微医疗机器人旋转磁场驱动控制器的设计

摘要:本文介绍了用旋转磁场驱动胶囊式微型医疗机器人的新方法，重点阐述了旋转磁场驱动器的硬件实现，设计出了以单片机AT89S52和DDS芯片AD9854为核心的数字可控磁场驱动器，用以驱动两组赫尔姆兹线圈产生旋转磁场。文章首先AD9854工作原理进行了介绍，对系统的各部分功能电路进行了设计，最后对并对系统的工作原理和存在的不足进行了讨论，为微机器人应用于医疗领域奠定了基础.

关键词：胶囊式微机器人；旋转磁场；直接数字频率合成；滤波；功率放大

中图分类号： 文献标识码：A

1引言

微型医疗机器人的发展经过十几年的积累与创新，已经在许多技术问题上取得了突破性的进展，然而微型医疗机器人毕竟是一门交叉了众多学科的尖端技术^[1]，现在仍有众多急需解决的关键问题制约着其走向产业化，驱动能源供给问题便是其中之一，也是最根本的问题。

微型医疗机器人由于其工作在狭窄柔软的人体内腔，它的驱动方式及能源供给成了复杂的问题。传统的微电机驱动由于所用电机体积过大，能源供给的不便使其在临床应用上受到了限制^[2]；形状记忆合金响应速度慢，且活的生物组织对记忆合金的高温耐受性较差^[3]，因而短时间内应用到临床的可能性很小；压电驱动位移精度高，响应快，但需要的驱动电压较高，如自带电池或拖带线缆势必会对机器人的行走带来诸多困难；气动式、轮式，足式都是依靠机器人本体与人体肠道的摩擦来获取行走的动力，难免会对软组织造成挤压或刮擦^[4]，引起人体的不适。从能源供给方式来看，微型医疗机器人的无缆化是将来的发展趋势，也是一个目前急需解决的难点问题。近年来国内外不少学者开始了利用外场来实现微机器人驱动的研究，并取得了进展。常见的外场能量有微波，磁场，超声波和光波等，应用比较多的是外磁场驱动，本文介绍的便是一种医疗机

器人旋转磁场驱动器的设计。

2驱动原理

本文设计的旋转磁场驱动的胶囊式机器人体内嵌有径向磁化的圆柱型钕铁硼（NdFeB）永磁体，在体表刻有螺旋槽，由旋转磁场驱动器产生外旋转磁场，通过磁机耦合作用，驱动微机器人在充满粘性液体的管内同步旋转，依靠沿垂直于螺旋线方向液体压力差产生的作用力旋转前进。

图1 胶囊式微机器人结构示意图及其驱动原理

Fig.1 structure and the driving principle of the capsule micro robot

3硬件系统结构

本驱动器产生的旋转磁场是由两路正余弦电流信号驱动两组赫尔姆兹线圈产生，利用赫尔姆兹能够产生均匀磁场的原理，用两轴线圈构成一个可在空间内旋转的磁场。整个系统可以分为正交信号产生、信号处理、功率放大三那个部分。为了保证产生的两路正交信号保持严格的相位差，信号产生电路采用DDS（直接数字频率合成）芯片AD9854设计，AD9854采用先进的DDS技术，内部集成了48位频率累加器，48位相位累加器，正余弦波形表，12位高速D/A转换器以及调制控制电路，具有FM，AM，PM，FSK，ASK，PSK多种功能，可工作

于五种模式^[5]，在高稳定的时钟的驱动下，AD9854可以产生高精度的频率，相位，幅值可编程的正弦和余弦信号，AD9854产生信号的原理如图1所示：

图2 DDS输出信号原理

Fig.2 Signal flow through the DDS

每来一个时钟信号，相位累加器的输出就会增加一个步长的相位增加量，而频率控制字则决定了相位增加量的大小。波形存储器包含以相位为地址的的一个周期待产生信号数字幅度信息。从存储器中读出相位累加器输出相位信号值对应的幅度值，通过DAC将该数据转换成所需的模拟信号波形输出。相位累加器进行线性相位累加，累加至满量时产生一次计数溢出，这个溢出率即为输出信号的频率。通过改变频率控制字或系统参考时钟的频率，即可改变输出信号的频率，三者之间具有下面的关系式：

频率控制字

式中为输出信号频率，系统参考时钟频率。

信号产生电路主要由AT89S52单片机，8通道电平转换芯片MAX3002和AD9854组成，AT89S52完成对AD9854产生信号的控制，由于单片机使用5v电源供电，而AD9854使用3.3v电源，两者的逻辑电平不匹配，如果直接相连，过高的驱动电压会对AD9854构成损害，因此使用了转换芯片MAX3002实现两种不同逻辑电平间的转换，电路如下图所示：

图3 控制部分电路

Fig.3 Circuit of control section

AD9854内部有31个寄存器^[6]，通过对这些寄存器内控制字的修改即可达到控制输出信号各种参数量的目的，本设计选择的是并行控制方式，因此将S/P select 引脚接地，AD9854的地址数据线与单片机的P0口相连，Master reset与I/O UD分别是合成器的复位和刷新引脚，由89S52控制。

输出信号的幅值和频率参数量通过1602LCD液晶模块显示，液晶模块的显示由单片机的P1口与P3口来控制，对输出信号参数的控制可以通过四个独立按键来输入信息，或通过串行口由上位机给出，由于51单片机的数学运算能力有限，而本系统对实时性要求比较高，因此采用了加减固定量的方法对各种频率字进行调整。在上电初始化的时候控制AD9854输出初始信号，在工作过程中对信号输出的控制通过在信号初始值上增减一定的固定量来实现。

AD9854的输出理论值为0 150MHz，实际中应用范围一般为0 100MHz，频率分辨率可以达到1uHZ，下图即为产生两路正余弦信号的波形：

图4 信号波形

Fig.4 Signal waveform

信号处理部分主要由一级二阶低通滤波电路，两级前置放大电路组成。因为AD9854的输出信号是经过12位DAC转换后输出的，为了保证输出信号的稳定，滤除杂散，所以加了低通滤波电路，AD9854的输出为单极性电流输出，最大输出电流为20mA,输出电流的大小由39引脚（RSET）来控制，本设计控制输出电流最大为10mA，通过50的负载电阻转化为电压信号，因为输出信号过于微弱，用两极前置放大电路进行放大，并加入了一个直流偏置量将单极性信号转化为所需的交流信号。电路如下图所示：

图5 滤波电路

Fig.5 Filter circuit

功率放大部分主要是两路压控恒流源电路，驱动两组赫尔姆兹线圈产生旋转磁场，本设计采用LM12作为功率放大元件，它可以在正负30V的电源电压下具有10A的驱动电流，最大输出功率为80W，接8负载时输出功率为38W,以单位反馈做增益补偿时，小信号带宽可达到700KHz，用LM12构成的压控恒流源电路如图所示：

图6 功率放大电路

Fig.6 power amplify circuit

D1，D2为快速恢复二极管，起箝位作用，当放大器为最大功率输出时，可以避免输出电压的摆幅超过电源电压，使得运放在接通或断开负载线圈时能够承受较大的感应电流，在只考虑静态的情况时，电路的工作原理如下：

则当输入电压的值发生变化时，输出电流也会随之连续变化，在实际应用过程中输出电流最大可达到1A以上。

4结论

经实验验证，本文设计的驱动器能够成功驱动胶囊机器人样机，尽管LM12在实际应用过程中并没有达到理想的80W功率输出，但60 80W的实测功率已满足了当前的实验需要。

本驱动器驱动的线圈电感较大，当驱动信号频率较高的时候，线圈的感抗会变得很大，不可忽略，导致多次在实验过程中LM12因输出功率不够而烧毁，因此本文设计的驱动器目前的最大工作频率不能超过300HZ，要想以更高的频率驱动线圈，则需购买昂贵的功放。

参考文献

[1] 付国强，梅涛，孔德义，张彦.微型机器人外场驱动技术的研究现状与发展.光学精密工程，2003，11（4）：333-337.

[2] C Stefanini，M C Corrozza，P Dario．A mobile microrobot driven by a new type of electromagnetic micromotor．Micro Machine and Human Science，1996 Proceedings of the Seventh International Symposium ,1996.10：195～201.

[3] 王坤东，颜国正.仿蚯蚓蠕动微机器人牵引与运动控制.机器人，2006，28（1）：19-24.

[4] 穆晓枫，周银生，胡飞等.无损伤医用肠道机器人驱动机理.上海交通大学学报，38（8）：1314-1317.

[5] 刘立新，赫建国，郑燕.基于DDS芯片AD9854的信号发生器设计.西安邮电学院学报，9（3）：64-68.

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