非接觸動力傳輸系統的研制

文/鄧宇，吉林建筑大學

1 研究方向的引入

微創手術是指微入路手術，也叫微小創傷的手術。是現代的科技在醫學上的重要應用，微創手術代替了多數傳統手術，其主導思想是在接近需要手術操作的病患位置附近開較小的創口，利用腹腔鏡、胸腔鏡、關節鏡等現代的醫療器械以及相關的手術設備進行手術。微創手術與傳統的開腹手術比較主要的優點包括創傷小，疼痛輕，恢復快，住院時間短以及手術中的出血比較少，基本不留疤痕。同時微創手術由于損傷小以及疼痛比較輕，大大減少了對腹腔臟器以及胸腔臟器的干擾。可是微創手術也有不可避免的缺陷，那就是皮膚表面雖然創口較小，可是各種手術器械的導管從多方向插入人體所造成的損傷和疼痛也是患者術后難以忍受的，更完善的解決方法應該是采用微型機器人沿著人體內的管路游走到病患出進行醫學處理后再走出來。本文提出一個非接觸動力傳輸方案可以解決這個難題。那就是去掉笨重的銅線磁鐵所制成的電動動力系統以及儲備電能的鋰電池部件，采用結構簡單微小的磁力接收裝置作為動力核心，而能量的來源來自外部的主動機械形成的可控旋轉磁場。

2 動力裝置的設計和制作

下面就描述一下這個動力裝置的設計思路和實現方法。大家在實驗室可以看到這樣一種裝置那就是磁力攪拌器，是一種利用磁力對液體進行攪拌使其均勻的儀器。其對于液體具有兩個作用，一個是攪拌作用，底座產生的旋轉磁場帶動燒杯內的攪拌子做以循環的圓周運動使得液體混合均勻，另一個是底座具有加熱功能，高溫更有利于液體的混合均勻。這種將底座內的旋轉磁場的能量非接觸的傳輸給燒杯內部攪拌子的傳動形式，就是我們動力裝置設計思路的來源。由于微型機器人的工作環境是人體內部，到處充滿著液體，因此它的動作行為應該更接近潛水艇，所以輪子和步行腿的設計是非必要的，這樣動力裝置的形體基本確定出來：沿機器人前進方向上設置前后各一個允許液體出入的動力導管，導管的中間嵌入的是一個環形或盤形導流泵體，泵體的靠近中心處有多孔通道與液體入口導管聯通，泵體的外側有另一多孔通道與液體出口導管聯通，當環形泵體內的球形攪拌子接受到外部旋轉磁場的作用力旋轉時，帶動液體旋轉形成離心旋轉，使液體從導管出口噴射出來，機器人就可以得到推力向前運動。另外此泵的工作方式為無槳葉形式，因此不會對液體內的組織細胞比如血細胞形成傷害。

下面開始搜集合適的材料針對這個理論模型進行制作和調試。首先選擇密度接近水的塑料管和塑料盤，有利于將來整個裝置的比重接近水，像魚一樣處于液體懸浮狀態，然后選擇大小合適的鋼珠裝在盤內，從盤的底部中心用最細的鉆頭密集鉆出圓形分布的小孔形成泵體入口，將一段長度略大于圓盤的扁平塑料方管一端封閉，側面開一個圓形通道與圓盤入水口相對接，使用膠水將二者粘接固定，完成入口導管的制作，此方向為前端，再從圓盤的后端側面采用極細的鉆頭密集排除出水通道一個，并和一段厚度接近的方形塑料導管對接，作為泵體的出水導管。然后開始制作產生旋轉磁場的主動機：選擇與泵體大小相仿的圓盤與電動機的動力輸出軸固定在一起，在圓盤的上面沿著同一圓周的方向粘接兩塊永磁體，在電動機的外殼上套裝一套塑料把手便于手持移動，用導線將電動機與電源和控制開關連接到一起。把包括離心泵體的從動機械部分放到面積較大的液槽里，手持主動機械部分，打開電源開關，調整輸出電壓大小，即可進行動力裝置的調試。當主動機轉盤接近從動機時，從動機開始工作，從導管入口吸入液體并向后排出，形成推力前進。成功的實驗證明，這套理論是可行的，需要進一步完善的方面還有很多。

3 結合應用對機械結構合理改進

首先解決如何“倒車”的問題。在結構上需要進行如下更改：①取消進水導管，進水方式改為直接從泵體上下表面的中心的進水篩孔進入。②在盤形泵體的前后側面均設置出水導管。③在盤形泵體內部前后各設置一個出水口，同時用膠皮為每個出水通道制作出一個折頁式蓋閥命名為A和B。④用雙刀雙擲開關為電源制作一個換向器，可以改變旋轉磁場的方向。通電運行時，主動機的旋轉方向決定從動機的旋轉方向，當泵內液體順時針旋轉流動時，A蓋閥關閉，B蓋閥打開，液體只能從B導管噴出，裝置前進；當泵內液體逆時針旋轉時正好相反，液體從A導管噴出，裝置倒退。

這個能進能退的微型機器魚的動力核心已經試制成功，下面討論如何控制轉向的問題，和所有船只一樣，應該有個受控的尾舵，這個尾舵的制作和控制應該不難，難的是接受無線指令和指揮操作的芯片還沒有得到電力的支持。由于動力部分已經解決，所以剩余電控部分耗電很少，可以借鑒無線充電的形式，將少許線圈以8字形纏繞在塑料泵體上，當外部主動機轉動時，旋轉磁場會在線圈內產生感應電壓，為電路板提供電能。現在只要再給裝置加上無線攝像頭和可控魚嘴，即可實現簡單的治療過程。

4 總結新型動力裝置優缺點

非接觸磁動力傳動與傳統機械傳動、液力傳動、電力傳動的區別在于傳遞動力的介質不同，從有形的機械電氣連接改變為無形的磁場連接。正是因為磁力傳動是靠磁力線將原動機與從動機關聯起來，形成內外兩個獨立工作空間。工作機械的動力結構更簡單，更微小，易于制造和裝配，無需自帶電源，動力的維持可以接近無限長，徹底解決了傳統動力裝置的笨重、密封與泄漏以及維護問題。