腸道微型機器人非接觸方位磁控系統研究*

遲明路，王元利，常 成，錢曉艷，任沁超，王江濤，賈佳文

(1.河南工學院 智能工程學院，河南 新鄉 453003；2. 河南工學院 車輛與交通工程學院，河南 新鄉 453003；3. 河南工學院 經濟學院，河南 新鄉 453003；4. 江蘇匯博機器人技術股份有限公司，江蘇 蘇州 215121)

0 引言

由于無創手術時間短、恢復快、無疼痛的特點，近年來該技術已成為醫學研究的熱點[1]。無線微型膠囊機器人作為一種全新的無創診療手段，可通過人體吞服完成全消化道疾病的診察[2，3]。目前，臨床使用的被動微型機器人利用胃腸道自然蠕動力和自身重力移動[4]，無法自主控制，也不能停留于病患特定位置進行長時間而詳細的觀察，限制了各醫療機構將其作為胃腸道無痛診治工具的應用[5]。被動機器人系統的主要問題是缺乏主動控制能力，無法根據實際需要進行相應的控制[6-8]。為滿足主動可控運動要求，本文研制了一種手持式非接觸方位磁控系統，控制微型機器人在腸道中主動前進和后退。使用STC89C52單片機作為主控核心，對步進電機進行轉速控制，在旋轉過程中外部條形磁鐵形成的旋轉磁場，對微型機器人產生耦合作用力，再利用磁機耦合作用[9，10]驅動微型機器人在外部磁場作用下行走。

1 腸道微型機器人磁控系統設計

1.1 系統總體結構設計

采用手持式磁場發生器驅動微型機器人，利用3D打印技術打印微型機器人本體，機器人內部置入徑向磁化的釹鐵硼永磁體作為內驅動器。微型機器人磁控系統使用STC89C52單片機作為主控芯片，采用42型步進電機作為磁場動力源，步進電機的供電電壓為24 V，單片機供電電壓為5 V。

由聯軸器將步進電機軸和外部永磁體連接，外部旋轉磁場源由厚度方向充磁的兩個長條永磁體構成，在旋轉過程中產生旋轉磁場，對微型機器人產生耦合作用力，利用磁機耦合作用產生磁力矩使機器人在磁場作用下旋轉前進，進而實現微型機器人的驅動控制。步進電機反轉即可實現微型機器人的后退運動。手持式非接觸方位磁控系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構

1.2 微型機器人結構與驅動原理

微型機器人結構如圖2所示，由外部螺旋外殼、內驅動器和前后端蓋組成，參考目前已商用的微型膠囊機器人尺寸，本文設計的微型機器人長度為26 mm，直徑12 mm。利用3D打印技術對微型機器人外殼進行整體打印制造，采用無毒害的樹脂材料打印，具有重量輕、密度低的特點。微型機器人表面為整體式對稱外瓦，從側面觀察，由四片花瓣狀凸起的螺旋面構成。微型機器人旋轉時，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壓膜，產生沿機器人軸向的推力，驅動機器人沿軸向以穩定速度運動。

圖2 微型機器人結構圖

2 微型機器人控制系統硬件構成

系統硬件控制系統主要由外部條形永磁鐵、單片機控制系統、紅外遙控器、步進電機、步進電機驅動控制器和電源構成。圖3所示為系統硬件電路設計實物。

2.1 STC89C52單片機

STC89C52單片機主要由微處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統、定時計數器和4組8位的可編程I/O接口組成。本文使用的4個數碼管動態顯示檔位和轉速，4個獨立按鍵具有選擇檔位的功能，可進行正反轉控制和檔位速度顯示。STC89C52單片機的最小系統電路如圖4所示。

圖3 整體硬件電路設計

圖4 STC89C52最小系統

2.2 控制按鍵與數碼管設計

獨立式按鍵通常用于按鍵數量較少且硬件要求簡單的場所。工作原理為：按鍵通過上拉電阻接至5 V電源，若無按鍵按下，則處于高電平狀態；若有按鍵按下，則處于低電平狀態。本文設計的4個獨立按鍵分別為正反轉控制按鍵、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 獨立式按鍵電路

2.3 步進電機選型

微型機器人在運動過程中，與驅動裝置的精度和穩定性有直接關系，最關鍵的就是電機選型。步進電機精度較高，控制方便，構造簡單，選用步進電機能夠有效簡化整體系統結構，減少空間占用。步進電機控制框圖如圖6所示：單片機接收控制按鍵信號后，啟動步進電機開始旋轉，并由數碼管顯示對應的速度檔位。

圖6 步進電機控制框圖

綜上分析，選用型號為YH42BYGH47-401A的兩相步進電機，如圖7所示，步進電機參數如表1所示。

表1 YH42BYGH47-01A步進電機參數

圖7 42型兩相步進電機

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電機之外，還可以使用紅外遙控器和紅外二極管進行無線控制。紅外遙控器面板上的5個按鍵分別對應步進電機的運動狀態。加號表示電機加速，減號表示電機減速；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的啟動和停止。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 步進電機驅動器

由于STC89C52單片機無法直接驅動42步進電機，因此需要使用步進電機驅動器。我們選擇了TB6560步進電機驅動器作為驅動步進電機，如圖9所示。TB6560驅動器使用方便、發熱量小，最大支持3A電流輸出，還可設置靜止電流，應用范圍廣泛。

圖9 TB6560步進電機驅動器

基于單片機控制的總體系統電路如圖10所示。

圖10 總體系統電路圖

3 軟件設計

3.1 主程序流程圖

系統主程序主要包括延遲子程序、數碼管顯示子程序、按鍵子程序以及中斷子程序。采用主函數調用子程序的方式進行控制，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的抖動，采用軟件消抖法，即：如果在第一次檢測到有按鍵被按下后，啟動延時子程序，再一次確認電平是否可以繼續保持閉合狀態，如果仍保持閉合狀態，則可以確定有按鍵被按下，之后轉入按鍵處理。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 電機控制程序流程圖

步進電機通過正、反轉動對微型機器人進行正反轉控制。上電后，首先判斷電機是否正常工作，然后根據電機正反轉輸入指令狀態進行相應程序處理，每次運行結束后均進行清零。圖13所示為步進電機程序設計流程圖。

圖13 步進電機程序設計流程圖

4 試驗

為了驗證系統的功能與有效性，根據總體設計方案，研制了微型機器人樣機、手持式非接觸方位磁控系統，并在透明有機玻璃管中進行了試驗，試驗時管內充滿運動粘度為500 cst的醫用二甲基硅油。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動的微型機器人前后運動截圖。

(a)按鍵控制

首先測量手持式非接觸方位磁控系統步進電機轉軸與管內微型機器人的最遠距離以及最佳距離。然后再將微型機器人內部釹鐵硼永磁體替換成普通磁鐵，測量步進電機轉軸與微型機器人最遠距離以及最佳距離。圖15所示為正在測量步進電機轉軸與管內微型機器人的最遠距離和最佳驅動距離。

圖15 手持式非接觸方位磁控系統試驗裝置

當微型機器人內驅動器為釹鐵硼強磁性材料時，改變檔位進行多次測量，測量結果如表2所示。可見，隨著微型機器人與步進電機轉軸之間距離的增加，二者之間最佳控制距離也在不斷增加。當最遠距離增加至20 cm時，對應最佳距離為8—10 cm。若繼續增加距離，將無法有效控制微型機器人。

表2 步進電機轉軸與微型機器人之間距離測量

如表3所示，再將微型機器人內部永磁體換成普通鐵磁性材料進行測量，對比表2可見，微型機器人與步進電機轉軸之間的最遠距離和最佳距離均呈現減小的情況。因此，當微型機器人內部為普通鐵磁性材料時，手持式非接觸方位磁控系統的控制距離出現明顯的減小趨勢，說明微型機器人控制距離與內部永磁鐵材料密切相關。

表3 步進電機轉軸與微型機器人之間距離測量

5 結論

本文研制了一種手持式非接觸方位磁控系統，由內置釹鐵硼徑向磁化永磁體的微型機器人、外部條形永磁鐵、單片機控制系統、紅外遙控器、紅外接收二級管、步進電機、步進電機驅動器、電源等部分構成。通過對微型機器人系統控制和最遠、最佳控制距離的研究表明，當微型機器人內部驅動器為釹鐵硼強磁性材料時，隨著微型機器人與步進電機轉軸之間距離的增加，外磁場對微型機器人的轉速控制能力逐漸減弱，最遠有效控制距離為20 cm，對應的最佳距離范圍為8—10 cm；將微型機器人內部永磁體更換成普通鐵磁性材料后的測量結果與上述情況相同，所不同的是，釹鐵硼強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，進一步說明微型機器人控制距離與內部永磁鐵材料密切相關。