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CN110380521B - 用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统 - Google Patents

用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统 Download PDF

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姜萍萍
王志武
汪炜
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Abstract

一种用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统，包括：同轴设置的亥姆霍兹负载线圈和接收线圈以及用于无线供能的发射线圈，其中：接收线圈内部设有磁芯，亥姆霍兹负载线圈设置于接收线圈外，发射线圈设置于亥姆霍兹负载线圈和接收线圈的外部并与其构成三线圈无线供能系统。本发明通过在空心圆柱磁芯上绕制亥姆霍兹负载线圈和接收线圈，并与发射线圈组成三线圈系统，实现胃肠道机器人的高效供能，能量传输效率经测试可达7％左右；空心的圆柱体放置在胃肠道机器人的外侧，有效利用机器人的空间，减小机器人的尺寸。

Description

用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统
技术领域
本发明涉及的是一种电磁波供电系统领域的技术，具体是一种用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统。
背景技术
随着社会的发展、环境的变迁、人们生活方式的变化，消化系统的发病率在逐年提高，国人肠道健康不容乐观。目前，胃肠道疾病的常规检查方式是内窥镜检查，而内窥镜检查存在漏检、过程过于痛苦，可能引起严重并发症等问题。替代传统内窥镜的胶囊内窥镜可以随着肠道运动遍历整个消化道，但是不能在肠道内驻留，且胶囊内窥镜通常采用微型电池供电，由于电池电量的限制，胶囊内窥镜工作时间短，图像传输质量低，不能搭载过多功能元器件。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统，通过设置于亥姆霍兹负载线圈在接收线圈上，和发射线圈组成三线圈系统，实现了胃肠道机器人的高效供能，提高空间利用率的同时，减少发射装置的功率的同时为胃肠道机器人提供充足的能量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：同轴设置的亥姆霍兹负载线圈和接收线圈以及用于无线供能的发射线圈，其中：接收线圈内部设有磁芯，亥姆霍兹负载线圈设置于接收线圈外，发射线圈设置于亥姆霍兹负载线圈和接收线圈的外部并与其构成三线圈无线供能系统。
所述的磁芯、亥姆霍兹负载线圈和接收线圈整体套置于胃肠道机器人外部。
所述的亥姆霍兹负载线圈，通过以下方式绕制得到：先将单股漆包线固定在接收线圈上的一端，绕制所需匝数的一半并经固定后沿磁芯轴向方向引出亥姆霍兹负载线圈半径的距离，经固定后继续绕制余下匝数后得到。
所述的三线圈无线供能系统中进一步设有能量接收管理电路，包括：用以使亥姆霍兹负载线圈和接收线圈在特定频率下谐振的LC谐振电路、用以将感应电流转化成有效直流电流的整流滤波电路和稳压模块，其中：LC谐振电路与线圈串联。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过在空心圆柱磁芯上绕制亥姆霍兹负载线圈和接收线圈，并与发射线圈组成三线圈系统，实现胃肠道机器人的高效供能，能量传输效率经测试可达7％左右；空心的圆柱体放置在胃肠道机器人的外侧，有效利用机器人的空间，减小机器人的尺寸。
附图说明
图1为本发明三维结构示意图；
图2为本发明在不同大小负载线圈下的效率图；
图3为实施例能量接收管理电路示意图；
图4为发射线圈与负载线圈接收线圈位置关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统，其中包含：磁芯1、亥姆霍兹负载线圈2、发射线圈4和接收线圈3，其中：磁芯1套置于胃肠道机器人外，接收线圈3缠绕于磁芯1上，亥姆霍兹负载线圈2设置于接收线圈3外，用于无线供能的发射线圈4设置于胃肠道机器人8外部。
所述的亥姆霍兹负载线圈2间距为亥姆霍兹负载线圈2的半径。
所述的磁芯1为锰锌铁氧体制成的空心圆柱体。
所述的亥姆霍兹负载线圈2和接收线圈3均为单股漆包线，绕制在磁芯1上均为螺旋圆环状。
所述的发射线圈为多股漆包线绕制组形，发射线圈的直径范围为40cm-60cm。
本实施例涉及上述亥姆霍兹负载线圈2的绕制方法，步骤为：
步骤1、将接收线圈3的利兹线从磁芯1上断面任意一点引入漆包线缠绕40圈。
步骤2、在接收线圈3的外侧绕制亥姆霍兹负载线圈2，先选择一端绕制9圈，从绕制好后的一端引出到距离为亥姆霍兹负载线圈2半径长度的位置再绕制9圈，线圈的中心应与磁芯1的中心重合，接收线圈3与亥姆霍兹负载线圈2组成无线能量接收线圈。
如图3所示，本实施例上述系统中进一步设有能量接收管理电路，包括：用以使亥姆霍兹负载线圈和接收线圈在特定频率下谐振的LC谐振电路5、用以将感应电流转化成有效直流电流的整流滤波电路6和稳压模块7，其中：LC谐振电路5与接收线圈3相连，并在接收线圈感应到交变磁场时，生成感生电流经整流、滤波、稳压后为胃肠道机器人8提供稳定充足的能量。
所述的稳压模块包括：稳压芯片和外围电路。
如图4所示，本实施例中磁芯1套置于胃肠道机器人外，接收线圈3缠绕于磁芯上，亥姆霍兹负载线圈2设置于接收线圈3外，发射线圈4设置于亥姆霍兹负载线圈和接收线圈的外部。
如图2所示，经过具体测试该亥姆霍兹式三线圈无线供能系统的效率实验，在常温环境下，30-60欧姆的负载下，使用图1所示的带有亥姆霍兹式负载线圈的接收线圈。能够得到的实验数据是无线能量系统效率最高为6.45％，可以传输845mW的能量，符合胃肠道机器人运动的能量要求。与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：效率较原先的传输方式提升50％，接收能量提高40.8％，实现机器人稳定运动。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种用于胃肠道微型机器人的三线圈无线供能系统，其特征在于，包括：同轴设置的亥姆霍兹负载线圈和接收线圈以及用于无线供能的发射线圈，其中：接收线圈内部设有磁芯，亥姆霍兹负载线圈设置于接收线圈外，发射线圈设置于亥姆霍兹负载线圈和接收线圈的外部并与其构成三线圈无线供能系统。
2.根据权利要求1所述的三线圈无线供能系统，其特征是，所述的亥姆霍兹负载线圈间距为亥姆霍兹负载线圈的半径。
3.根据权利要求1所述的三线圈无线供能系统，其特征是，所述的磁芯为空心圆柱体。
4.根据权利要求1或2所述的三线圈无线供能系统，其特征是，所述的亥姆霍兹负载线圈，通过以下方式绕制得到：先将单股漆包线固定在接收线圈上的一端，绕制所需匝数的一半并经固定后沿磁芯轴向方向引出亥姆霍兹负载线圈半径的距离，经固定后继续绕制余下匝数后得到。
5.根据权利要求1或2或3所述的三线圈无线供能系统，其特征是，进一步设有能量接收管理电路，包括：用以使亥姆霍兹负载线圈和接收线圈在特定频率下谐振的LC谐振电路、用以将感应电流转化成有效直流电流的整流滤波电路和稳压模块，其中：LC谐振电路与线圈串联。
6.根据权利要求5所述的三线圈无线供能系统，其特征是，所述的稳压模块包括：稳压芯片和外围电路。
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