肠道机器人无线能量发射系统优化设计

为了提高肠道机器人无线能量发射系统性能,对能量发射系统进行了理论建模及优化设计.基于UCC3895芯片移相控制的全桥串联谐振电路设计了适用于大尺寸发射线圈、大驱动电流条件的无线能量发射电路,以达到工作稳定及频率和功率可调节的目的;建立了发射线圈交流电阻、自感及寄生电容参数的数值计算模型;使用单股利兹线绕制直径为69cm的单层发射线圈,并根据线圈解析模型,通过线圈匝数的可行域分析确定了发射线圈结构参数.结果表明,在工作频率为218kHz时,所设计的能量发射系统的传输功率最大可达650mW,传输效率为3.60%,能够满足肠道机器人的功率需求,从而提高了系统的适用性.     

微型肠道机器人扩张机构与能量接收线圈的设计与实验

研究并设计了一种新型扩张方式的能在肠道中运动和驻留的微型肠道机器人.该肠道机器人的扩张机构采用阿基米德螺线腿的方式进行扩张,扩张直径可达32 mm,变径比达到2.13.设计减速比为489的减速器,保证较大的输出转矩.对扩张机构的扩张臂进行力学分析,并通过实验测试了扩张机构的扩张力.进而,对能量接收线圈进行建模分析.结果表明:扩张机构扩张力的实验测试值与理论分析的整体趋势基本一致,最小扩张力为1.5 N,满足肠道扩张力的需求;优化线圈磁芯厚度、绕组层数以及绞线规格可以提高无线供能系统性能;当发射线圈驱动电流为1.4 A时,该接收线圈相应的传输功率为812 mW,能量传输效率为8.3%,能满足肠道机器人的功率要求.     

基于电磁感应的消化道内微系统的无线供能

针对人体消化道内微小系统,提出了利用电磁耦合进行无线能量传输的方法.体外发射线圈围绕在腰间,产生交变磁场,体内微小接收线圈产生感应电压,两线圈耦合从而实现能量传输.基于线圈耦合电路模型,推导了弱耦合条件下能量传输效率公式和效率最大化条件.对比分析了两种电路结构,给出了提高能量传输效率的根本途径.实验验证了方案的可行性和能量传输效率公式的正确性.结果表明,200 mW功率能够可靠传输,效率达1.31%.     

基于分布式发射线圈的WPT抗偏移与互操作性研究

无线电能传输系统中接收端与发射端之间相对位置的偏移会在一定程度上影响系统传输效率,笔者从耦合机构的全范围抗偏移性、互操作性2个方面进行研究,提出一种多对一的耦合模式,发射线圈类型为平面分布式发射单元线圈组合,对不同的接收线圈类型、轴向偏移工况和旋转偏移工况的位置模态研究分布式发射线圈的开启模式,实现接收线圈的互操作性和大范围全方向的抗偏移性。为提高分布式发射线圈的自由度,提出分布式串联控制逻辑电路,并对发射线圈串联连接工况下的谐振参数进行设计以减少交叉耦合影响。结合分布式发射线圈的磁场特性和基于LCC-S谐振拓扑的拾取电压检测法,提出接收线圈位置检测的搜索策略。搭建实验装置,综合所有位置的轴向偏移及旋转偏移,平面式接收线圈的最大效率波动为3.3%,垂直式接收线圈的最大效率波动为5.57%,螺线管式接收线圈的最大效率波动为4.45%,实验结果表明,其具有良好的抗偏移特性与互操作性,验证了系统的可行性、高效性。     

基于MAXWELL的瞬变电磁“8”字形发射线圈仿真分析

针对瞬变电磁技术在工程应用中易受干扰、探测结果不准确的问题,本文提出了一种瞬变电磁“8”字形发射线圈方案。采用MAXWELL仿真软件对瞬变电磁“8”字形发射线圈和方形发射线圈进行了仿真分析,通过对比“8”字形发射线圈和方形发射线圈在不同大小电流情况下产生的磁场分布发现,“8”字形发射线圈在远距离位置具有较强的聚焦性,在近距离位置能产生明显大于方形线圈的磁通密度。所以“8”字形发射线圈对增强瞬变电磁超前探测的抗干扰能力和提高探测结果的准确度具有重要作用。     

无线内窥镜中高效电磁感应连接

为了克服无线内窥镜胶囊在消化道内姿态不确定引起的方向性问题,提高无线内窥镜中电磁感应连接的能量传输效率,该文提出对电磁感应连接的磁场进行三维分解,采用三维线圈分别接收,并进行整流合成输出;分析整流合成输入波形的特性,以及输入波形随胶囊与发射之间空间位置关系变化的特点,设计复合整流合成电路.研究表明:该波形合成电路有助于克服方向性的限制,避免通信中的盲点,并且输出效率比单向接收时提高41.4%.     

火灾下钢-混凝土组合楼盖的 声发射监测及分析

为研究火灾下钢-混凝土组合楼盖的损伤机理,利用声发射技术对组合楼盖不同位置处的声发射信号进行监测.通过声发射系统采集的振铃计数、幅值、能量和持续时间等基本参数,结合试验宏观现象,对声发射进行振铃计数分析、RA-AF关联分析和b值-能量分析.研究表明:根据振铃计数信号,可判断构件的裂缝开展密集程度及内力变化,在降温阶段,次梁会对钢筋混凝土板产生剪切裂缝,使结构产生二次破坏;RA-AF关联分析能准确地判断出组合楼盖的失效模式,可根据其失效模式进行相应的内力分析;b值-能量分析可反映出试件破坏时的能量变化及试件的损伤程度,并推断出构件是否达到相应的破坏状态.     

铁氧体隔磁片在电磁感应式无线充电系统中的影响研究

以电磁感应式无线充电系统为研究对象,搭建了由线圈和隔磁片组成的电磁感应测试平台,通过线圈和隔磁片的不同组合模式探究隔磁片对系统的作用.在无隔磁片的模式下,当线圈距离h从1.0 mm增大到9.2 mm时,系统的耦合系数k值由0.77下降到0.30.实验发现在发射端附隔磁片可明显提高系统的k值,因为发射端的隔磁片很好的束缚住了线圈及隔磁片产生的磁力线,使穿过接收线圈的磁力线比例增高.在发射和接收端均附隔磁片的模式下,信号频率f=1 MHz,h=9.2 mm时k值仍有0.42,明显高于无隔磁片模式.在接收端附隔磁片可明显提高η值,这是由于接收端的隔磁片能够在发射端产生的磁场中感应出更多的磁力线,使得接收线圈的磁通量变化率提高.同时由于隔磁片自身损耗的产生,对系统的η值造成一定影响.     

基于混合优化算法的磁聚焦线圈阵列设计与优化

构建8个线圈和20个线圈的圆环面线圈阵列模型实现并改善目标区域的电磁场聚焦特性.利用磁场叠加原理,结合改进的粒子群算法设计了自适应混合优化算法,利用该算法与有限元积分分析软件的外部通信接口,对影响磁场分布的线圈阵列可调参数进行优化求解,建立优化的发射线圈模型.结果显示了设计的混合优化算法的良好搜索能力和线圈阵列在优化电流组态下在计算区域内的归一化幅值分布和二维等高线图,表明了经优化的线圈阵列在目标区域内产生了具有良好磁聚焦性能的磁场分布,磁场变化梯度大,其磁场强度与聚焦程度都有了不同程度的改善,且20个子线圈的线圈模型基本上实现了点聚焦,同时具有可聚焦多个目标的能力.     

肠道机器人无线电能传输装置的研制

无线供能技术的突破促进了医疗、军事、航空航天、便携式通信设备等领域的发展.本文通过运用电磁感应原理,设计了基于ICPT无线供能技术的肠道机器人无线电能传输装置.通过智能感应终端与充电线圈的耦合,自动校准线圈位置,提高了无线电能传输的效率,最终实现了对肠道机器人的高效无线充电.由于可以对肠道机器人进行无线充电,肠道机器人自身携带电池容量可减小到原来的三分之一,肠道机器人体积相应缩小,减小了由于机器人体积过大对肠道造成的损伤,增加了安全性,此充电方法可以保证肠道机器人作业电能需求.本文还证明了运用电磁感应原理无线传能的可行性、列举了此方法在其它领域的典型应用.     

用四面体结构磁偶极子对内窥镜定位探头微型化的研究

介绍使用磁场方式来测定微型内窥镜探头在人体内三维位置及姿态角的一种方法 .根据位于正四面体上的六对极性相反的磁偶极子线圈在其周围空间产生的磁场以及附着于内窥镜探头上的磁场传感器在该磁场空间任意点以任意姿态感应磁场时所获得的信号 ,建立以空间位置 (x ,y ,z) ,姿态角 (α ,β)为未知数的五元非线性方程组 .求解该非线性方程组 ,就可以由磁场传感器所获得的测量数据计算出对应的一组位置和姿态 (x ,y ,z,α ,β) 信息 ,从而实现微型内窥镜探头的三维定位和跟踪     

微型胃肠道机器人钳位机构和无线能量接收线圈的优化

采用阿基米德螺旋线腿式钳位机构,以保证微型胃肠道机器人具有足够大的扩张力以及相对平缓的径向扩张速度;设计了减速比为489的减速器,以保证钳位机构具有较大的输出转矩;通过无线能量接收线圈的优化实验,研究了一维接收线圈几何尺寸对能量接收效率的影响.结果表明,在相同空间,即考虑磁芯和绕线的总外径相等的条件下,磁芯厚度越大,线圈的能量接收效率越高.     

火灾下组合楼盖的次梁布置与声发射损伤分析

目的研究组合楼盖中不同次梁布置方式对声发射损伤程度的影响,确定组合楼盖破坏过程中声发射变化规律与联系,推断组合楼盖的内部损伤程度和极限承载状态.方法对2块钢-混凝土组合楼盖CS1、CS2进行了足尺试验,并对试验参数、声发射布置和试验现象进行了描述.通过声发射特征参数撞击、累计计数、事件率和b值-能量,结合试验现象对组合楼盖不同次梁布置方式的声发射特性进行分析.结果 CS1和CS2板面出现多条45°斜裂缝,并形成经典屈服线模型,CS1和CS2的残余变形程度约为停火时的46%和33%;升温时CS2中的撞击峰值信号和信号活跃性明显小于CS1,CS2对组合楼盖的承载更为有利;火灾试验不同阶段,累计计数呈现出不同的变化趋势,次梁和混凝土板膨胀率不同对声发射信号影响较大;结论声发射撞击信号可反映出组合楼盖的内力变化过程,但不能以撞击数量来判定组合楼盖达到破坏的不利位置与损伤严重程度;不同次梁布置方式对组合楼盖的内部损伤有较大影响,CS1次梁布置方式对组合楼盖的承载性能较为不利;b值与能量变化均具有一定的规律性,能够真实地反映和判断出裂缝开展及混凝土板内部损伤的程度.     

肿瘤热疗交变磁场中场强分布测量装置

为了得到热疗用交变磁场场强的空间分布,设计并研制了基于DSP的磁场测量装置.该装置由3个部分构成:交变磁场传感器、感应电压信号处理采集模块和线圈传感器的三轴运动导轨.交变磁场传感器由面积很小的单匝线圈构成,相对较大的磁场分布空间,通过小线圈的磁场可近似视为均匀.线圈测得的磁场信号经过前端处理转化为数字信号.通过三轴运动导轨控制传感器的位置可以得到空间各点的磁场强度信号.由于DSP F2812具有良好的运动控制功能以及片载A/D较高采样的频率,可用来控制整个系统.根据磁场强度的分布可以确定热疗中升温效果最好的空间.     

永磁球形电动机空芯定子线圈磁场的解析分析

永磁球形电机定子线圈呈空芯圆柱形结构,由多匝导线缠绕在柱状铝芯上,离散分布在定子球壳内壁不同经、纬度线交叉点处.针对采用集中绕制方式的定子线圈的结构特点,基于毕奥-萨伐尔定律,并考虑球形电机定子线圈在定子坐标系中的位置关系对问题分析复杂性的影响,首先推导得到了任意位置单匝线圈在空间任意点处的磁场分布,并与现有文献进行了比较验证.其次将单匝线圈推广到多层多匝线圈,求解得到了任意位置多层多匝定子线圈在空间任意点处的磁场分布解析表达式.最后就定子线圈在不同路径上的磁场分布情况,与有限元法所得结果进行了比较,证明了该解析表达式的有效性.     

微机电系统二维线圈的能量接收性能

基于空间两线圈互感及铁磁芯线圈自感的计算方法,对微机电系统能量接收线圈二维正交绕组的接收性能进行了研究,分析了改变接收线圈位置和夹角以及有铁磁芯和无铁磁芯情况对系统耦合系数的影响.通过仿真和实验对理论分析进行验证,发现:二维正交绕组在不同的姿态下均可以得到较好的互补效果,能够防止传输效率过低;铁磁芯可显著增强系统的耦合性能.根据系统微型化的要求,选用合适的电子元器件,对后续整流电路进行了设计,研制了微型整流电路.利用自行设计的微机电系统进行的实验表明,文中设计的二维无线能量传输系统的效率及稳定性可以满足实际需求.     

透过皮肤的电磁耦合

设计了应用于神经功能恢复微电子植入系统供能模块的电磁耦合模块.通过对印刷电路板(printed circuit broad,PCB)平面螺旋线圈电学参数及其互感耦合的理论分析,确定发射、接收线圈几何参数的取值.首先进行线圈电学参数测试,然后将发射和接收线圈组合成电磁耦合模块,分别在空气和皮肤两种介质条件下进行耦合测试定量实验.实验结果表明:接收电压随发射电压线性变化;发射和接收线圈空间匹配时,相对于空气介质,皮肤介质使接收电压产生更大衰减.发射和接收线圈空间匹配可以增加接收电压;在可实现的发射电压范围内,可以获得所需的接收电压.     

基于磁场方式的内窥镜体内三维定位方法研究

介绍使用磁场方式来测定内窥镜探头在人体内三维位置及姿态角的一种方法 .根据 3个互相正交的圆环线圈在其周围空间产生的三维磁场以及附着于内窥镜探头上的 3个相互正交的磁场传感器在该磁场空间任意点以任意姿态感应磁场时所获得的信号 ,建立以空间位置 (x、y、z) ,姿态角 (a、b、c)为未知数的六元非线性方程组 .求解该非线性方程组 ,就可以由磁场传感器所获得的测量数据计算出对应的一组位置和姿态 (x ,y ,z ,a ,b ,c) 信息 ,从而实现内窥镜探头的三维定位和跟踪 .     

肠道微型仿尺蠖式机器人机载供能线圈优化

采用无线电能传输技术供能的微型仿尺蠖式机器人在肠道疾病微创诊疗方面具有重要的应用价值,其机载供能线圈由圆环形磁芯和缠绕于磁芯上的圆环形绕组构成.本文提出一种机载供能线圈快速设计优化方法.首先,通过对绕组中各匝绕线进行几何建模,测定磁芯磁导率分布,分析金属零件涡流效应对供能线圈参数影响,建立了供能线圈的集成环境模型.然后,结合电磁理论,计算了供能线圈在集成环境中的互感和等效串联电阻.最后,以最大化供能线圈输出功率为目标,在温升安全性要求和机器人内部空间约束下,对绕组的轴向位置、层数、匝数和线径进行优化,获得了各设计参数选取的一般性结论.采用优化设计参数的绕组尺寸仅为?(12.0～12.4) mm×9.9 mm,当其位于磁芯轴向中心位置时,输出功率高达1 478.3 mW.     

经颅磁刺激圆形线圈变形对空间磁场分布的影响

为了降低在经颅磁刺激中对非靶点位置的刺激,使其具有更好的磁聚焦性,设计了一种变形折叠圆线圈。计算了其空间磁场分布,并与传统圆形线圈进行比较。结果表明,变形圆形线圈能有效降低传统圆形线圈一侧的磁场峰值,同时另一侧磁场峰值基本保持不变,在最佳折叠角60°~75°范围内变形圆线圈具有较好的磁聚焦性。