肠道微型机器人非接触方位磁控系统研究*

迟明路，王元利，常 成，钱晓艳，任沁超，王江涛，贾佳文

(1.河南工学院 智能工程学院，河南 新乡 453003；2. 河南工学院 车辆与交通工程学院，河南 新乡 453003；3. 河南工学院 经济学院，河南 新乡 453003；4. 江苏汇博机器人技术股份有限公司，江苏 苏州 215121)

0 引言

由于无创手术时间短、恢复快、无疼痛的特点，近年来该技术已成为医学研究的热点[1]。无线微型胶囊机器人作为一种全新的无创诊疗手段，可通过人体吞服完成全消化道疾病的诊察[2，3]。目前，临床使用的被动微型机器人利用胃肠道自然蠕动力和自身重力移动[4]，无法自主控制，也不能停留于病患特定位置进行长时间而详细的观察，限制了各医疗机构将其作为胃肠道无痛诊治工具的应用[5]。被动机器人系统的主要问题是缺乏主动控制能力，无法根据实际需要进行相应的控制[6-8]。为满足主动可控运动要求，本文研制了一种手持式非接触方位磁控系统，控制微型机器人在肠道中主动前进和后退。使用STC89C52单片机作为主控核心，对步进电机进行转速控制，在旋转过程中外部条形磁铁形成的旋转磁场，对微型机器人产生耦合作用力，再利用磁机耦合作用[9，10]驱动微型机器人在外部磁场作用下行走。

1 肠道微型机器人磁控系统设计

1.1 系统总体结构设计

采用手持式磁场发生器驱动微型机器人，利用3D打印技术打印微型机器人本体，机器人内部置入径向磁化的钕铁硼永磁体作为内驱动器。微型机器人磁控系统使用STC89C52单片机作为主控芯片，采用42型步进电机作为磁场动力源，步进电机的供电电压为24 V，单片机供电电压为5 V。

由联轴器将步进电机轴和外部永磁体连接，外部旋转磁场源由厚度方向充磁的两个长条永磁体构成，在旋转过程中产生旋转磁场，对微型机器人产生耦合作用力，利用磁机耦合作用产生磁力矩使机器人在磁场作用下旋转前进，进而实现微型机器人的驱动控制。步进电机反转即可实现微型机器人的后退运动。手持式非接触方位磁控系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构

1.2 微型机器人结构与驱动原理

微型机器人结构如图2所示，由外部螺旋外壳、内驱动器和前后端盖组成，参考目前已商用的微型胶囊机器人尺寸，本文设计的微型机器人长度为26 mm，直径12 mm。利用3D打印技术对微型机器人外壳进行整体打印制造，采用无毒害的树脂材料打印，具有重量轻、密度低的特点。微型机器人表面为整体式对称外瓦，从侧面观察，由四片花瓣状凸起的螺旋面构成。微型机器人旋转时，附着在螺旋面的螺旋肋与周围流体相互作用而形成流体动压膜，产生沿机器人轴向的推力，驱动机器人沿轴向以稳定速度运动。

图2 微型机器人结构图

2 微型机器人控制系统硬件构成

系统硬件控制系统主要由外部条形永磁铁、单片机控制系统、红外遥控器、步进电机、步进电机驱动控制器和电源构成。图3所示为系统硬件电路设计实物。

2.1 STC89C52单片机

STC89C52单片机主要由微处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时计数器和4组8位的可编程I/O接口组成。本文使用的4个数码管动态显示档位和转速，4个独立按键具有选择档位的功能，可进行正反转控制和档位速度显示。STC89C52单片机的最小系统电路如图4所示。

图3 整体硬件电路设计

图4 STC89C52最小系统

2.2 控制按键与数码管设计

独立式按键通常用于按键数量较少且硬件要求简单的场所。工作原理为：按键通过上拉电阻接至5 V电源，若无按键按下，则处于高电平状态；若有按键按下，则处于低电平状态。本文设计的4个独立按键分别为正反转控制按键、加速控制按键、减速控制按键、停止按键，电路如图5所示。

图5 独立式按键电路

2.3 步进电机选型

微型机器人在运动过程中，与驱动装置的精度和稳定性有直接关系，最关键的就是电机选型。步进电机精度较高，控制方便，构造简单，选用步进电机能够有效简化整体系统结构，减少空间占用。步进电机控制框图如图6所示：单片机接收控制按键信号后，启动步进电机开始旋转，并由数码管显示对应的速度档位。

图6 步进电机控制框图

综上分析，选用型号为YH42BYGH47-401A的两相步进电机，如图7所示，步进电机参数如表1所示。

表1 YH42BYGH47-01A步进电机参数

图7 42型两相步进电机

2.4 红外遥控模块

除了采用按键电路的有线方式控制步进电机之外，还可以使用红外遥控器和红外二极管进行无线控制。红外遥控器面板上的5个按键分别对应步进电机的运动状态。加号表示电机加速，减号表示电机减速；向左按键表示速度挡位的减少，向右按键表示速度挡位的增加；中间的暂停键表示电机的启动和停止。红外遥控器及接收二极管如图8所示。

图8 红外遥控器及接收二极管

2.5 步进电机驱动器

由于STC89C52单片机无法直接驱动42步进电机，因此需要使用步进电机驱动器。我们选择了TB6560步进电机驱动器作为驱动步进电机，如图9所示。TB6560驱动器使用方便、发热量小，最大支持3A电流输出，还可设置静止电流，应用范围广泛。

图9 TB6560步进电机驱动器

基于单片机控制的总体系统电路如图10所示。

图10 总体系统电路图

3 软件设计

3.1 主程序流程图

系统主程序主要包括延迟子程序、数码管显示子程序、按键子程序以及中断子程序。采用主函数调用子程序的方式进行控制，主程序流程图如图11所示。

图11 主程序流程图

3.2 按键程序流程图

为了消除按键按下时的抖动，采用软件消抖法，即：如果在第一次检测到有按键被按下后，启动延时子程序，再一次确认电平是否可以继续保持闭合状态，如果仍保持闭合状态，则可以确定有按键被按下，之后转入按键处理。图12所示为按键扫描子程序流程图。

图12 按键扫描子程序流程图

3.3 电机控制程序流程图

步进电机通过正、反转动对微型机器人进行正反转控制。上电后，首先判断电机是否正常工作，然后根据电机正反转输入指令状态进行相应程序处理，每次运行结束后均进行清零。图13所示为步进电机程序设计流程图。

图13 步进电机程序设计流程图

4 试验

为了验证系统的功能与有效性，根据总体设计方案，研制了微型机器人样机、手持式非接触方位磁控系统，并在透明有机玻璃管中进行了试验，试验时管内充满运动粘度为500 cst的医用二甲基硅油。图14(a)和图14(b)所示分别为采用按键和红外遥控控制方式驱动的微型机器人前后运动截图。

(a)按键控制

首先测量手持式非接触方位磁控系统步进电机转轴与管内微型机器人的最远距离以及最佳距离。然后再将微型机器人内部钕铁硼永磁体替换成普通磁铁，测量步进电机转轴与微型机器人最远距离以及最佳距离。图15所示为正在测量步进电机转轴与管内微型机器人的最远距离和最佳驱动距离。

图15 手持式非接触方位磁控系统试验装置

当微型机器人内驱动器为钕铁硼强磁性材料时，改变档位进行多次测量，测量结果如表2所示。可见，随着微型机器人与步进电机转轴之间距离的增加，二者之间最佳控制距离也在不断增加。当最远距离增加至20 cm时，对应最佳距离为8—10 cm。若继续增加距离，将无法有效控制微型机器人。

表2 步进电机转轴与微型机器人之间距离测量

如表3所示，再将微型机器人内部永磁体换成普通铁磁性材料进行测量，对比表2可见，微型机器人与步进电机转轴之间的最远距离和最佳距离均呈现减小的情况。因此，当微型机器人内部为普通铁磁性材料时，手持式非接触方位磁控系统的控制距离出现明显的减小趋势，说明微型机器人控制距离与内部永磁铁材料密切相关。

表3 步进电机转轴与微型机器人之间距离测量

5 结论

本文研制了一种手持式非接触方位磁控系统，由内置钕铁硼径向磁化永磁体的微型机器人、外部条形永磁铁、单片机控制系统、红外遥控器、红外接收二级管、步进电机、步进电机驱动器、电源等部分构成。通过对微型机器人系统控制和最远、最佳控制距离的研究表明，当微型机器人内部驱动器为钕铁硼强磁性材料时，随着微型机器人与步进电机转轴之间距离的增加，外磁场对微型机器人的转速控制能力逐渐减弱，最远有效控制距离为20 cm，对应的最佳距离范围为8—10 cm；将微型机器人内部永磁体更换成普通铁磁性材料后的测量结果与上述情况相同，所不同的是，钕铁硼强磁性材料比普通铁磁性材料的磁力和磁力矩更大，作用距离更远，进一步说明微型机器人控制距离与内部永磁铁材料密切相关。