孟一村，顏國(guó)正*，汪 煒，陳范吉

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 醫(yī)療機(jī)器人研究院，上海 200240）

1 引 言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活節(jié)奏加快，飲食結(jié)構(gòu)也隨之變化，致使胃腸道疾病也日趨上升。在過(guò)去的十年中，膠囊醫(yī)療設(shè)備，如膠囊內(nèi)窺鏡，在消化系統(tǒng)疾病的診斷中得到了一定的應(yīng)用［1］。隨著該技術(shù)的發(fā)展，膠囊設(shè)備將給消化系統(tǒng)疾病的診斷帶來(lái)革命性的變化。在未來(lái)，膠囊內(nèi)窺鏡將不僅僅承擔(dān)圖像檢測(cè)的功能，還可以進(jìn)行活檢取樣，藥物釋放，熱療［2］等。因此，相應(yīng)的功耗會(huì)逐漸增加。傳統(tǒng)能量傳輸方式主要有電池供能和拖纜供能。受膠囊內(nèi)窺鏡尺寸的限制，鋰電池可能無(wú)法提供足夠的能量。而拖纜供能不能夠讓機(jī)器人在腸道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，另外拖纜可能會(huì)對(duì)腸道造成損傷。因此，無(wú)線能量傳輸方式越來(lái)越被看好成為植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的能量解決方案［3-6］。

然而，無(wú)線供能的膠囊機(jī)器人仍存在很多嚴(yán)重的問(wèn)題。就通常的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，病人需躺在床上，進(jìn)入到線圈內(nèi)部從而發(fā)射線圈才能給機(jī)器人進(jìn)行供能。由于胃腸道的面積較大，覆蓋整個(gè)胃腸道磁場(chǎng)所需的線圈直徑大概需要700 mm［7］。不同于簡(jiǎn)單膠囊內(nèi)窺鏡的能量需求，機(jī)器人還需要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，所以需要的能量更多。為滿足機(jī)器人正常工作的能量需求，要求無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)必須在一個(gè)較大的范圍內(nèi)提供均勻、穩(wěn)定、強(qiáng)度足夠的磁場(chǎng)。當(dāng)機(jī)器人需要的功率超過(guò)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)所能提供的功率極限時(shí)，機(jī)器人內(nèi)部的部件將不能正常工作。例如，LED燈會(huì)變暗甚至閃爍，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)降低，電路板上的電壓會(huì)降低，與上位機(jī)的通信可能會(huì)中斷。系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性受到影響，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作不可靠。同時(shí)，人體處于較強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，人體的生物安全性也需要考慮［8］。因此，提高能量接收效率和能量接收的穩(wěn)定性是無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)應(yīng)用在膠囊機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

然而目前所研究的無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)在應(yīng)用于膠囊機(jī)器人時(shí)均存在很多局限性。在2011年，賈志偉［9］提出了可用于胃腸道膠囊機(jī)器人的正方體接收線圈的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，其發(fā)射線圈直徑僅為400 mm，只可對(duì)于體型較小患者使用。在2015年，高晉陽(yáng)［10］提出了可用于胃腸道膠囊機(jī)器人的三維圓柱體接收線圈，進(jìn)一步縮小了接收線圈的尺寸，但其沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)的效率進(jìn)行分析，并且接收功率的穩(wěn)定性較低。在2016年，柯全［7］把發(fā)射線圈的直徑提高到了69 cm，發(fā)射線圈可以用于絕大多數(shù)患者，但傳輸效率較低。

本文設(shè)計(jì)了一種用于微型腸道膠囊機(jī)器人功能的U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真分析，建立U型發(fā)射線圈無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)磁場(chǎng)模型。并搭建U型發(fā)射線圈無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)原理機(jī)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)的改變，使得可以在發(fā)射線圈的內(nèi)部加入磁芯，顯著提高線圈內(nèi)部的能量接收效率和接收功率。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)介紹與原理

為了克服上述介紹中無(wú)線能量傳輸存在的所需尺寸大、傳輸效率低、供能不足等缺陷，本文設(shè)計(jì)在發(fā)射線圈中帶有磁芯的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)以提高傳輸效率和接收功率，同時(shí)縮減整體線圈的尺寸大小。如圖1所示，其主要包括體外能量發(fā)射系統(tǒng)，體內(nèi)能量接收系統(tǒng)和機(jī)器人負(fù)載三部分。提出的系統(tǒng)中，無(wú)線能量傳輸?shù)陌l(fā)射線圈纏繞在U型磁芯兩端上，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)C型臂懸掛在檢測(cè)床上方。檢測(cè)床的上部分為滑動(dòng)式，可以左右移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)患者的身體位置，使機(jī)器人可以保持工作在磁場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域。同時(shí)C型臂和房間的地板裝有滑軌，可以前后移動(dòng)，方便被測(cè)患者進(jìn)入設(shè)備。另外，C型臂懸掛的U型線圈可以上下調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)對(duì)不同體型的被測(cè)患者都可以調(diào)節(jié)到最大磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高效率。通過(guò)這些裝置，發(fā)射線圈可以在三個(gè)正交方向上平動(dòng)，使整個(gè)系統(tǒng)擁有三個(gè)自由度。位置傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人在患者體內(nèi)的位置，控制系統(tǒng)使機(jī)器人保持在線圈中磁場(chǎng)最強(qiáng)的位置。給上下平行的兩個(gè)線圈通交流電，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流磁場(chǎng)。膠囊機(jī)器人裝有效率優(yōu)化的三維接收線圈，接收線圈提供機(jī)器人正常工作所需能量。對(duì)于微型胃腸道膠囊機(jī)器人而言，常規(guī)的螺線管對(duì)發(fā)射線圈直徑多在400 mm以上，制作同樣大小的磁芯難度很高，并且磁芯的渦流損耗和磁滯損耗會(huì)很大。此外，通常無(wú)線能量系統(tǒng)工作時(shí)患者需要進(jìn)入發(fā)射線圈內(nèi)部，類似于核磁共振，而加入磁芯后患者無(wú)法進(jìn)入。因此，通常的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)不易增加磁芯。所設(shè)計(jì)的U型發(fā)射線圈，采用C型臂懸掛在患者腹部上方，患者不需要進(jìn)入線圈內(nèi)部，方便增加磁芯。

圖1 U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of U-shaped transmitting coil WPT system

感應(yīng)耦合能量傳輸多用串聯(lián)或并聯(lián)的電感電容構(gòu)成諧振器。根據(jù)耦合的程度，現(xiàn)有的無(wú)線能量傳輸原理可以分為兩組：強(qiáng)耦合能量傳輸［11-12］和弱耦合能量傳輸［13］。強(qiáng)耦合能量傳輸一般采用四線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或更多線圈來(lái)作為中繼線圈［14］。通常線圈間的距離很小，耦合程度強(qiáng)。而弱耦合能量傳輸通常運(yùn)用兩個(gè)線圈作為諧振器，一個(gè)是發(fā)射線圈，一個(gè)是接收線圈。弱耦合的傳輸距離更遠(yuǎn)，線圈間的耦合程度也相應(yīng)較弱。與經(jīng)皮能量傳輸?shù)葌鬏斁嚯x近、位置固定的無(wú)線傳輸方式相比，對(duì)于胃腸道膠囊機(jī)器人的無(wú)線供能而言，機(jī)器人需要在腸道內(nèi)自主運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的位置與磁場(chǎng)的角度都是隨機(jī)的。同時(shí)機(jī)器人攜帶的接收線圈與發(fā)射線圈距離較遠(yuǎn)。因此對(duì)于胃腸道膠囊機(jī)器人來(lái)說(shuō)，無(wú)線能量傳輸方式多為弱耦合無(wú)線能量傳輸。

2.2 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)等效電路模型及參數(shù)計(jì)算

本文所提出的式無(wú)線供能系統(tǒng)等效電路模型是充分考慮了膠囊機(jī)器人所需的能量效率、區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻性以及接收線圈尺寸限制后的結(jié)果。對(duì)于發(fā)射端而言，產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)該足夠均勻并且強(qiáng)度足夠。而對(duì)于接收端而言，受限于機(jī)器人的尺寸，接收線圈的回路比發(fā)射線圈的要小得多且有相同的頻率。機(jī)器人的能量耦合方式為弱耦合。為分析接收線圈為機(jī)器人負(fù)載提供的功率大小，建立無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如圖2。

圖2 U型發(fā)射線圈的WPT系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the WPT system with Ushaped transmitting coils

其中L1和L2表示發(fā)射線圈和接收線圈，兩側(cè)回路分別串接補(bǔ)償電容C1和C2，同時(shí)諧振于fo?；诜瓷湄?fù)載理論，諧振狀態(tài)下的接收端對(duì)于另一側(cè)的影響可以通過(guò)計(jì)算接收端的反射阻抗Rrr建模分析：

其 中：k12=M12/L1L2，Q1=ωL1/R1。Q2L=Q2QL/(Q2+QL)=ωL2/(R2+RL)，式 中Q2=ωL2/R2，QL=ωL2/RL。Q2和QL一般是指接收回路品質(zhì)因數(shù)和接收回路有載品質(zhì)因數(shù)。因此，諧振發(fā)射回路可以等效為圖2（b）所示電路，Rrr與發(fā)射回路等效電阻串聯(lián)。在圖2（b）中，R3代表的是整個(gè)發(fā)射回路的電阻。為了推導(dǎo)出能量傳輸效率在諧振時(shí)的方程，根據(jù)反射電阻理論，電源提供的能量被給到了R1和Rrr上。之后能量傳遞給Rrr，然后接收環(huán)路接收到的能量分為了R2和RL上的能量。因此，可以用RL消耗的能量除以總能量表示W(wǎng)PT系統(tǒng)的能量傳輸效率。由此引出：

這與文獻(xiàn)［15］中的結(jié)果一致，需要注意的是，式（2）中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別表示傳遞給反射電阻的功率和負(fù)載中的效率。設(shè)發(fā)射線圈的驅(qū)動(dòng)電流為Id，則向系統(tǒng)負(fù)載的能量傳遞公式為：

在無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)接收回路阻抗匹配時(shí)，發(fā)射功率達(dá)到最大值。同時(shí)，也確定了系統(tǒng)的操作頻率由式（2）可知，能量傳遞效率與品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，而品質(zhì)因數(shù)由系統(tǒng)頻率決定。之前Gao［16］的 研究顯示，最佳頻率設(shè)置在218 kHz可以獲得更高的能量傳輸效率。考慮到我們的工作和之前的研究有相似的幾何參數(shù)，我們應(yīng)用了相同的頻率。

3 U型發(fā)射線圈無(wú)線能量系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)上述能量傳輸理論，通過(guò)ANSYS Max‐well仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的能量發(fā)射系統(tǒng)的進(jìn)行磁場(chǎng)環(huán)境模擬仿真，具體仿真參數(shù)見(jiàn)表1。有限元仿真中采用薄壁圓筒來(lái)近似擬合單層密繞的線圈模型，簡(jiǎn)化整體仿真的計(jì)算量，同時(shí)對(duì)于仿真結(jié)果影響較小。外部空間介質(zhì)設(shè)置為空氣，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中接收線圈環(huán)境一致。在Maxwell仿真中，激勵(lì)設(shè)置選取安匝數(shù)作為激勵(lì)單位，即電流與線圈匝數(shù)的乘積。單個(gè)線圈匝數(shù)為40匝，電流為1.5 A，激勵(lì)為60安匝。仿真模型的邊界為長(zhǎng)580 mm，寬260 mm，高450 mm的長(zhǎng)方體。模型采用218 kHz交流磁場(chǎng)。

表1 U型發(fā)射線圈仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of U-shaped transmitting coil

圖3（a）是仿真模型的示意圖，圖中表示了坐標(biāo)系的原點(diǎn)以及x，y，z軸所代表的方向。YZ截面的磁場(chǎng)磁通密度的仿真結(jié)果如圖3（b）所示，XZ截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的仿真結(jié)果如圖3（c）所示。其中藍(lán)色表示低磁通密度，而紅色表示高磁通密度。圖3中的黑色方框?yàn)槟z囊機(jī)器人工作區(qū)域，其范圍是Y方向30 cm，X方向15 cm，Z方向3 cm~12 cm的長(zhǎng)方體區(qū)域。從圖3可知，U型線圈上方的膠囊機(jī)器人工作區(qū)域磁場(chǎng)磁通密度顏色變化較小，磁場(chǎng)強(qiáng)度較為均勻。

圖3 U型發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁通密度Fig.3 Magnetic flux density generated by a U-shaped transmitting coil

為了定量分析U型線圈產(chǎn)生的磁通密度的強(qiáng)弱，在xOy平面以原點(diǎn)為中心，分別在X方向和Y方向偏移50 mm取點(diǎn)，在水平面共取9個(gè)點(diǎn)，用坐標(biāo)表示分別為：（0，0）（0，5）（0，-5）（-5，-5）（-5，0）（-5，5）（5，-5）（5，0）（5，5）。間距為5 cm選取9個(gè)點(diǎn)分別繪制各點(diǎn)從線圈上方3 cm到12 cm的磁通密度，仿真結(jié)果如圖4所示。在工作區(qū)域內(nèi)磁通密度基本處于3 Gs到5 Gs范圍內(nèi)，根據(jù)文獻(xiàn)［17］中所研究的機(jī)器人正常工作所需磁場(chǎng)強(qiáng)度為3 Gs左右，因此該無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠滿足膠囊機(jī)器人正常工作。

圖4 z軸距離變化對(duì)磁通密度的影響關(guān)系Fig.4 Influence of z-axis distance variation on magnetic flux density

在工作區(qū)域內(nèi)磁通密度基本處于3 Gs到5 Gs范圍內(nèi)，根據(jù)文獻(xiàn)［17］中所研究的機(jī)器人正常工作所需磁場(chǎng)強(qiáng)度為3 Gs左右，因此該無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠滿足膠囊機(jī)器人正常工作。在同一高度下各點(diǎn)磁通密度大小差別不大，最大為高度為30 mm時(shí)，最大磁通密度與最小磁通密度差距為23.55%，最小時(shí)為高度120 mm時(shí)，約為6.85%。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 U型線圈傳輸功率及效率測(cè)試

根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)搭建了U型線圈式無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)，測(cè)試其能量接收功率與效率，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

U型發(fā)射線圈的尺寸參數(shù)的選取與磁芯尺寸、人體生物安全性相關(guān)。對(duì)于磁芯尺寸而言，發(fā)射線圈需要纏繞在磁芯外部，而磁芯尺寸過(guò)大對(duì)燒結(jié)工藝要求較高，并且磁芯磁導(dǎo)率降低，渦流損耗和磁滯損耗較大，反而影響系統(tǒng)性能。此外，雖然線圈尺寸增大時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，均勻性也更好。但根據(jù)賈智偉對(duì)線圈優(yōu)化的研究［18］，當(dāng)線圈尺寸增大時(shí)，線圈所需的激勵(lì)電流也隨之增大，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求過(guò)高。同時(shí)，線圈電流增加也會(huì)影響人體的生物安全性。因此，無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的U形發(fā)射線圈采用利茲線密繞在磁芯上，尺寸大小是80×80 mm，兩組線圈均為40匝。兩組線圈通過(guò)底部的80×80×300 mm的磁芯相連，具體方式如圖5（b）所示。整體U型磁芯的長(zhǎng)為380 mm，寬為80 mm，高為280 mm。根據(jù)人體的平均厚度［19］，確定線圈中間的距離為300 mm。為提高傳輸效率和安全性，兩組發(fā)射線圈采取串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。發(fā)射線圈的電感、阻值以及品質(zhì)因數(shù)均由阻抗分析儀KEYSIGHT E4990A測(cè)得，線圈阻值為9.78Ω，品質(zhì)因數(shù)為337.65。對(duì)于線圈的驅(qū)動(dòng)部分，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室先前的研究，系統(tǒng)的工作頻率設(shè)定為218 kHz。選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管（IRFB4115）來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈驅(qū)動(dòng)電路的高功率輸出。IRFB4115的內(nèi)阻只有9.3 mΩ，IRFB4115具有低通阻和低功率損耗的特性。在保證50%安全裕度的條件下，發(fā)射電路的最大驅(qū)動(dòng)電流Id限定在8.16 A以內(nèi)。

圖5 測(cè)量能量傳輸效率和接收功率的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental prototype for measurement of PTE and received power

U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)由U型發(fā)射線圈部分和機(jī)器人內(nèi)部的接收線圈部分組成。發(fā)射線圈由驅(qū)動(dòng)電路供電，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。接收線圈感應(yīng)到交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生交流電流。通過(guò)機(jī)器人內(nèi)的電源管理電路，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，為機(jī)器人系統(tǒng)供電。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，它包括了U型無(wú)線能量發(fā)射線圈，發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)部分，接收原型機(jī)和測(cè)量?jī)x器。整個(gè)接收原型機(jī)由接收線圈，能量管理電路，負(fù)載電阻組成。根據(jù)文章［20］，機(jī)器人的內(nèi)阻約為30Ω，因此實(shí)驗(yàn)中采用在能量管理電路的后端接入一個(gè)30Ω的負(fù)載電阻來(lái)替代機(jī)器人組成接收原型機(jī)。如圖5中的（a），無(wú)線能量發(fā)射部分相關(guān)的驅(qū)動(dòng)裝置集成在了發(fā)射控制柜中，圖5（c）中展示了系統(tǒng)的發(fā)射電路模塊構(gòu)成，包括信號(hào)產(chǎn)生電路，信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路，全橋逆變電路。由信號(hào)產(chǎn)生電路中的UCC3895產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)光耦芯片TLP2630進(jìn)行隔離后輸出到信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，之后通過(guò)IR2110驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路中的四個(gè)MOSFET工作。為使輸出的交流電頻率與電路的諧振頻率相同，調(diào)節(jié)UCC3895芯片中的RT引腳電阻從而調(diào)節(jié)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率。同時(shí)采用LC串聯(lián)諧振電路，并加入可調(diào)電感或電容進(jìn)行阻抗匹配從而得到最大的線圈電流?？烧{(diào)電容的調(diào)節(jié)范圍是0~500 pF，串聯(lián)接入到整個(gè)電路中，一端與發(fā)射線圈相連，另一端與驅(qū)動(dòng)電路的輸出相連。整個(gè)無(wú)線能量系統(tǒng)的輸出電壓范圍是0 V~50 V，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電容，觀察輸出電流，當(dāng)電流最大時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)在218 kHz頻率下諧振。在接收端部分，通過(guò)整流橋和穩(wěn)壓模塊，可以穩(wěn)定的給機(jī)器人提供3.3 V電壓。

接收線圈的直徑為12.8 mm，采用0.12 mm的漆包線繞制在錳鋅鐵氧體上，為減小渦流效應(yīng)，線圈為兩層每層50匝密繞的結(jié)構(gòu)，用阻抗分析儀測(cè)量線圈參數(shù)如表2。

表2 接收線圈參數(shù)Tab.2 Parameters of receiving coil

將測(cè)試用的接收線圈放于U型線圈中心上方30 mm處位置，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電容，使測(cè)量時(shí)的能量傳輸在218 kHz頻率下處于諧振狀態(tài)。通過(guò)能量管理電路板上的整流橋，將感應(yīng)到的交流電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏鳌Ｓ萌f(wàn)用表測(cè)量負(fù)載上的電壓。之后調(diào)節(jié)機(jī)械升降臺(tái)保持接收線圈水平位置不變，豎直方向上從30 mm升高到120 mm，其中每間隔10 mm測(cè)量一次負(fù)載上的電壓大小并記錄。與仿真分析類似，設(shè)U型線圈中心為原點(diǎn)，分別在X方向和Y方向偏移50 mm取點(diǎn)，在水平面共取9個(gè)點(diǎn)，與仿真分析中的坐標(biāo)表示一致。保持其他參數(shù)不變，重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程并記錄線圈在各點(diǎn)時(shí)負(fù)載上電壓的大小。機(jī)器人工作過(guò)程中所需能量如表3所示，總共需要能量約為500 mW?？紤]到人體的電磁安全性和機(jī)器人實(shí)際工作所需能量的問(wèn)題，設(shè)定在218 kHz諧振情況下，無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)的輸出電流為1.2 A到1.5 A，輸出電壓為25 V，此時(shí)基本滿足機(jī)器人的能量需求。

表3 膠囊機(jī)器人各模塊的功率要求Tab.3 Power requirement of the modules of the capsule robot

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

U型線圈無(wú)線能量發(fā)射系統(tǒng)的性能主要由系統(tǒng)的整體效率和能量接收穩(wěn)定性來(lái)評(píng)價(jià)。通過(guò)測(cè)量負(fù)載電阻RL上的電壓VL，來(lái)計(jì)算接收到的功率。在上一章也已提及，負(fù)載電阻的阻值設(shè)置為30Ω，來(lái)模擬真實(shí)機(jī)器人工作情況下的等效電阻大小。無(wú)線能量系統(tǒng)的頻率調(diào)諧至218 kHz以獲得最大效率。系統(tǒng)的接收功率PR和傳輸效率η計(jì)算如下：

其中，Pin是發(fā)射功率，由系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流計(jì)算得到。系統(tǒng)輸出電壓Uin和輸出電流Iin顯示在直流電源上。

根據(jù)式（4）和式（5），將測(cè)量每個(gè)點(diǎn)得到的電壓代入公式算出每個(gè)點(diǎn)的接收功率和傳輸效率。接收功率的分布圖如圖6所示，其表示了在發(fā)射電壓25 V，接收負(fù)載阻值30Ω情況下，各測(cè)量點(diǎn)在線圈上方30~120 mm處功率變化的情況。

圖6 U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的接收功率Fig.6 Measured received power of U-shaped transmit‐ting coil WPT system

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的功率接收結(jié)果與圖4中的仿真得出的磁場(chǎng)磁通密度大小變化趨勢(shì)一致。實(shí)際情況中在同一高度的水平面上，接收線圈處于U型發(fā)射線圈最中間位置（0，0）時(shí)接收到的功率最大，在（5，-5）和（-5，-5）位置時(shí)接收到的功率最小。當(dāng)線圈距離磁芯高度為30 mm時(shí)，線圈在各點(diǎn)接收到的最大功率均大于2 500 mW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)器人工作所需功率，機(jī)器人在低高度下可以正常工作。隨著高度增加，接收線圈接收到的功率逐漸降低，在120 mm高度下，接收功率最低僅為241.2 mW。根據(jù)機(jī)器人正常工作所需能量為500 mW，在高度為90 mm時(shí)，在各測(cè)量點(diǎn)的接收能量均大于500 mW，在100 mm時(shí)，機(jī)器人接收到的能量基本可以滿足功率需求。

進(jìn)一步考慮發(fā)射線圈的接收效率問(wèn)題，將線圈在各點(diǎn)處的接收效率繪制如下圖7。隨著距離U型線圈距離的增加，線圈的接收效率逐漸降低，其變化趨勢(shì)與接收功率的變化趨勢(shì)類似。接收線圈在（0，0）點(diǎn)距離線圈30 mm處接收效率最高為14.13%，而系統(tǒng)在120 mm內(nèi)的平均效率值也達(dá)到了4.16%。而結(jié)構(gòu)中在發(fā)射線圈的內(nèi)部加入磁芯，也進(jìn)一步地提高了系統(tǒng)的傳輸效率。

圖7 U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率Fig.7 Measured PTE of U-shaped transmitting coil WPT system

對(duì)于U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)在不加入磁芯的情況下，兩個(gè)相聚30 cm并排擺放的發(fā)射線圈無(wú)法構(gòu)成磁回路，而是變成線圈獨(dú)立的磁回路，無(wú)法在水平面產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)十分微弱，接收電壓僅為mV級(jí)，線圈接收到的功率約為0。

將U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)與其他無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)圖表4，這些參數(shù)是各系統(tǒng)根據(jù)自身實(shí)際情況選擇的最優(yōu)參數(shù)。在各自的實(shí)際最優(yōu)情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。為了公平比較，對(duì)每種方法，均選取接收線圈在發(fā)射系統(tǒng)中心點(diǎn)處測(cè)量的接收功率和傳輸效率。對(duì)于頻率而言，Khan［21］在文章中提到更高的頻率會(huì)增加人體組織的吸收，這會(huì)對(duì)人體造成損傷。因此，本文選用的218 kHz頻率相比文獻(xiàn)［21-22］更加安全。對(duì)于功率而言，本文的接收功率與其它方式相比有很大提高，即使是系統(tǒng)整體的平均功率也達(dá)到了1 337.24 mW，與其他文獻(xiàn)相比膠囊機(jī)器人的供能更加穩(wěn)定，而充足的能量供給也為之后機(jī)器人搭載如活檢、藥物釋放等模塊提供了可能。與其他形式的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)相比，由于本文采取了U型發(fā)射線圈的形式，并在發(fā)射線圈內(nèi)加入了磁芯，這樣的傳輸方式顯著的提高了能量接收功率和系統(tǒng)傳輸效率。

表4 與其他無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的性能比較Tab.4 Performance comparison with other WPT systems

5 結(jié) 論

在本研究中，我們針對(duì)微型胃腸道膠囊機(jī)器人無(wú)線供能傳輸效率和接收功率低的問(wèn)題，提出了一種新型的U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)。由于U型發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在發(fā)射線圈中加入了磁芯，進(jìn)一步提高了所提出的無(wú)線能量系統(tǒng)的性能。提出了無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)效率模型并對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了磁場(chǎng)有限元分析，對(duì)實(shí)際情況下的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)搭建了U型發(fā)射線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)平臺(tái)并測(cè)試其性能，加入磁芯后的系統(tǒng)最大傳輸效率達(dá)到14.13%，同時(shí)接收功率為3 780.75 mW，系統(tǒng)平均傳輸效率為4.16%，平均接收功率為1 337.24 mW。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所提出的系統(tǒng)，非常顯著地提高了系統(tǒng)的傳輸效率和功率穩(wěn)定性。在進(jìn)一步的應(yīng)用研究中，將對(duì)機(jī)器人加入定位傳感器裝置，配合C型臂可以控制無(wú)線能量發(fā)射裝置隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)高效的能量傳輸。