腸道微型機(jī)器人非接觸方位磁控系統(tǒng)研究*

遲明路，王元利，常 成，錢(qián)曉艷，任沁超，王江濤，賈佳文

(1.河南工學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3. 河南工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；4. 江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215121)

0 引言

由于無(wú)創(chuàng)手術(shù)時(shí)間短、恢復(fù)快、無(wú)疼痛的特點(diǎn)，近年來(lái)該技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。無(wú)線微型膠囊機(jī)器人作為一種全新的無(wú)創(chuàng)診療手段，可通過(guò)人體吞服完成全消化道疾病的診察[2，3]。目前，臨床使用的被動(dòng)微型機(jī)器人利用胃腸道自然蠕動(dòng)力和自身重力移動(dòng)[4]，無(wú)法自主控制，也不能停留于病患特定位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間而詳細(xì)的觀察，限制了各醫(yī)療機(jī)構(gòu)將其作為胃腸道無(wú)痛診治工具的應(yīng)用[5]。被動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的主要問(wèn)題是缺乏主動(dòng)控制能力，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的控制[6-8]。為滿足主動(dòng)可控運(yùn)動(dòng)要求，本文研制了一種手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)，控制微型機(jī)器人在腸道中主動(dòng)前進(jìn)和后退。使用STC89C52單片機(jī)作為主控核心，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中外部條形磁鐵形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，對(duì)微型機(jī)器人產(chǎn)生耦合作用力，再利用磁機(jī)耦合作用[9，10]驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人在外部磁場(chǎng)作用下行走。

1 腸道微型機(jī)器人磁控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用手持式磁場(chǎng)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人，利用3D打印技術(shù)打印微型機(jī)器人本體，機(jī)器人內(nèi)部置入徑向磁化的釹鐵硼永磁體作為內(nèi)驅(qū)動(dòng)器。微型機(jī)器人磁控系統(tǒng)使用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，采用42型步進(jìn)電機(jī)作為磁場(chǎng)動(dòng)力源，步進(jìn)電機(jī)的供電電壓為24 V，單片機(jī)供電電壓為5 V。

由聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)軸和外部永磁體連接，外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)源由厚度方向充磁的兩個(gè)長(zhǎng)條永磁體構(gòu)成，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，對(duì)微型機(jī)器人產(chǎn)生耦合作用力，利用磁機(jī)耦合作用產(chǎn)生磁力矩使機(jī)器人在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的后退運(yùn)動(dòng)。手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)原理

微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示，由外部螺旋外殼、內(nèi)驅(qū)動(dòng)器和前后端蓋組成，參考目前已商用的微型膠囊機(jī)器人尺寸，本文設(shè)計(jì)的微型機(jī)器人長(zhǎng)度為26 mm，直徑12 mm。利用3D打印技術(shù)對(duì)微型機(jī)器人外殼進(jìn)行整體打印制造，采用無(wú)毒害的樹(shù)脂材料打印，具有重量輕、密度低的特點(diǎn)。微型機(jī)器人表面為整體式對(duì)稱外瓦，從側(cè)面觀察，由四片花瓣?duì)钔蛊鸬穆菪鏄?gòu)成。微型機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)，附著在螺旋面的螺旋肋與周圍流體相互作用而形成流體動(dòng)壓膜，產(chǎn)生沿機(jī)器人軸向的推力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿軸向以穩(wěn)定速度運(yùn)動(dòng)。

圖2 微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 微型機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)主要由外部條形永磁鐵、單片機(jī)控制系統(tǒng)、紅外遙控器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器和電源構(gòu)成。圖3所示為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)物。

2.1 STC89C52單片機(jī)

STC89C52單片機(jī)主要由微處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)、定時(shí)計(jì)數(shù)器和4組8位的可編程I/O接口組成。本文使用的4個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示檔位和轉(zhuǎn)速，4個(gè)獨(dú)立按鍵具有選擇檔位的功能，可進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制和檔位速度顯示。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖3 整體硬件電路設(shè)計(jì)

圖4 STC89C52最小系統(tǒng)

2.2 控制按鍵與數(shù)碼管設(shè)計(jì)

獨(dú)立式按鍵通常用于按鍵數(shù)量較少且硬件要求簡(jiǎn)單的場(chǎng)所。工作原理為：按鍵通過(guò)上拉電阻接至5 V電源，若無(wú)按鍵按下，則處于高電平狀態(tài)；若有按鍵按下，則處于低電平狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的4個(gè)獨(dú)立按鍵分別為正反轉(zhuǎn)控制按鍵、加速控制按鍵、減速控制按鍵、停止按鍵，電路如圖5所示。

圖5 獨(dú)立式按鍵電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)選型

微型機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與驅(qū)動(dòng)裝置的精度和穩(wěn)定性有直接關(guān)系，最關(guān)鍵的就是電機(jī)選型。步進(jìn)電機(jī)精度較高，控制方便，構(gòu)造簡(jiǎn)單，選用步進(jìn)電機(jī)能夠有效簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少空間占用。步進(jìn)電機(jī)控制框圖如圖6所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收控制按鍵信號(hào)后，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，并由數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的速度檔位。

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制框圖

綜上分析，選用型號(hào)為YH42BYGH47-401A的兩相步進(jìn)電機(jī)，如圖7所示，步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 YH42BYGH47-01A步進(jìn)電機(jī)參數(shù)

圖7 42型兩相步進(jìn)電機(jī)

2.4 紅外遙控模塊

除了采用按鍵電路的有線方式控制步進(jìn)電機(jī)之外，還可以使用紅外遙控器和紅外二極管進(jìn)行無(wú)線控制。紅外遙控器面板上的5個(gè)按鍵分別對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。加號(hào)表示電機(jī)加速，減號(hào)表示電機(jī)減速；向左按鍵表示速度擋位的減少，向右按鍵表示速度擋位的增加；中間的暫停鍵表示電機(jī)的啟動(dòng)和停止。紅外遙控器及接收二極管如圖8所示。

圖8 紅外遙控器及接收二極管

2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

由于STC89C52單片機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)42步進(jìn)電機(jī)，因此需要使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。我們選擇了TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，如圖9所示。TB6560驅(qū)動(dòng)器使用方便、發(fā)熱量小，最大支持3A電流輸出，還可設(shè)置靜止電流，應(yīng)用范圍廣泛。

圖9 TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

基于單片機(jī)控制的總體系統(tǒng)電路如圖10所示。

圖10 總體系統(tǒng)電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序主要包括延遲子程序、數(shù)碼管顯示子程序、按鍵子程序以及中斷子程序。采用主函數(shù)調(diào)用子程序的方式進(jìn)行控制，主程序流程圖如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

3.2 按鍵程序流程圖

為了消除按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)，采用軟件消抖法，即：如果在第一次檢測(cè)到有按鍵被按下后，啟動(dòng)延時(shí)子程序，再一次確認(rèn)電平是否可以繼續(xù)保持閉合狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)，則可以確定有按鍵被按下，之后轉(zhuǎn)入按鍵處理。圖12所示為按鍵掃描子程序流程圖。

圖12 按鍵掃描子程序流程圖

3.3 電機(jī)控制程序流程圖

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)正、反轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)微型機(jī)器人進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。上電后，首先判斷電機(jī)是否正常工作，然后根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸入指令狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)程序處理，每次運(yùn)行結(jié)束后均進(jìn)行清零。圖13所示為步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖13 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

4 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能與有效性，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，研制了微型機(jī)器人樣機(jī)、手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)，并在透明有機(jī)玻璃管中進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)管內(nèi)充滿運(yùn)動(dòng)粘度為500 cst的醫(yī)用二甲基硅油。圖14(a)和圖14(b)所示分別為采用按鍵和紅外遙控控制方式驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)截圖。

(a)按鍵控制

首先測(cè)量手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與管內(nèi)微型機(jī)器人的最遠(yuǎn)距離以及最佳距離。然后再將微型機(jī)器人內(nèi)部釹鐵硼永磁體替換成普通磁鐵，測(cè)量步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與微型機(jī)器人最遠(yuǎn)距離以及最佳距離。圖15所示為正在測(cè)量步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與管內(nèi)微型機(jī)器人的最遠(yuǎn)距離和最佳驅(qū)動(dòng)距離。

圖15 手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

當(dāng)微型機(jī)器人內(nèi)驅(qū)動(dòng)器為釹鐵硼強(qiáng)磁性材料時(shí)，改變檔位進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。可見(jiàn)，隨著微型機(jī)器人與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間距離的增加，二者之間最佳控制距離也在不斷增加。當(dāng)最遠(yuǎn)距離增加至20 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)最佳距離為8—10 cm。若繼續(xù)增加距離，將無(wú)法有效控制微型機(jī)器人。

表2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與微型機(jī)器人之間距離測(cè)量

如表3所示，再將微型機(jī)器人內(nèi)部永磁體換成普通鐵磁性材料進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比表2可見(jiàn)，微型機(jī)器人與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的最遠(yuǎn)距離和最佳距離均呈現(xiàn)減小的情況。因此，當(dāng)微型機(jī)器人內(nèi)部為普通鐵磁性材料時(shí)，手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)的控制距離出現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)，說(shuō)明微型機(jī)器人控制距離與內(nèi)部永磁鐵材料密切相關(guān)。

表3 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與微型機(jī)器人之間距離測(cè)量

5 結(jié)論

本文研制了一種手持式非接觸方位磁控系統(tǒng)，由內(nèi)置釹鐵硼徑向磁化永磁體的微型機(jī)器人、外部條形永磁鐵、單片機(jī)控制系統(tǒng)、紅外遙控器、紅外接收二級(jí)管、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源等部分構(gòu)成。通過(guò)對(duì)微型機(jī)器人系統(tǒng)控制和最遠(yuǎn)、最佳控制距離的研究表明，當(dāng)微型機(jī)器人內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器為釹鐵硼強(qiáng)磁性材料時(shí)，隨著微型機(jī)器人與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間距離的增加，外磁場(chǎng)對(duì)微型機(jī)器人的轉(zhuǎn)速控制能力逐漸減弱，最遠(yuǎn)有效控制距離為20 cm，對(duì)應(yīng)的最佳距離范圍為8—10 cm；將微型機(jī)器人內(nèi)部永磁體更換成普通鐵磁性材料后的測(cè)量結(jié)果與上述情況相同，所不同的是，釹鐵硼強(qiáng)磁性材料比普通鐵磁性材料的磁力和磁力矩更大，作用距離更遠(yuǎn)，進(jìn)一步說(shuō)明微型機(jī)器人控制距離與內(nèi)部永磁鐵材料密切相關(guān)。