新型胃腸道機器人無線能量傳輸系統的設計與實現

消化道疾病是常見的人體疾病，其中，胃、腸道部位是病變的多發區域，但以導管式內窺鏡為代表的傳統診查方法效率過低，且其檢查過程存在需要麻醉、易造腸道損傷、患者體驗舒適度差等缺點.經過科研人員的不懈努力，膠囊內窺鏡等無線纜式診查設備減輕了患者在檢查過程中的痛苦，但仍不是成熟的臨床解決方案.近年來，具有主動運動能力的胃腸道診查機器人逐漸成為該領域下一代技術的研發重點.

胃腸道診查機器人在人體內工作時，為其穩定、高效地提供能量的方式一直是科研人員重點研究的問題.受容量及體積限制，傳統的電池供能方式不適用于微型機器人的工作過程.目前，該領域廣泛應用的能量供應方法是基于電磁感應原理的無線能量傳輸(WPT)技術.其中，能量發射部分、能量接收部分是兩個具有相同諧振頻率的線圈系統，在特定的頻率下，二者分別通過電容與電感的耦合作用實現電路諧振，使高頻能量發生大比例交換，從而為接收部分的負載提供能量.目前，該種能量傳輸方式已廣泛應用在手機等消費電子領域、電動汽車等工業領域以及胃腸道微型機器人等生物醫療領域.

針對應用于生物醫學領域的無線能量傳輸技術，研究人員展開了大量研究.文獻[4]探究了磁芯厚度和絞線規格對一維接收線圈的影響.文獻[5]對三維接收線圈進行優化，從磁芯直徑、線圈匝數、線徑等方面優化了接收線圈的姿態穩定性.文獻[6]分析了不同發射線圈結構對發射磁場均勻性的影響.文獻[7-8]提出了一套小型便攜式無線能量傳輸系統.

然而，隨著相關領域研究的深入和臨床需求的發展，現有的WPT系統研究成果存在諸多不足，尚未能同時滿足以下需求. 一是能量需求，目前的WPT系統主要用于膠囊內窺鏡的能量供應，其接收能量通常最多只能達到300 mW.二是位置穩定性需求，針對能量發射系統.前期研究成果多為工程驗證性質的便攜式原型，能量發射線圈尺寸設計在400 mm以內.為盡可能適應患者體型、擴大胃腸道機器人運動范圍，應在保證發射磁場強度足夠大且均勻的前提下，盡量擴大發射線圈的尺寸.三是姿態穩定性需求，針對能量接收系統.目前研究人員多采用在實心磁芯上繞制三維線圈的方式進行結構設計，然而傳統三維實心線圈邊長為12～14 mm，極大擠占了機器人機械結構、攝像頭、相關電路等部件的設計空間.出于縮短機器人軸向長度，減小其體積的目的，本文所述接收線圈需要繞制在空心圓柱形磁芯上，為保證胃腸道機器人在人體內運動的不同姿態下均可滿足能量需求，需要對三維接收線圈結構提出新的實用設計.

針對以上實際需求，本文開展了新型WPT系統的研究與實驗驗證.本文以適應人體生理參數為目標，通過理論計算優化發射線圈、接收線圈的拓撲結構并確定相關參數，最終通過實驗平臺驗證系統設計的可行性.

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1 能量傳輸性能評估及參數選擇

WPT系統簡化集總模型如圖1所示，其中：為補償電容，用于消除能量發射回路的無功功率；為發射回路串聯等效電感；為發射回路串聯等效電阻；、、分別為接收回路的補償電容、串聯等效電感、串聯等效電阻；為微型機器人工作時的等效負載；為發射、接收回路之間的互感；()和()分別為發射回路和接收回路中的交流電流，隨時間周期性變化；系統分為發射回路TX與接收回路RX兩部分；在發射回路中，AC為高頻交流電源.為簡化分析，將發射線圈復阻抗電路等效為串聯等效電感與串聯等效電阻，事實上，復阻抗電路實際包含自感、交流電阻、寄生電容3部分.發射回路TX在高頻交流信號驅動下產生交變磁場， 接收回路RX通過電磁感應原理獲得感應電勢，經過整流、穩壓等處理后為微型機器人提供能量.

(1)

式中：、分別為發射回路和接收回路的品質因數，用于表征電路在諧振頻率處諧振時電容(或電感)電壓與電阻電壓之比；=，為電路負載因子.對于一般的RLC串聯諧振電路，其品質因數定義為

圖9中，直流電源經驅動電路逆變為220 kHz交流方波以提供激勵，此時發射線圈諧振回路產生大致均勻的交變磁場.位于發射線圈腔體內部的接收線圈在電磁感應的作用下產生交流電壓，經后續整流電路轉換為直流電壓，為用30 Ω滑動變阻器模擬的機器人工作等效電阻供電，使用高精度數字萬用表測量滑動變阻器兩端的接收電壓，并換算為接收功率.

(2)

式中：、、為RLC串聯諧振電路中的電阻、電容、電感.

在WPT系統弱耦合狀態下，有?1，此時(1+)?(1+)，可將式(1)進一步簡化：

(3)

可見，在發射系統功率一定的情況下，應盡量提高發射回路與接收回路的品質因數，以優化傳輸效率、保證接收系統有足夠能量供給.

此外，在一定范圍內，系統能量傳輸效率隨頻率增大而增加.同時，線圈的品質因數隨著頻率的上升呈先增大后減小趨勢，并且過高的品質因數將導致系統抗干擾能力下降，魯棒性較差，容易引起電路失諧.綜上考慮，諧振頻率選擇220～240 kHz為宜，本文選擇220 kHz作為無線能量傳輸系統的工作頻率.

2 能量發射線圈優化設計

使用型號為E4990A的阻抗分析儀測得發射線圈及接收線圈相關參數如表2所示.由于采用了先串聯后并聯的方式，發射線圈等效電阻較小，從而獲得了較大的品質因數，即對激勵電流有比較大的放大能力.3組接收線圈均為75匝，受繞制位置及手工制作因素影響，品質因數并非完全一致.

為優化新型螺線管線圈結構及參數，在徑向尺寸相同的情況下，本文選取上述2組、3組、4組螺線管分別組成如圖2所示的3組發射線圈.其中，圖2(a)所示結構由線圈A1及線圈A2這2組螺線管線圈軸向排列而成，圖2(b)所示結構由線圈H1、線圈H2及線圈H3這3組螺線管線圈軸向排列而成，圖2(c)所示結構由線圈E1、線圈E2、線圈E3及線圈E4這4組螺線管線圈軸向排列而成.為詳細了解上述3種發射線圈受激勵后產生的磁場分布情況，在輸入激勵相同的情況下，對3種發射線圈產生的磁場進行理論分析與優化.

2.1 z軸軸線上發射線圈磁場的分布與優化

基于對稱性考慮，對單組通電螺線管在平面上產生的磁場進行分析.

假設單位長度的螺線管由匝線圈組成，在長度為的螺線管中處取一電流元d，電流元與坐標為(,)的點的距離為

(4)

通電螺線管上的磁場分布情況如圖3所示.考慮一段直徑為的單組螺線管，其軸線與軸重合，軸向長度分布在(-，)區間內，對其通加電流作為激勵在軸軸線上， 3種結構的磁場分布情況如圖4所示.

(5)

由前文分析得知，接收線圈的品質因數是表征其能量接收能力的關鍵因素，在利茲線規格確定的情況下，本文測定接收線圈、等參數與線圈匝數的關系如圖8所示在一定范圍內，與繞制匝數正相關，結合機器人結構限制，本文確定每組線圈由利茲線繞制60匝而成，其中每匝利茲線由18股線徑AWG44的單股漆包線絞合650次得到.

(6)

式中：為方位角；為螺線管直徑由式(4)可知，此時距離是關于長度、方位角以及坐標和的函數則電流元在點產生的磁感應強度d在和兩個方向的分量為

由圖4(d)可知，在坐標取值為 -25～25 cm的發射線圈內部，4組螺線管發射線圈(見圖2(c))產生的磁場在軸軸線上的分布更加均勻，該拓撲結構更適合選用為新型發射線圈結構.此外4組螺線管結構中，軸向為50 cm尺寸限制范圍內，軸方向上，考慮到螺線管均有一定寬度，則螺線管線圈E1與線圈E4最大中心間距實際取為42 cm.本文為進一步優化4組螺線管位置分布，固定螺線管線圈E1與線圈E4中心間距為42 cm，對稱移動線圈E2與線圈E3的位置.當線圈E1與線圈E2取不同中心間距(<19 cm)時，其軸線上磁場分量分布如圖5所示.由圖5可知，最終取相鄰兩線圈中心相距11 cm作為最優尺寸.

高血壓是血壓異常上升的疾病,持續高血壓狀態會讓代謝改變,左心室克服高血壓狀態需要增加收縮力度,所以左心室可能會有代償性體積增加、重量增加的情況出現,引起左心室肥厚癥狀。老年群體出現高血壓左室肥厚伴左心衰竭的幾率大約是3.0%,臨床中對患者進行早期的診斷和治療非常重要。

2.2 3種線圈產生磁場在xOz平面上的分布與優化

在3種發射線圈結構中，每組線圈半徑=25 cm，線圈軸向間距小于50 cm，所有線圈等距分布，激勵電流取=1 A/匝.

專家表示，給寶寶適當地補充益生菌，可以呵護寶寶腸道健康，是預防秋冬腹瀉的有效方法之一。而寶寶已經有了腹瀉的癥狀時，也可以適當補充益生菌，可有效抑制有害致病菌、維持腸道微生態平衡、增強腸道免疫能力。

其中，變異系數是概率分布離散程度的一個歸一化量度，其定義為標準差與平均值之比，則有：

(7)

顯然，綜合3種均勻性指標判斷, 由4組螺線管組成的拓撲結構產生的磁場具有最佳均勻性.在實際工程應用中，該拓撲結構由4組同軸排列的螺線管間隔一定距離組合而成，其中，每組螺線管由不同匝數的利茲線密繞制得.由2.1節可知，每組螺線管之間的相對距離也會對發射線圈產生磁場的均勻性造成影響.

3 能量接收線圈優化設計

傳統的微型機器人需要在其頭部或尾部為接收線圈預留單獨的安置空間，不可避免地增加了機器人的總長度.為節省空間，本文采用的接收線圈需要繞制在空心圓柱型磁芯側壁，其空心部分內部可安置機器人機械結構.采用的接收線圈具有紡錘形繞制的線圈結構, 該接收線圈具有在空間三維方向接收電磁能量的能力.

接收線圈模型與實物如圖7所示.在圓柱形磁芯底面的圓上有一點，從該點出發，沿圓柱側面行進至中心對稱位置′，然后沿相反方向返回點，形成閉合回路′，如圖7(a)所示.逆時針旋轉30°，重復該過程4次, 得到′、′、′、′這4組閉合線圈回路，最終得到如圖7(b)所示紡錘形接收線圈組1.同樣的，按相同方式將線圈組1整體逆時針旋轉120°兩次，即可得到如圖7(c)所示的線圈組2和線圈組3，此時接收線圈上共有12股線圈沿圓周等距分布.實際工作時，3組線圈分別整流后并聯輸出電壓，線圈的外徑尺寸為?13.9 mm×11.9 mm.

根據設計目標中的能量需求，機器人實際接收的功率至少為500 mW，根據研究分析，機器人實際工作時的等效直流電阻約為30 Ω，則根據公式功率=計算得每股利茲線將通過0.129 A的電流，參考相關文獻將AWG44電流限制為 0.008 A，可取每18根規格為AWG44的單根漆包線絞合為單股漆包線使用.

式中：為真空磁導率對于式(4)，令=0，得到電流元與軸軸線上點的投影點(0,)的距離為

CRISPR/Cas系統對病毒DNA清除能力為病毒的治療提供了新思路。利用CRISPR/Cas系統能夠有效安全地將HIV病毒從體外培養的人T細胞的DNA中清除。我國軍事醫學科學院放射與輻射醫學院研究所、第四軍醫大學西京醫院、日本京都大學等處的研究人員研究靶向乙肝表面抗原(HBsAg)編碼區的CRISPR/Cas9系統，在體外培養的肝細胞和活小鼠體內的效果表明CRISPR/Cas9可在體內和體外抑制HBV復制和表達，可能是治療HBV感染的一種新策略[13]。

某海上油田是油田群的注水中心，海水經過注水設備的逐級處理注水水質合格后一部分作為本油田注入水注入地層，另一部分輸送至其他油田注水系統。2017年4月份油田注水水質V30日常化驗時發現化驗不合格，為了防止不合格注入水對地層的傷害，油田暫停注水系統進行注水水質變差的問題排查。

這天傍晚，楊力生送走了前來送貨的客戶。回家后見楊秋香正準備做飯，他輕輕假咳一聲，鼓著勇氣說：“哎，你不包餃子吃？你調餃子餡兒調得真好。”

4 實驗結果分析

4.1 實驗裝置

綜合前文分析，本課題組制作了無線能量傳輸系統，其實物圖如圖9所示.選定300股規格AWG44利茲線絞合繞制發射線圈，采用了方形線框構型，正方體骨架尺寸為50 cm×50 cm×50 cm, 4個線圈的具體匝數為22、11、11、22匝，各線圈中心間距數據分別為15、12、15 cm，將發射線圈與CKTB1000可調真空電容串聯，使回路在220 kHz激勵作用下諧振.

同時，接收線圈采用圖7確定的紡錘形繞制方式纏繞在空心磁芯上，然后將接收系統與機器人裝配固定，最后通過向接收線圈串聯貼片電容的方式使接收系統電路在220 kHz諧振，經后續整流電路處理后輸出電壓到滑動變阻器模擬的機器人工作等效電阻.

出于提高能量傳輸系統穩定性考慮，發射系統應當在胃腸道機器人運動范圍內產生盡可能均勻的交變磁場，其中，發射線圈的拓撲結構是決定發射系統所產生的磁場分布的關鍵因素.目前，研究人員對亥姆霍茲線圈和多組、多層螺線管線圈等線圈結構類型所產生的磁場進行了分析探索，有研究認為亥姆霍茲線圈將在一定范圍內產生類似球形的均勻交變磁場，但磁場強度較弱；螺線管線圈產生的類圓柱形磁場強度較大，但均勻性較差.本文總結以上研究成果，提出了一種新型組合式螺線管線圈，該線圈由多組螺線管按一定距離軸向排列而成，其中，每組螺線管由不同匝數的線圈構成，從而在滿足磁場強度要求的基礎上提高發射磁場的均勻性.

土壤中鎘的測定采用原子吸收光譜法[13]，鉛的測定采用雙硫腙分光光度法[13]，銅的測定采用原子吸收光譜法[13]，鋅的測定采用原子吸光光譜法[13]，鉻的測定采用二苯碳酰二肼分光光度法[14]，砷的測定采用新銀鹽分光光度法[15]。

在中醫學中，失眠屬“不寐”的范疇，是一種具有較高發生率的一種內科疾病[1] 。該疾病主要的臨床癥狀為存在一定的睡眠障礙，患者整夜難眠，對患者身心健康產生極為不利的影響[2] 。失眠易導致患者出現心智不寧，進而增加其他疾病的發生率，如此，失眠再次被加重，惡性循環，嚴重影響患者生活質量[3] 。我院在對心腎不交失眠患者進行治療過程當中，使用交泰丸加減聯合烏靈膠囊治療研究組患者，現報道如下。

4.2 能量傳輸位置穩定性分析

在發射線圈腔體內部均勻采樣取點，定義原點為發射線圈正方體的中心對稱點，每5 cm取一個取樣點，與前期理論分析采取一致的坐標軸分布, 圓柱形接收線圈的軸線與發射線圈的軸方向重合.出于實際應用范圍考慮，只對發射線圈腔體內部磁場80%的范圍進行采樣.考慮到磁場分布的均勻性特點，高度分布上，可只取=0, 5, 10, 15, 20 cm 共5個平面，每個平面上同樣對80%范圍內的磁場進行采樣，分別計算機器人的接收功率及能量傳輸功率，繪制數據效果如圖10所示.

1）交叉模式：如果發射器連接交點，則發生交點模式.發射機將計算所有連接路段的權重，并選擇最小權重來傳輸數據包.考慮計算的距離和連通概率，考慮到多層結構的影響，用RAR中的3-D歐幾里德距離來定義距離.

圖10(a)～10(e)描述了取不同高度值時，對應平面的采樣點所獲得的接收功率，圖10(f)～10(j)則描述了不同高度平面采樣點的接收效率，計算得每個平面上接收線圈的接收功率與接收效率標準差，如表3所示.

與前文的理論分析(見圖6(f))相比，=0時平面上磁場分布基本一致同時，為完整了解整個發射線圈腔體內的磁場分布均勻性，實驗測得不同取值時對應的平面磁場分布在每個平面上，中心點處磁場均勻性最好，磁場強度稍弱；

在靠近線圈的邊緣位置能取得比較大的磁場強度，此時磁場分布的均勻性較差.在軸軸線位置上，分析采樣點數據，實驗結果如圖11所示，其亦與前文理論結果(見圖5)吻合，即軸線位置上存在一定范圍的較為均勻的磁場分布，其均勻程度取決于4組螺線管之間的相對位置.此外，在所有采樣點上，實驗測得的最低接收功率為650 mW, 可以滿足系統最低能量需求.

4.3 能量傳輸姿態穩定性分析

為驗證能量傳輸系統的姿態穩定性，研究人員改變接收線圈姿態，根據對稱性，線圈繞坐標軸軸旋轉與繞軸旋轉的效果一致在場強為的磁場中，將接收線圈按如圖12所示轉動方向，從初始狀態沿軸使線圈在平面轉動一周，每10°進行采樣，結果發現線圈軸向穩定性隨線圈姿態的改變呈明顯的變化規律.分別測定接收線圈1組線圈單獨工作與3組線圈同時并聯工作的能量傳輸情況，其接收功率數據分布如圖13所示.經統計，在發射功率一定的情況下，接收線圈在軸向轉動的所有角度均滿足機器人工作需求，3組線圈同時工作時的均勻度優于一組線圈, 具備實際應用性.

根據中華人民共和國機械行業標準 (1993) JB /T6275-92《甘蔗收獲機械試驗方法》[9]對甘蔗收獲系統進行測試， 主要包括 3個方面： ①甘蔗收獲機作業性能測試,測定甘蔗破頭率、 損失率和含雜率； ②收獲機組系統的性能測試, 測定油耗和生產效率；③凱斯7000與凱斯4000的性能對比試驗。

特別地，將接收線圈從初始狀態(見圖12(a))繞軸旋轉90°至如圖12(b)所示位置時，在=0高度的平面上，得到新姿態下接收功率、傳輸效率數據效果分別如圖14所示.由圖14可知，其最低接收功率為523 mW, 同樣可以滿足機器人工作需求.

相較于差學生而言，好學生更善于運用各種學習策略來學習詞匯，但是調查顯示好學生的詞匯學習僅局限在課本中。大學英語的教學目標是培養學生的英語應用能力，增強跨文化交際意識和交際能力，同時發展自主學習能力，提高綜合文化素養，使他們在學習、生活、社會交往和未來工作中能夠有效地使用英語，滿足國家、社會、學校和個人發展的需要。[1]教師應該鼓勵和引導好學生作一些課外的拓展，適當加深和加大學習的深度和廣度，以便更好地學習英語詞匯，進而逐步提高英語應用能力。

5 結語

本文研究了一種針對微型胃腸道機器人的新型無線供能系統，探索了發射線圈拓撲結構對發射系統產生的交變磁場的均勻性影響，并依據理論分析與實驗結果確定系統采用4組螺線管線圈產生交變磁場.在=0平面上，磁場強度標準差為1.08×10T，接收功率標準差為85.16 mW，發射磁場較為穩定、均勻.采用利茲線制作接收線圈，將其繞制在圓柱體中空磁芯上，并完成機器人裝配，在不同姿態下測試機器人接收功率，均能滿足500 mW的最低工作功率需求.

本系統采用50 cm×50 cm×50 cm的發射系統框架與外徑為?13.9 mm×11.9 mm的接收線圈，通過電磁耦合方式實現了新型胃腸道機器人WPT系統，該新型系統能滿足腸道機器人工作能耗、姿態穩定性、供能穩定性、尺寸設計等要求.與先前的研究成果相比，該系統在發射線圈尺寸更大的基礎上產生了更為均勻的磁場，減少了電磁輻射的風險.通過改進接收線圈結構顯著提高了機器人的空間利用率，為機器人下一步的活檢、定點釋放靶向藥物等技術升級奠定了基礎.本文研究的新型WPT系統幫助胃腸道機器人進一步滿足了臨床檢查需求，后續將開展動物實驗及人體實驗，以不斷推進胃腸道微型機器人技術的發展和進步.