用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验

孟一村; 颜国正; 汪炜; 陈范吉

doi:10.37188/OPE.20212908.1881

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-09-01

- 用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验
- Design and experiment： u-shaped transmitting coil wireless power transfer system for micro gastrointestinal capsule robot
- 光学精密工程 2021年29卷第8期页码：1881-1890
- 作者机构：
  
  1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240
  2.上海交通大学医疗机器人研究院，上海 200240
- 作者简介：
  
  [ "孟一村（1994-），男，山东东营人，博士研究生。2016年于华中科技大学获得学士学位，2017年获得澳大利亚昆士兰大学硕士学位。主要从事肠道微型机器人及无线能量传输研究。E-mail：yicun.meng@sjtu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(81971767);上海市科学技术委员会科研计划项目(19441910600;19441913800;19142203800);上海交通大学医疗机器人研究院项目(IMR2018KY05)
- DOI：10.37188/OPE.20212908.1881
  中图分类号： TH776;TM154.2
- 收稿日期：2021-03-02，
  
  修回日期：2021-04-25，
  
  纸质出版日期：2021-08-15
- 稿件说明：
移动端阅览
孟一村,颜国正,汪炜等.用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验[J].光学精密工程,2021,29(08):1881-1890.

MENG Yi-cun,YAN Guo-zheng,WANG Wei,et al.Design and experiment： u-shaped transmitting coil wireless power transfer system for micro gastrointestinal capsule robot[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(08):1881-1890.
孟一村,颜国正,汪炜等.用于微型胃肠道胶囊机器人供能的U型发射线圈无线能量传输系统设计与实验[J].光学精密工程,2021,29(08):1881-1890. DOI： 10.37188/OPE.20212908.1881.

MENG Yi-cun,YAN Guo-zheng,WANG Wei,et al.Design and experiment： u-shaped transmitting coil wireless power transfer system for micro gastrointestinal capsule robot[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(08):1881-1890. DOI： 10.37188/OPE.20212908.1881.

摘要

为了解决微型胃肠道胶囊机器人或其他可植入医疗设备无法使用电源线供电以及无线能量发射系统性能差的问题，本文提出了一种新的U型发射线圈无线能量传输系统。与传统的螺线管对式的发射线圈相比，通过结构的改进，首次将磁芯加入到了发射线圈中。该系统可以极大地改善传输过程中传输效率低，机器人接收功率低的问题。本文建立了所提出的U型发射线圈无线能量传输系统的理论模型，并通过有限元模拟对其进行了分析。搭建了U型发射线圈无线能量传输系统平台对其能量传输效率和接收线圈的接收功率进行了测试，以验证所提出设计的有效性。实验结果表明，所提出的U型无线能量传输系统的传输效率最高达到14.13%，接收功率最高为3 780.75 mW，能够满足机器人工作的功率要求。

Abstract

Power cables cannot be used to power micro gastrointestinal capsule robots or other implantable medical equipment， and wireless power transfer systems exhibit poor performance. To address these limitations， this paper proposes a U-shaped transmitting coil wireless power transfer （WPT） system. In contrast to the traditional solenoid-paired transmitting coil， the proposed transmitter coil comprises a magnetic core， which was added after incorporating a few structural improvements. The core can tremendously improve the power transfer efficiency （PTE） and received power. In this study， a theoretical model of the proposed system is established and analyzed via a finite element simulation. To verify the effectiveness of the proposed design， a U-shaped transmitting coil WPT system platform is built， and experimental tests on the PTE of the system and the received power of the receiving coil are conducted. The experimental results demonstrate that the maximum received power of the proposed system is 3780.75 mW and its PTE is 14.13%， which satisfy the power requirements of the robot.

关键词

Keywords

references

颜国正，邝帅，汪炜 . 胃肠道疾病无创诊查技术进展［J］. 上海交通大学学报， 2018 ， 52 （ 10 ）： 1404 - 1409 .

YAN G ZH ， KUANG SH ， WANG W . A review of noninvasive detection technologies for gastrointestinal tract disease ［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ， 2018 ， 52 （ 10 ）： 1404 - 1409 . （in Chinese）

陈雯雯，颜国正，高鹏，等 . 结肠诊疗微机器人控制系统的设计和实现［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 6 ）： 1296 - 1302 .

CHEN W W ， YAN G ZH ， GAO P ， et al . Control system design of micro diagnosis and treating robot for colonoscopy ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 6 ）： 1296 - 1302 . （in Chinese）

石煜，颜国正，朱柄全 . 胶囊内窥镜便携式无线能量发射系统［J］. 光学精密工程， 2014 ， 22 （ 1 ）： 132 - 137 .

SHI Y ， YAN G ZH ， ZHU B Q . Portable wireless power transmitting system for video capsule endoscopes ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2014 ， 22 （ 1 ）： 132 - 137 . （in Chinese）

CARTA R ， THONÉ J ， PUERS R . A wireless power supply system for robotic capsular endoscopes ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2010 ， 162 （ 2 ）： 177 - 183 .

BASAR M R ， AHMAD M Y ， CHO J ， et al . An improved wearable resonant wireless power transfer system for biomedical capsule endoscope ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 10 ）： 7772 - 7781 .

MENG Y C ， WANG Z W ， JIANG P P ， et al . Optimization and analysis of Helmholtz-like three-coil wireless power transfer system applied in gastrointestinal robots ［J］. Journal of Power Electronics ， 2020 ， 20 （ 4 ）： 1088 - 1098 .

KE Q ， LUO W ， YAN G ， et al . Analytical model and optimized design of power transmitting coil for inductively coupled endoscope robot ［J］. IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering ， 2016 ， 63 （ 4 ）： 694 - 706 .

贾智伟，颜国正，石煜，等 . 基于生物安全性的无线能量传输系统接收线圈优化设计［J］. 上海交通大学学报， 2012 ， 46 （ 7 ）： 1127 - 1131 .

JIA ZH W ， YAN G ZH ， SHI Y ， et al . Optimization design of transmitting coils in the wireless power transmission based on human tissue safety ［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ， 2012 ， 46 （ 7 ）： 1127 - 1131 . （in Chinese）

ZHIWEI J ， GUOZHENG Y ， JIANGPINGPING ， et al . Efficiency optimization of wireless power transmission systems for active capsule endoscopes ［J］. Physiological Measurement ， 2011 ， 32 （ 10 ）： 1561 - 1573 .

GAO J Y ， YAN G Z ， WANG Z W ， et al . A capsule robot powered by wireless power transmission： Design of its receiving coil ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2015 ， 234 ： 133 - 142 .

CORRÊA D C ， RESENDE U C ， BICALHO F S . Experiments with a compact wireless power transfer system using strongly coupled magnetic resonance and metamaterials ［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2019 ， 55 （ 8 ）： 1 - 4 .

AHN D ， KIM S M ， KIM S W ， et al . Wireless power transfer receiver with adjustable coil output voltage for multiple receivers application ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 5 ）： 4003 - 4012 .

TRAN L G ， CHA H K ， PARK W T . A compact wireless power transfer system at 915 MHz with supercapacitor for optogenetics applications ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2019 ， 285 ： 386 - 394 .

YANG D S ， TIAN J W ， WON S ， et al . Optimal position of the intermediate coils in a magnetic coupled resonant wireless power transfer system ［J］. Energies ， 2019 ， 12 （ 20 ）： 3991 .

KE Q ， JIANG P P ， YAN G Z . Standardized design of the transmitting coils in inductive coupled endoscope robot driving systems ［J］. Journal of Power Electronics ， 2017 ， 17 （ 3 ）： 835 - 847 .

GAO J Y ， YAN G Z . A novel power management circuit using a super-capacitor array for wireless powered capsule robot ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2017 ， 22 （ 3 ）： 1444 - 1455 .

MENG Y C ， YAN G Z ， JIANG P P ， et al . A novel wireless power transfer system with two parallel opposed coils for gastrointestinal capsule robot ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2021 ， 321 ： 112413 .

SHI Y ， YAN G Z ， CHEN W W ， et al . Micro-intestinal robot with wireless power transmission： design， analysis and experiment ［J］. Computers in Biology and Medicine ， 2015 ， 66 ： 343 - 351 .

GAO J Y ， YAN G Z ， WANG Z W ， et al . Design and testing of a motor-based capsule robot powered by wireless power transmission ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2016 ， 21 （ 2 ）： 683 - 693 .

KHAN S R ， PAVULURI S K ， CUMMINS G ， et al . Miniaturized 3-D cross-type receiver for wirelessly powered capsule endoscopy ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2019 ， 67 （ 5 ）： 1985 - 1993 .

XIN W H ， YAN G Z ， WANG W X . Study of a wireless power transmission system for an active capsule endoscope ［J］. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery ， 2010 ， 6 （ 1 ）： 113 - 122 .

CHEN W ， YAN G ， HE S ， et al . Wireless powered capsule endoscopy for colon diagnosis and treatment ［J］. Physiological Measurement ， 2013 ， 34 （ 11 ）： 1545 - 1561 .

庄浩宇，颜国正，赵凯，等 . 用于肠道机器人的螺旋式平板发射线圈对设计［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 1 ）： 84 - 90 .

ZHUANG H Y ， YAN G ZH ， ZHAO K ， et al . Design of spiral flat transmitting coil pair for intestinal robot ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 1 ）： 84 - 90 . （in Chinese）

浏览量

615

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

多维无线能量传输系统的设计与优化