用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置

摘要

本发明涉及弱耦合无线电能传输系统的发射线圈，具体是一种用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置。本发明解决了现有弱耦合无线电能传输系统的发射线圈功耗高、控制难度大、不利于机器人的微型化的问题。用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置，包括二维发射线圈、旋转驱动装置、驱动控制装置；所述二维发射线圈包括滚筒、两个支座、两组滚珠、大齿轮、两个轴向线圈、两个径向圆环、两个径向线圈；所述旋转驱动装置包括安装座、步进电机、转轴、主动同步带轮、从动同步带轮、同步带、小齿轮；所述驱动控制装置包括直流电源、第I逆变器、第II逆变器、步进电机驱动器、单片机。本发明适用于弱耦合无线电能传输系统。

说明书

技术领域

本发明涉及弱耦合无线电能传输系统的发射线圈，具体是一种用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置。

背景技术

肠道微型机器人是实现肠道疾病无创诊查的理想器件之一，它经口腔或肛门进入人体肠道，可在肠道中主动运动，并采集肠道内腔图像供诊断之用。肠道微型机器人在肠道中运动时，其电能供给通常采用弱耦合无线电能传输系统来实现。弱耦合无线电能传输系统由耦合系数很小的发射线圈（位于人体外）和接收线圈（集成在肠道微型机器人上）组成。工作时，发射线圈激发交变磁场，接收线圈感应交变磁场能量，由此实现肠道微型机器人的电能供给。肠道微型机器人在肠道中运动时，其姿态任意变化，导致接收线圈的姿态也随之变化。为了确保接收线圈在任意姿态下均能感应交变磁场能量，现有弱耦合无线电能传输系统的发射线圈主要采用两种结构：第一种结构是三维发射线圈。三维发射线圈包含三个维度的线圈，其能够在三维空间内激发任意方向的交变磁场，由此使得接收线圈在任意姿态下均能感应交变磁场能量。三维发射线圈存在的问题是：需要对三个维度的线圈进行同步驱动和控制，由此导致功耗高、控制难度大。第二种结构是一维发射线圈。一维发射线圈仅包含一个维度的线圈，其仅能够激发单一方向的交变磁场，因此其必需和三维接收线圈（三维接收线圈包含三个维度的线圈，其在任意姿态下均能感应交变磁场能量）进行组合。然而，三维接收线圈体积较大，不利于机器人的微型化。基于此，有必要发明一种全新的发射线圈，以解决现有弱耦合无线电能传输系统的发射线圈功耗高、控制难度大、不利于机器人的微型化的问题。

发明内容

本发明为了解决现有弱耦合无线电能传输系统的发射线圈功耗高、控制难度大、不利于机器人的微型化的问题，提供了一种用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置，包括二维发射线圈、旋转驱动装置、驱动控制装置；

所述二维发射线圈包括滚筒、两个支座、两组滚珠、大齿轮、两个轴向线圈、两个径向圆环、两个径向线圈；

滚筒的两端端面外圈各延伸设置有一个圆环形凸台A；每个支座均包括一个轴向圆环，轴向圆环的外侧面首端下部延伸设置有一个倒U形支架，轴向圆环的尾端端面内圈延伸设置有一个圆环形凸台B；两个轴向圆环的外侧面尾端分别与两个圆环形凸台A的内侧面间隙配合，且两个轴向圆环的尾端端面外圈与滚筒的两端端面内圈之间形成有两个圆环形通道；两个倒U形支架相互正对；每组滚珠均包括多个滚珠；两组滚珠分别滚动嵌设于两个圆环形通道内；大齿轮固定装配于其中一个圆环形凸台A的外侧面；两个轴向线圈分别缠绕于滚筒的外侧面两端；两个径向圆环均固定于滚筒的外侧面，且两个径向圆环均位于两个轴向线圈之间；两个径向圆环的轴线重合，且两个径向圆环的轴线均与滚筒的轴线垂直相交；两个径向线圈分别缠绕于两个径向圆环的外侧面；

所述旋转驱动装置包括安装座、步进电机、转轴、主动同步带轮、从动同步带轮、同步带、小齿轮；

安装座包括水平底板和纵向立板；纵向立板的下端面与水平底板的上板面中部固定为一体；纵向立板的上端面右后部延伸设置有纵向耳板A；纵向立板的上端面左前部和上端面右前部各延伸设置有一个纵向耳板B；步进电机的机座固定于纵向耳板A的右板面，且步进电机的输出轴转动贯穿纵向耳板A；转轴的两端分别转动支撑于两个纵向耳板B上；主动同步带轮固定装配于步进电机的输出轴上；从动同步带轮固定装配于转轴上；同步带同时装配于主动同步带轮和从动同步带轮上；小齿轮固定装配于转轴上，且小齿轮与大齿轮啮合；

所述驱动控制装置包括直流电源、第I逆变器、第II逆变器、步进电机驱动器、单片机、无线接收模块；

第I逆变器的输入端与直流电源的输出端连接；第I逆变器的输出端分别与两个轴向线圈的输入端连接；第II逆变器的输入端与直流电源的输出端连接；第II逆变器的输出端分别与两个径向线圈的输入端连接；步进电机驱动器的输入端与直流电源的输出端连接；步进电机驱动器的输出端与步进电机的输入端连接；单片机的电源端与直流电源的输出端连接；单片机的输出端分别与第I逆变器的控制端、第II逆变器的控制端、步进电机驱动器的控制端连接；无线接收模块的电源端与直流电源的输出端连接；无线接收模块的输出端与单片机的输入端连接。

工作时，本发明和一维接收线圈（集成在肠道微型机器人上）组成弱耦合无线电能传输系统。具体工作过程如图5所示：在初始状态下，直流电源一方面通过第I逆变器向两个轴向线圈通入交变电流，另一方面通过第II逆变器向两个径向线圈通入交变电流，由此一方面使得两个轴向线圈激发沿OX轴方向的交变磁场，另一方面使得两个径向线圈激发沿OY轴方向的交变磁场，从而在OXY平面内激发交变磁场（该交变磁场由沿OX轴方向的交变磁场和沿OY轴方向的交变磁场共同合成）。与此同时，直流电源通过步进电机驱动器向步进电机供电。当肠道微型机器人在肠道中运动时，无线接收模块实时接收一维接收线圈的姿态信息，并将姿态信息实时发送至单片机。单片机根据姿态信息实时生成控制信号，并将控制信号实时发送至第I逆变器、第II逆变器、步进电机驱动器，由此实时调整两个轴向线圈和两个径向线圈中交变电流的幅值和相位、步进电机的转动角度。通过调整两个轴向线圈和两个径向线圈中交变电流的幅值和相位，即能够在OXY平面内激发任意方向的交变磁场。通过调整步进电机的转动角度，即能够调整两个径向线圈绕OX轴的转动角度（步进电机依次通过主动同步带轮、同步带、从动同步带轮、转轴、小齿轮、大齿轮、滚筒带动两个径向线圈绕OX轴进行转动），由此在三维空间内激发任意方向的交变磁场，从而使得交变磁场的方向始终与一维接收线圈的轴线重合，进而确保一维接收线圈在任意姿态下均能感应交变磁场能量。在上述过程中，两组滚珠的作用是减小滚筒的转动阻力。同步带的作用是使步进电机远离两个轴向线圈和两个径向线圈，由此避免增加两个轴向线圈和两个径向线圈的等效内阻。

基于上述过程，与现有弱耦合无线电能传输系统的发射线圈相比，本发明所述的用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，与三维发射线圈相比，本发明仅包含两个维度的线圈（轴向线圈和径向线圈），且同样能够在三维空间内激发任意方向的交变磁场，因此其仅需要对两个维度的线圈进行同步驱动和控制，由此使得功耗更低、控制难度更小。其二，与一维发射线圈相比，本发明能够在三维空间内激发任意方向的交变磁场，因此其仅需要和一维接收线圈进行组合。相较于三维接收线圈，一维接收线圈的体积更小，因此更有利于机器人的微型化。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有弱耦合无线电能传输系统的发射线圈功耗高、控制难度大、不利于机器人的微型化的问题，适用于弱耦合无线电能传输系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中二维发射线圈的结构示意图。

图3是本发明中旋转驱动装置的结构示意图。

图4是本发明中驱动控制装置的结构示意图。

图5是本发明在三维空间内激发任意方向的交变磁场的原理示意图。

图中：1-二维发射线圈，2-旋转驱动装置，3-驱动控制装置，101-滚筒，102-支座，103-滚珠，104-大齿轮，105-轴向线圈，106-径向圆环，107-径向线圈，201-安装座，202-步进电机，203-转轴，204-主动同步带轮，205-从动同步带轮，206-同步带，207-小齿轮，301-直流电源，302-第I逆变器，303-第II逆变器，304-步进电机驱动器，305-单片机，306-无线接收模块。

具体实施方式

用于弱耦合无线电能传输系统的二维旋转式发射线圈装置，包括二维发射线圈1、旋转驱动装置2、驱动控制装置3；

所述二维发射线圈1包括滚筒101、两个支座102、两组滚珠103、大齿轮104、两个轴向线圈105、两个径向圆环106、两个径向线圈107；

滚筒101的两端端面外圈各延伸设置有一个圆环形凸台A；每个支座102均包括一个轴向圆环，轴向圆环的外侧面首端下部延伸设置有一个倒U形支架，轴向圆环的尾端端面内圈延伸设置有一个圆环形凸台B；两个轴向圆环的外侧面尾端分别与两个圆环形凸台A的内侧面间隙配合，且两个轴向圆环的尾端端面外圈与滚筒101的两端端面内圈之间形成有两个圆环形通道；两个倒U形支架相互正对；每组滚珠103均包括多个滚珠；两组滚珠分别滚动嵌设于两个圆环形通道内；大齿轮104固定装配于其中一个圆环形凸台A的外侧面；两个轴向线圈105分别缠绕于滚筒101的外侧面两端；两个径向圆环106均固定于滚筒101的外侧面，且两个径向圆环106均位于两个轴向线圈105之间；两个径向圆环106的轴线重合，且两个径向圆环106的轴线均与滚筒101的轴线垂直相交；两个径向线圈107分别缠绕于两个径向圆环106的外侧面；

所述旋转驱动装置2包括安装座201、步进电机202、转轴203、主动同步带轮204、从动同步带轮205、同步带206、小齿轮207；

安装座201包括水平底板和纵向立板；纵向立板的下端面与水平底板的上板面中部固定为一体；纵向立板的上端面右后部延伸设置有纵向耳板A；纵向立板的上端面左前部和上端面右前部各延伸设置有一个纵向耳板B；步进电机202的机座固定于纵向耳板A的右板面，且步进电机202的输出轴转动贯穿纵向耳板A；转轴203的两端分别转动支撑于两个纵向耳板B上；主动同步带轮204固定装配于步进电机202的输出轴上；从动同步带轮205固定装配于转轴203上；同步带206同时装配于主动同步带轮204和从动同步带轮205上；小齿轮207固定装配于转轴203上，且小齿轮207与大齿轮104啮合；

所述驱动控制装置3包括直流电源301、第I逆变器302、第II逆变器303、步进电机驱动器304、单片机305、无线接收模块306；

第I逆变器302的输入端与直流电源301的输出端连接；第I逆变器302的输出端分别与两个轴向线圈105的输入端连接；第II逆变器303的输入端与直流电源301的输出端连接；第II逆变器303的输出端分别与两个径向线圈107的输入端连接；步进电机驱动器304的输入端与直流电源301的输出端连接；步进电机驱动器304的输出端与步进电机202的输入端连接；单片机305的电源端与直流电源301的输出端连接；单片机305的输出端分别与第I逆变器302的控制端、第II逆变器303的控制端、步进电机驱动器304的控制端连接；无线接收模块306的电源端与直流电源301的输出端连接；无线接收模块306的输出端与单片机305的输入端连接。

具体实施时，滚筒101、两个支座102、两组滚珠103、大齿轮104、两个径向圆环106、安装座201、转轴203、主动同步带轮204、从动同步带轮205、同步带206、小齿轮207均采用非金属材料制成。工作时，上述部件之所以采用非金属材料制成，是为了避免增加两个轴向线圈和两个径向线圈的等效内阻。