CN209593110U - 一种无线供电装置及胶囊机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于无线电能传输技术领域，具体提供了一种无线供电装置及胶囊机器人，包括电能发射端、驱动电路及电能接收端，电能发射端包含MHC发射线圈及调谐电容器Cr，MHC发射线圈包括多个串联的发射线圈，相连两个发射线圈匝数不相等，驱动电路包括MOS管及电源，MOS管的漏极D与源极S分别与电能发射端两端连接，MOS管及电能发射端均与电源连接，电能接收端包括混合谐振接收线圈，混合谐振接收线圈与MHC发射线圈产生谐振发电。通过在胶囊机器人内部安装谐振线圈，通过磁耦合谐振的方式给人体内作业的胶囊机器人稳定、高效、实时充电，保证其能持续拍摄人体病变器官图像，分析病变原因，并实时上传图像和数据到人机交互界面，以便医生确诊。
Description
技术领域
本实用新型属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线供电装置及胶囊机器人。
背景技术
无线胶囊内窥镜(即WCE)是一种能够全面诊断人体胃肠道(即GI) 的伟大发明。这项技术使得医生有可能诊断出各种与胃肠道相关的疾病，如癌症、肿瘤、出血、溃疡等。这项技术的优势，如无创性、无痛过程以及整个胃肠道的可视化，都是增加其知名度的主要因素。
然而，现有的大多数WCE的诊断效果并不理想，主要是由于图像质量不佳，对胶囊运动缺乏控制，捕获的图像方向未知，电池故障等。如果将现有的无线胶囊内窥镜WCE技术转化为胶囊内窥镜机器人(即RCE)，则该技术将具有更好的图像画质，能主动控制胶囊的运动和摄像机方向。实现这种RCE的主要瓶颈是给胶囊机器人供电。
到目前为止，该领域的主要研究和发展包括：3D能量接收线圈建模， 3D接收线圈中掺杂铁氧体磁芯，改善发射和接收线圈的品质因素，改善整流器和驱动电路，效率优化和人体组织电磁效应分析。尽管如此，现有设计的功率转换效率仍然较低，效率在0.02-3.55％的范围内。除此之外，现有的研究并没有完全解决均匀的磁场通过电力传输线圈，以及胶囊可能的工作区域内的电力稳定性问题。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中胶囊机器人供电难的问题。
为此，本实用新型提供了一种无线供电装置，包括电能发射端、驱动电路及电能接收端，所述电能发射端包含MHC发射线圈及调谐电容器Cr，所述MHC发射线圈包括多个串联的发射线圈，相连两个所述发射线圈匝数不相等，所述驱动电路包括MOS管及电源，所述MOS管的漏极D与源极S 分别与所述电能发射端两端连接，所述MOS管及电能发射端均与所述电源连接，所述电能接收端包括混合谐振接收线圈，所述混合谐振接收线圈与所述MHC发射线圈产生谐振发电。
优选地，所述MHC发射线圈包括三个发射线圈，各所述发射线圈等间距地缠绕在半径20cm且高30cm的非磁性圆柱形线圈框架上，且发射线圈等间距的大小为15cm。
优选地，三个所述发射线圈的匝数依次为14匝、7匝及14匝，且所述发射线圈采用270股的AWG42绞合Litz线绕制而成。
优选地，所述混合谐振接收线圈包括感应线圈、第一调谐电容Cp及第二调谐电容Cs，所述感应线圈与所述第一调谐电容Cp并联后再与所述第二调谐电容Cs串联。
优选地，所述感应线圈的直径为11.5mm，高度为10mm。
优选地，所述感应线圈中间设有铁芯，所述铁芯型号为MnZn、3E6型。
优选地，所述电源为稳定的直流电压原VDC。
优选地，所述电能发射端的工作频率为264KHz。
优选地，所述MOS管型号为IRF3710ZPBF MOSFET。
本实用新型还提供了一种胶囊机器人，所述胶囊机器人的电源为前述的无线供电装置，所述电能接收端安装于所述胶囊机器人内。
本实用新型提出的一种无线供电装置及胶囊机器人，通过在胶囊机器人内部安装谐振线圈，通过磁耦合谐振的方式给人体内作业的胶囊机器人稳定、高效、实时充电。当胶囊机器人电量不足时，无需人工更换电池，可随时为其充电，保证其能持续拍摄人体病变器官图像，分析病变原因，并实时上传图像和数据到人机交互界面，以便医生确诊。设计者还设计出了一种能够产生均匀磁场的新型电力传输线圈，通过均匀场提高功率稳定性，同时使不必要的峰值电磁辐射最小化，最大限度地减少对人体的伤害。能为机器人提供稳定高效的电能，较为理想的解决了胶囊机器人供电问题。
与传统的胶囊机器人相比，该胶囊机器人的优势包括：1)该胶囊机器人具有更好的图像画质，能主动控制胶囊的运动和摄像机方向，能实现胃肠道患者患处可视化；2)该胶囊机器人采用改进的亥姆霍兹线圈为胶囊机器人供电，改进的线圈获得的H场均匀性比传统的线圈更高；3)改进的亥姆霍兹线圈还可以改善功率稳定性，并将不必要的峰值电磁辐射降至最低，最大限度地减少对人体的伤害；4)采用磁耦合谐振的方式，接收线圈采用混合谐振方案，以实现负载的最佳功率传输；5)该胶囊机器人具有实时控制、360度高清图像捕捉、对人体副作用低、长期稳定作业的特点。
以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
附图说明
图1是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的工作原理示意图；
图2是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的MHC发射线圈电路模型图；
图3是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的改进前的亥姆霍兹线圈THC和改进后的亥姆霍兹线圈MHC的横截面对比图；
图4是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的THC和MHC的H场均匀性对比图；
图5是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的THC和MHC产生的归一化H场稳定性图；
图6是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的三种谐振方式电路原理图；
图7是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的用于验证三种谐振方式电路图的仿真模型；
图8是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的三种谐振方式电路能量接收对比图；
图9是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的不同种类发射线圈参数对比图；
图10是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的接收线圈在不同位置的输出功率图；
图11是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的接收线圈在不同位置的输出功率稳定性图；
图12是本实用新型无线供电装置及胶囊机器人的整体性能比较图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本实用新型提供了一种无线供电装置，包括电能发射端、驱动电路及电能接收端，所述电能发射端包含MHC发射线圈及调谐电容器Cr，所述MHC 发射线圈包括多个串联的发射线圈，相连两个所述发射线圈匝数不相等，所述驱动电路包括MOS管及电源，所述MOS管的漏极D与源极S分别与所述电能发射端两端连接，所述MOS管及电能发射端均与所述电源连接，所述电能接收端包括混合谐振接收线圈，所述混合谐振接收线圈与所述MHC 发射线圈产生谐振发电。患者穿戴此MHC发射线圈后，给此MHC发射线圈通以稳定的直流电压VDC，此直流电压VDC经过放大电路和谐振电路，以磁耦合谐振的方式将电能传输到胶囊机器人内置的接收线圈，从而为胶囊机器人提供稳定、高效的电能。同时，胶囊机器人通过温度、湿度、位移等传感器，将采集的图像和数据传输给中央处理器，由中央处理器对这些数据和图像进行处理和分析，并上传到人机交互界面，以便医生确诊。
优选的方案，所述MHC发射线圈包括三个发射线圈，各所述发射线圈等间距地缠绕在半径20cm且高30cm的非磁性圆柱形线圈框架上，且发射线圈等间距的大小为15cm。由此可知，MHC发射线圈是一种改进的亥姆霍兹发射线圈，如图2所示，经实验证明，为了在胶囊的工作区域获得均匀的磁场，同时为了尽可能远的传输电能，采用等距不等匝三发射线圈的WPT 系统效果更佳，MHC发射线圈包括三个发射线圈，三组发射线圈等间距地缠绕在半径r＝20cm，高h＝30cm的非磁性圆柱形线圈框架上，线圈间距 d＝3r/4＝15cm。
优选的方案，三个所述发射线圈的匝数依次为14匝、7匝及14匝，且所述发射线圈采用270股的AWG42绞合Litz线绕制而成。三个发射线圈的匝数从上到下分别为：14匝、7匝、14匝，总匝数为35匝，线圈采用270 股的AWG42绞合Litz线绕制而成，同时要求激励源的工作频率为264kHz，这样才能尽可能提高线圈的品质因数(QTC)，从而提高其能力传输效率。
优选的方案，所述混合谐振接收线圈包括感应线圈、第一调谐电容Cp及第二调谐电容Cs，所述感应线圈与所述第一调谐电容Cp并联后再与所述第二调谐电容Cs串联。
优选的方案，所述感应线圈的直径为11.5mm，高度为10mm。
优选的方案，所述感应线圈中间设有铁芯，所述铁芯型号为MnZn、3E6 型。由此可知，胶囊机器人内部嵌入的采用MRS方式的3-D接收线圈(直径D＝11.5mm，高度h＝10mm)和功率转换电路，为了提高接收线圈的接收效率，设计了高导磁率的芯材，使用铁磁材料(MnZn，3E6型)的圆形立方体 (8mm边长)，这种材料具有在246kHz的频率下导磁率约为7500，多绞线绞合缠绕在芯上形成3D电能接收线圈，接收线圈中的匝数和股数需要在胶囊有限的可用空间内进行调整。
优选的方案，所述电源为稳定的直流电压原VDC。主要给MOS管提供稳定的开关电压。
优选的方案，所述电能发射端的工作频率为264KHz。经验证，本实施例中，激励源的工作频率为264kHz，这样才能尽可能提高线圈的品质因数(QTC)，从而提高其能力传输效率。
优选的方案，所述MOS管型号为IRF3710ZPBF MOSFET。由此可知，如图1和图2所示，该MOS管最大连续漏极电流：59A，最大漏源电阻：18mΩ，其理论功率转换效率为100％。使用的是高压多层陶瓷电容器(型号： 302S43W33KV4E)来实现PTC谐振。驱动电路采用多个电容器串联，以减少驱动器处理高QTC引起的跨电容器电压升高的问题，然后并联使用多个串联电容器线路，来达到期望的频率调谐PTC。此驱动电路能够在电压有效值为8KV,电流有效值为2A的交流电源下工作，同时，串联和并联电容器组可以在412.5pF-1.65nF的范围内调谐。
本实施例还提供了一种胶囊机器人，所述胶囊机器人的电源为上面所述的无线供电装置，所述电能接收端安装于所述胶囊机器人内。
由此可知，如图1所示，以人体的胃部为实验对象，将内置有电能接收端的胶囊机器人伸入胃部进行相应的医学工作，通过外接稳定的直流电压原VDC给电能发射端供电，利用电磁感应原理，电能发射端内的多个串联发射线圈与接收端内的混合谐振接收线圈产生谐振供电。如图3所示，经实验验证，分别使用3r/4和2：1作为最佳分离比(线圈间距)和匝数比。如图4所示，其中z＝0和z＝r/2，实验结果表明，当以534mW功率传输到负载时，所提出的系统功率稳定性至少达到94.62％，PTE(能量传输效率)达到4.9％。如图5所示，两个线圈使用n＝6和r＝20cm，经实验验证，与传统的THC相比，此MHC峰值电磁暴露抑制率约为26％，HZMHC (由MHC产生)的均匀性分别提高了11.32％和47.98％，在较大区域内， MHC得到的H场最小均匀性为91.13％，而THC仅为49.47％，提高了 41.66％。
如图6所示，接收线圈三种谐振方式：PRS(并联谐振)、SRS(串联谐振)、MRS(混合谐振)的电路原理图，假设机器人胶囊在3V电源下需要 300mW的平均功率，胶囊机器人负载电阻ZL平均值为30Ω左右，尽管在这种情况下，SRS可能比PRS表现得更好，但是这两种谐振方案并不能总是保证单位负载因子为了解决这个问题，引入MRS谐振方式，MRS的并联和串联电容(CP和CS)的值可以通过下式计算 这三种谐振方案的性能在使用PSpice电路求解的WPT模型中进行比较，然后比较PRS，SRS和MRS的接收功率，结果表明，MRS可以将传输功率提高到500mW左右，而其他两种方案的传输功率更低，因此，本研究选择了MRS方案。
如图7所示，用于验证MRS，SRS和PRS的WPT系统的仿真模型。结合图8通过设置图7中的MRS，SRS和PRS向负载供电，并比较三组谐振方案的优劣。图9是能量发射线圈实施参数比较，三组发射线圈采用不同的匝数比和线圈间距，比较其质量因数QTC的高低，实验表明，MHC方案的QTC 最高。图10和图11是为接收线圈在不同位置时的输出功率(Pout)、稳定输出功率(Ps)之间的比较，其中，图11为PRC(能量接收线圈)的位置沿y轴线在z＝0和z＝r/2处以1cm间隔变化时，输出功率Pout的变化曲线。图11是PRC的位置沿着y轴通过Z＝0和Z＝r/2时，稳定输出功率Ps的变化曲线，所提出的基于MHC的PTC在z＝0处的径向线上的功率稳定性提高了13.94％，MHC在z＝0.5r时沿着径向线极大地改善了PS，在这条线上，Ps提高了47.82％。图12是基于THCS，MHC，SRS和MRS的WPT 系统的性能比较。
与传统的胶囊机器人相比，该胶囊机器人的优势包括：1)该胶囊机器人具有更好的图像画质，能主动控制胶囊的运动和摄像机方向，能实现胃肠道患者患处可视化；2)该胶囊机器人采用改进的亥姆霍兹线圈为胶囊机器人供电，改进的线圈获得的H场均匀性比传统的线圈更高；3)改进的亥姆霍兹线圈还可以改善功率稳定性，并将不必要的峰值电磁辐射降至最低，最大限度地减少对人体的伤害；4)采用磁耦合谐振的方式，接收线圈采用混合谐振方案，以实现负载的最佳功率传输；5)该胶囊机器人具有实时控制、360度高清图像捕捉、对人体副作用低、长期稳定作业的特点。
以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线供电装置，其特征在于：包括电能发射端、驱动电路及电能接收端，所述电能发射端包含MHC发射线圈及调谐电容器Cr，所述MHC发射线圈包括多个串联的发射线圈，相连两个所述发射线圈匝数不相等，所述驱动电路包括MOS管及电源，所述MOS管的漏极D与源极S分别与所述电能发射端两端连接，所述MOS管及电能发射端均与所述电源连接，所述电能接收端包括混合谐振接收线圈，所述混合谐振接收线圈与所述MHC发射线圈产生谐振发电。
2.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：所述MHC发射线圈包括三个发射线圈，各所述发射线圈等间距地缠绕在半径20cm且高30cm的非磁性圆柱形线圈框架上，且发射线圈等间距的大小为15cm。
3.根据权利要求2所述的无线供电装置，其特征在于：三个所述发射线圈的匝数依次为14匝、7匝及14匝，且所述发射线圈采用270股的AWG42绞合Litz线绕制而成。
4.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：所述混合谐振接收线圈包括感应线圈、第一调谐电容Cp及第二调谐电容Cs，所述感应线圈与所述第一调谐电容Cp并联后再与所述第二调谐电容Cs串联。
5.根据权利要求4所述的无线供电装置，其特征在于：所述感应线圈的直径为11.5mm，高度为10mm。
6.根据权利要求4所述的无线供电装置，其特征在于：所述感应线圈中间设有铁芯，所述铁芯型号为MnZn、3E6型。
7.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：所述电源为稳定的直流电压原VDC。
8.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：所述电能发射端的工作频率为264KHz。
9.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：所述MOS管型号为IRF3710ZPBFMOSFET。
10.一种胶囊机器人，其特征在于：所述胶囊机器人的电源为权利要求1至9任一项所述的无线供电装置，所述电能接收端安装于所述胶囊机器人内。
Priority Applications (1)
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| CN201920238649.5U CN209593110U (zh) | 2019-02-26 | 2019-02-26 | 一种无线供电装置及胶囊机器人 |
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| CN201920238649.5U CN209593110U (zh) | 2019-02-26 | 2019-02-26 | 一种无线供电装置及胶囊机器人 |
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| CN201920238649.5U Active CN209593110U (zh) | 2019-02-26 | 2019-02-26 | 一种无线供电装置及胶囊机器人 |
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| CN (1) | CN209593110U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4142125A1 (en) | 2021-08-26 | 2023-03-01 | Universidad de Alcalá (UAH) | Miniaturized electromagnetic rotary actuator |
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2019
- 2019-02-26 CN CN201920238649.5U patent/CN209593110U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4142125A1 (en) | 2021-08-26 | 2023-03-01 | Universidad de Alcalá (UAH) | Miniaturized electromagnetic rotary actuator |
| WO2023025939A1 (en) | 2021-08-26 | 2023-03-02 | Universidad De Alcala (Uah) | Miniaturized wirelessly powered electromagnetic rotary actuator |
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