刘伟 任思璟 贾红丹 刘拯廷 徐晓鹏 韩颜光 董宏达

摘 要：设计在胃肠道胶囊机器人的内部嵌入一个永磁性体，通过麦克斯韦对和亥姆霍兹线圈的组合线圈产生的磁场为机器人提供动力，通过调整加载电流的大小获得合适的驱动磁场。在磁转矩和磁力的作用下，机器人可以获得更好的控制。实现了对机器人的前进和方向上的控制，减少了病人的痛苦，对提高手术的安全性有着重要意义。

关键词：外磁场;胶囊内窥镜;组合线圈

1 绪论

根据世界卫生组织提供的数据，消化系统疾病已经成为了世界各国人民健康的重大威胁。

在临床上，消化道里的息肉或肿瘤如及早的发现，及时的采取治疗，就能取得很好的治疗效果。但是胃肠道里的环境非常复杂，其中小肠可达7米左右，传统的内窥镜检查的时间长，操作较为复杂，使用拖缆会给患者带来疼痛和不适，还会对肠道造成损伤引发并发症。甚至带来出血和穿孔的危险。

针对传统的内窥镜诊查方式存在的不足，对能够克服这些弊端的胃肠道机器人的研究有着十分重要的意义。胃肠道机器人对肠道的检测不仅具备传统内窥镜的优点同时也能够弥补缺点，是目前医学研究的热点之一。由于胃肠道机器人的主动运行能力，相比于传统的内窥镜有更大的能量需求，为了解决胃肠道机器人的能量供应问题，采用了复合梯度场来驱动微型机器人的方法，改进了胃肠道机器人的控制方式，通过实验验证了胃肠道机器人的合理性和有效性。

2 胃肠道机器人的外磁场驱动方案设计

在机器人的体内嵌入一个永磁性体，通过外磁场的磁力作用实现对机器人的驱动。根据磁力公式：

F=VM[ggii+ggii+ggii]T（1）

可以看出受力的大小只与外磁场有关，因此要想让机器人正确的驱动就需要一个合适的外磁场分布。通常外加磁场中，磁场强度和梯度会随着距离的改变发生巨大的变化。根据作用力公式：

F= m1m24πus3（2）

当磁距发生微小变化时，磁力会发生突变，使定位、安全性不稳定。

为了防止这种情况的发生，需要在空间中构造出均匀合适的复合梯度场，保证梯度值随位置的改变最终达到一种平稳的状态，同时还需要加上磁转矩来进行辅助调整。为了构造这种均匀的梯度场，采用了麦克斯韦对亥姆霍兹线圈组成的线圈组。其中麦克斯韦对是一种简单的梯度线圈，能够形成均匀的梯度。亥姆霍兹线圈是一种简单的匀场线圈，它能够形成一种均匀的轴向磁场。如图1：

场强和梯度可控主要表现在大小和方向可控，在只考虑外部驱动时，线圈作用的范围是无源区，根据Maxwell方程可得：

▽.B=0   ▽ X B=0（3）

gxx+gyy+gzz=0 gab=gba   （4）

顯然无论怎样组合线圈，磁场的梯度和分量都有着较大的线性关系，要想获得不同方向的磁力，只靠改变线圈的排列角度是很难实现的。因此把线圈组和病床的一定运动相结合，二者共同对加载电流进行调整就可以获得合适的磁场，机器人的驱动就可以得到很好的控制。

3 胃肠道本体机器人的设计

本体机器人的主要功能是获取胃肠道内部图像信息，它包含了三个模块，分别是照明模块、图像采集模块、图像发射模块。这三个模块通过集成构成了无线传输系统。

图像采集模块是由图像采集传感器和光照系统集成的一种微摄像头，由于是在胃肠道内工作，所以对元器件的使用非常严格，要求尺寸非常小功耗低稳定性高，通过比较最终选择CMOS图像传感器。这种传感器功耗低、稳定性高非常适用在微型电池的场合。而光照系统功能则是将采集到的图像通过它传送到CMOS传感器的表面，起着成像的作用。

图像传发射块里的传输的距离很短，在短距离无线传输的方式中采用射频RF较为合适。射频传输可以分为两种，分别是模拟RF和数字RF。模拟RF没有数据率的要求，同时更适合计算机处理，所以本文采用的是模拟RF。本体机器人的设计如图2：

4 结论

通过综上分析，可以发现这种构造出复合梯度场来驱动微型机器人的方法是可行的。这种均匀的梯度场可以使系统能够抵抗较大的扰动，提高了稳定性和安全性，可以有效的满足机器人的前进、停滞、旋转等动作要求，从而能够使机器人在特定的位置进行工作，满足检测需求。将来可以在此基础上实现机器人的药物送服、医疗诊治等工作，有着很好的应用前景。

参考文献：

[1]陈雯雯，颜国正，王志武，等.肠道内窥镜活检机器人系统[J].上海交通大学报，2014，48（5）：674-678.

[2]卞德建，杜奕奇，李兆申.小肠镜在小肠疾病治疗领域中的应用[J].中华消化内杂志，2013，30（012）：718-720.

[3]刘志远.医用机器人的未来之路-医用机器人产业发展与未来战略论坛纪实理策略[J].科技导报，2015，23.43-45.

[4]王坤东.微型机器人在临床医学上的应用研究[J].世界科学，2014，3.45-46.

基金项目：黑龙江省大学生创新项目（20181021901）：微型胃肠道疾病诊疗机器人系统研究