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新型三维组合式发射线圈的设计与实验

仪器仪表学报 2024年

作者：文人庆邝帅颜国正韩玎姜萍萍上海交通大学电子信息与电气工程学院上海智慧戒毒与康复工程技术研究中心上海交通大学生物医学工程学院

多维无线电力传输是胃肠道胶囊机器人发展的关键。为了解决新型胶囊机器人功能不断增加，而传统三维接收线圈占用内部空间过大的问题，本文提出了一种三维组合式发射线圈，能够通过调制通过各维线圈的电流来产生动态的三维磁场。本文首... 详细信息

多维无线电力传输是胃肠道胶囊机器人发展的关键。为了解决新型胶囊机器人功能不断增加，而传统三维接收线圈占用内部空间过大的问题，本文提出了一种三维组合式发射线圈，能够通过调制通过各维线圈的电流来产生动态的三维磁场。本文首先介绍了无线供能系统的工作原理，然后对发射系统产生的空间磁场进行了有限元分析。最后利用搭建的实验平台进行实验，验证了仿真结果的准确性并确定了接收线圈感应最大接受电压的姿态。试验结果表明，当发射系统在中心点处产生相等的三维磁场分量时，负载接收能量超过630mW。此外，发射系统附近边缘区域的位置稳定性超过80%，确保胶囊机器人能够平稳的运行。

关键词：胃肠道胶囊机器人无线能量传输系统三维发射线圈功率传输稳定性接收功率

“抗帕颗粒”通过PINK1/Parkin信号通路对帕金森小鼠结肠ICC线粒体自噬的影响

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脑与神经疾病杂志 2024年第6期32卷 392-396,F0003页

作者：王思思王永兵刘慧琴杨娟颜国正赵晓晖上海市浦东新区人民医院神经内科上海201200 上海市浦东新区人民医院普外科上海201200 上海交通大学

目的探讨“抗帕颗粒”通过PINK1/Parkin信号通路对帕金森(PD)小鼠结肠Cajal间质细胞(ICC)线粒体自噬的影响。方法 MPTP腹腔注射技术用于制作PD小鼠模型,将其随机分为A组(空白对照组)、B组(PD对照组)和C组(PD “抗帕颗粒”组),每组10只... 详细信息

目的探讨“抗帕颗粒”通过PINK1/Parkin信号通路对帕金森(PD)小鼠结肠Cajal间质细胞(ICC)线粒体自噬的影响。方法 MPTP腹腔注射技术用于制作PD小鼠模型,将其随机分为A组(空白对照组)、B组(PD对照组)和C组(PD “抗帕颗粒”组),每组10只。A组和B组接受生理盐水灌胃(1mL·d^(-1)),C组“抗帕颗粒”(40mg·kg^(-1)·d^(-1))的灌胃治疗。4个月后每组中随机取5只小鼠结肠组织被用于免疫组化检测,每组余下5只小鼠结肠壁组织被用于提取蛋白Western blotting法检测,检测项目为PINK1、Parkin的表达;透射电子显微镜观测结肠壁ICC细胞自噬情况。结果(1)经过免疫组化检测,B组和C组的PINK1和Parkin表达水平较A组显著上升(P <0.01);而C组的PINK1和Parkin表达水平较B组则显著下降(P<0.01);(2)经过Western blot检测,与A组相比,B组和C组的PINK1和Parkin表达水平均显著提高(P<0.01);最后,经过与B组对比分析,发现C组PINK1的表达水平没有明显变化,而Parkin的表达水平却有所下降(P<0.05);(3)透射电子显微镜观察发现,PD模型小鼠结肠ICC中存在自噬囊泡,“抗帕颗粒”干预后,这种囊泡的数量明显减少。结论 “抗帕颗粒”通过抑制PD小鼠肠道ICC过度自噬,保护细胞结构;PINK1/Parkin途径是实现这种神经保护作用的通路。

关键词：帕金森病 “抗帕颗粒” 结肠ICC细胞自噬 PINK1/Parkin

肠道机器人无线供能的混合式三维发射线圈特性研究

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上海交通大学学报 2023年第5期57卷 545-551页

作者：庄浩宇颜国正费倩汪炜赵凯上海交通大学电子信息与电气工程学院医疗机器人研究院上海200240

在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑... 详细信息

在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑并可利用自身的对称性,能够通过旋转产生无死区的三维空间磁场.对两种线圈形式的特性以及组合后的特性分别进行分析.仿真和实验结果表明,在2 A电流激励下,在线圈中心处具有最低3.44%的传输效率和1 204 mW的接收功率,位置均匀性最低为88.1%,能够实现能量的空间三维覆盖.

关键词：肠道机器人三维能量发射线圈近场无线能量传输磁耦合谐振

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多维无线能量传输系统的设计与优化

光学精密工程 2023年第15期31卷 2218-2226页

作者：吴劲斌颜国正文人庆王志武庄浩宇上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输,减小接收线圈的绕制维度、体积与产热,设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向,同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯,其线圈间距也可根... 详细信息

为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输,减小接收线圈的绕制维度、体积与产热,设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向,同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯,其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整,减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型,通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高,最后通过搭建实验平台进行测试,优化了单维接收线圈的参数,同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明,在线径为0.05 mm的条件下,所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12,优化后的匝数为120。当发射电压为15 V,发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1578 mW,能量传输效率为3.85%。该系统在300~500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。

关键词：无线能量传输胶囊机器人发射线圈接收线圈

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用于胃肠道机器人的C型组合式无线能量发射线圈的设计与实验

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仪器仪表学报 2022年第9期43卷 255-265页

作者：汪佐儿王志武汪炜庄浩宇颜国正上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海智慧戒毒与康复工程技术研究中心上海200240

现有适用于胃肠道机器人的无线能量传输系统的能量传输效率低、接收功率低且接收能量的位置均匀性差,无法满足功能复杂的新型胃肠道机器人的能量需求。本文提出了一种新型C型组合式发射线圈结构,通过有限元仿真分析供能单元组的磁感应... 详细信息

现有适用于胃肠道机器人的无线能量传输系统的能量传输效率低、接收功率低且接收能量的位置均匀性差,无法满足功能复杂的新型胃肠道机器人的能量需求。本文提出了一种新型C型组合式发射线圈结构,通过有限元仿真分析供能单元组的磁感应强度大小和位置均匀性,确定供能单元组中线圈对间距的实验优化范围。最后搭建实验平台,优化供能单元组中线圈对间距,通过系统的能量传输效率、接收功率以及接收功率的位置均匀度对设计进行评估与验证。实验结果表明:当线圈对间距为150 mm时,中心位置的接收功率为1165.34 mW,系统的能量传输效率为6.08%。系统的平均功率约为1100 mW,平均能量传输效率达6%以上,接收功率的平均位置均匀度达94%。新型C型结构磁芯以及采用同一时刻只有一个供能单元组工作的组合式线圈结构,极大地改善了系统的接收功率与能量传输效率,并有较高的接收能量的位置均匀性。

关键词：胃肠道机器人无线能量传输系统无线能量发射线圈供能单元组位置均匀度

驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型与实验分析

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上海交通大学学报 2013年第4期47卷 656-662页

作者：林蔚颜国正上海交通大学医学精密工程及智能系统研究所上海200240

为获得驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的主要设计参数范围,采用超弹性应力-应变本构方程描述肠道的生物力学特性,推导了驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型.针对伸缩机构,根据临界步距模型中的速度-阻力关系系数,设计了光滑外壁... 详细信息

为获得驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的主要设计参数范围,采用超弹性应力-应变本构方程描述肠道的生物力学特性,推导了驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型.针对伸缩机构,根据临界步距模型中的速度-阻力关系系数,设计了光滑外壁的单舱体机器人模型实验,采用不同直径的离体肠道进行测试;为获取驻留机构设计参数,采用足模型测试了同一直径下不同足伸出长度的驻留力.将获得的机器人参数返回到数学模型中,导出了若干机器人设计准则.最后采用机器人样机的离体实验,验证了临界步距模型的有效性.

关键词：胃肠道机器人超弹性本构模型临界步距离体实验

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能的优化

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仪器仪表学报 2022年第8期43卷 140-146页

作者：华芳芳颜国正王立超柴川页肖敦玺上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海交通大学医疗机器人研究院上海200240 上海智慧戒毒与康复工程技术研究中心上海200240

现有人工肛门括约肌系统均缺乏一种稳定、长期且安全的能量供给途径,大大降低了其在医疗中的实用价值,本文介绍的人工肛门括约肌系统采用了满足人体安全性要求的经皮无线供能来实现系统的能量供给。本文结合双轴驱动式人造肛门括约肌系... 详细信息

现有人工肛门括约肌系统均缺乏一种稳定、长期且安全的能量供给途径,大大降低了其在医疗中的实用价值,本文介绍的人工肛门括约肌系统采用了满足人体安全性要求的经皮无线供能来实现系统的能量供给。本文结合双轴驱动式人造肛门括约肌系统,主要针对现有经皮无线供能存在的传输距离较短、发热较严重等问题,对现有线圈的线径、匝数、铁芯形状、线圈结构以及发射线圈和接收线圈之间的传输距离等参数进行优化。实验结果表明,经优化后经皮无线供能系统在传输距离为20 mm时,传输效率可达到77.64%,传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到52.59%。而优化后的发射线圈充电温度降低了55.6%。优化后的参数即满足双轴驱动式人造肛门括约肌系统性能要求,亦为以后研究工作的开展提供理论基础与数据支持。

关键词：人造肛门括约肌经皮供能传输效率

新型胃肠道机器人无线能量传输系统的设计与实现

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上海交通大学学报 2022年第8期56卷 1057-1066页

作者：付文浩姜萍萍颜国正彭羽其费倩庄浩宇上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海交通大学上海智慧戒毒与康复工程技术研究中心上海200240

为确保微型胃肠道机器人在人体内部稳定运行,研制了一种新型无线供能系统.该系统基于电磁场谐振原理,参考电磁场理论计算和纺锤形三维接收线圈模型的优化结果,并创新性地结合了肠道机器人的工作能耗、姿态稳定性、供能稳定性、尺寸设计... 详细信息

为确保微型胃肠道机器人在人体内部稳定运行,研制了一种新型无线供能系统.该系统基于电磁场谐振原理,参考电磁场理论计算和纺锤形三维接收线圈模型的优化结果,并创新性地结合了肠道机器人的工作能耗、姿态稳定性、供能稳定性、尺寸设计等要求.其中,发射线圈采用4组螺线管线圈产生均匀交变磁场,优化后的发射线圈通过与集成于肠道机器人内部的接收线圈互感,可产生稳定大于500 mW的能量用于机器人工作.经过相关实验验证,该无线供能系统的性能满足机器人在肠道内复杂环境的工作需求.

关键词：无线能量传输三维接收线圈组合螺线管式发射线圈

基于几何法的管道焊缝扫查七关节机器人逆运动学分析

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中国机械工程 2005年第1期16卷 20-23页

作者：鄢波颜国正上海交通大学上海200030

设计了一种在线夹持式的相贯线扫查冗余机器人,可用于核工业插接管道焊缝的超声探伤。对该机器人进行了运动学分析,通过几何法和D-H矩阵变换求解了机器人关节空间内的逆运动学问题,得到了任务空间中基于管道扫查特征参数的关节变量表达... 详细信息

设计了一种在线夹持式的相贯线扫查冗余机器人,可用于核工业插接管道焊缝的超声探伤。对该机器人进行了运动学分析,通过几何法和D-H矩阵变换求解了机器人关节空间内的逆运动学问题,得到了任务空间中基于管道扫查特征参数的关节变量表达式,为相贯线扫描路径参数的在线优化提供了设计途径。分析结果和方法可普遍适用于插接管道在线作业机器人的轨迹规划。

关键词：相贯线机器人运动学焊缝