用PZT-4材料，外徑10mm，內(nèi)徑8mm，厚0.2mm，極化方向和所加的驅(qū)動(dòng)電壓如圖1d所示，上下兩片陶瓷都分八個(gè)區(qū)極化，極化方向?yàn)椤?+--++--”，每片陶瓷每個(gè)分區(qū)測(cè)得d33值都在360pc/N左右（ZJ-3AN型準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x）。電機(jī)裝配時(shí)陶瓷接地的一面用環(huán)氧樹(shù)脂粘接在定子上，兩片陶瓷每個(gè)區(qū)“+”“-”相對(duì)。驅(qū)動(dòng)時(shí)分別將幅值、頻率相等，相位相差90度的正弦和余弦電壓間隔加在陶瓷的八個(gè)區(qū)，上下兩片對(duì)應(yīng)位置電壓相同。地線接在整個(gè)磷青銅定子上，這樣電機(jī)工作時(shí)接入兩路信號(hào)即可。

2 直線電機(jī)原理及有限元分析

為了使定子產(chǎn)生足夠大的振幅驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，超聲電機(jī)通常工作在共振頻率附近，而選擇合適的頻率和模態(tài)是超聲電機(jī)能夠工作的最重要條件。利用有限元軟件仿真可以在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)確定定子的模態(tài)，為電機(jī)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。為了驅(qū)動(dòng)螺紋直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子，需要在定子圓環(huán)內(nèi)表面形成周向行波，合成這一行波最簡(jiǎn)單的方法是使圓環(huán)中同時(shí)激勵(lì)兩個(gè)方向垂直，相位相差90°的彎曲駐波，就需要在定子薄板激發(fā)一個(gè)彎曲模態(tài)B21（Bmn中m表示節(jié)圓數(shù)，n表示節(jié)徑數(shù)） ，因此有限元仿真的目的就是為了找到定子薄板內(nèi)的彎曲模態(tài)B21，以及當(dāng)兩相激勵(lì)信號(hào)同時(shí)施加時(shí)能否在定子圓環(huán)內(nèi)表面產(chǎn)生行波。

有限元仿真的軟件采用COMSOL Multiphysics 5.1，在仿真過(guò)程中考慮邊界條件：電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子通過(guò)螺紋嚙合，螺紋的牙高于銅環(huán)厚度相當(dāng)，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，螺紋的影響不可忽略。在建模時(shí)，考慮到產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)力和速度需要定子薄板面積大，而膠囊的尺寸又限定了環(huán)形金屬的大小，因此取直徑10mm較為合適，同時(shí)定子圓環(huán)的直徑和壁厚受裝配和加工條件的限制，取內(nèi)徑6mm，壁厚0.5mm。仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)形金屬的材料和螺紋螺距影響B(tài)21模態(tài)的頻率，對(duì)其他模態(tài)的頻率影響較小，且螺紋螺距越小B21模態(tài)頻率越低，為了電機(jī)工作穩(wěn)定，需要盡量避開(kāi)其他模態(tài)對(duì)工作模態(tài)的影響，即B21模態(tài)頻率離最近的兩個(gè)共振頻率盡量遠(yuǎn)，因此取螺紋螺距為0.3mm，仿真得到B21模態(tài)頻率為44276，44282Hz（兩個(gè)對(duì)稱模態(tài)），其模態(tài)如圖2a所示，離B21模態(tài)頻率最近的兩個(gè)共振頻率為38.2，39.3Hz，頻率間隔在1kHz以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。在44276到44282Hz之間做諧響應(yīng)分析，得到了在定子圓筒內(nèi)表面的行波。

3 直線電機(jī)性能測(cè)試

電機(jī)組裝之后先用Agilent 4294A阻抗分析儀測(cè)得電機(jī)阻抗如圖3a，當(dāng)定子達(dá)到共振狀態(tài)時(shí)，阻抗會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極小值，而在反諧振頻率處阻抗有一個(gè)極大值，在諧振頻率附近相角也會(huì)有較大的變化。測(cè)量時(shí)，將電機(jī)地線接在阻抗分析儀負(fù)極，兩路輸入信號(hào)中的一路（全部的輸入端或者全部的輸入端）接在阻抗分析儀正極，得到阻抗曲線。從測(cè)得的阻抗圖可以看到，定子在38.7kHz出現(xiàn)了共振峰，并且在30kHz到50kHz之間沒(méi)有明顯的干擾峰存在。

由于膠囊內(nèi)窺鏡對(duì)直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)精度要求較高，因此需要測(cè)量驅(qū)動(dòng)頻率和移動(dòng)速度之間的關(guān)系，得到40Vpp電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)頻率-移動(dòng)速度曲線如圖3b。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)了基于壓電超聲電機(jī)的膠囊內(nèi)窺鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)，螺紋型直線電機(jī)省去減速機(jī)構(gòu)和預(yù)壓力機(jī)構(gòu)，比起電磁電機(jī)方案更加合理。設(shè)計(jì)并制備了用于膠囊內(nèi)窺鏡的直線超聲電機(jī)，達(dá)到實(shí)際使用的要求。

【參考文獻(xiàn)】

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