胶囊机器人驱动磁场的建模与测量
发布时间：2021-11-12 04:07
随着微创和无创诊疗技术的发展,磁控胶囊机器人成为了胃肠道内窥镜医疗领域的研究热点,在胃肠道实时诊断和治疗中具有广大的应用前景。本文对外部径向充磁永磁体空间磁场分布规律开展研究,采用等效磁荷法建立了磁场数学模型,并在MATLAB中编程对磁感应强度进行数值计算,且基于ANSYS软件建立了数值仿真模型。开发了胶囊机器人驱动系统和霍尔式磁感应强度测量系统,实现对环形永磁体旋转时径向磁感应强度的测量。实验结果与理论计算、数值仿真结果吻合较好,验证了模型的准确性和可靠性。本研究揭示了环形永磁体外部磁感应强度分布规律,发展了磁场测量和预测的方法,为永磁体磁性参数的确定与优化、胶囊机器人的磁驱系统建模和运动控制研究奠定了基础。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
径向磁感应强度与方位角的关系
此外,为了进一步校验理论模型,提高永磁体空间磁场计算的便利性和可靠性,本文采用ANSYS有限元软件电磁模块对永磁体磁场分布进行了数值仿真。ANSYS磁场分析有3种方法,磁标势法,磁矢势法和棱边法,本文选用静磁场仿真模块,采用磁标势法,模拟时选取的永磁体长度、直径等几何参数,磁导率、矫顽力等磁性参数均与实验相同。在有限元仿真建模中,需要在永磁体外围施加空气结构,此空气结构的大小会影响分析结果的准确性。仿真后处理得到径向充磁环形永磁体中间横截面上的磁力线分布如图9所示,可以得到空间磁感应强度大小和方向,从图9中的磁力线分布疏密和方向等可以判断N极和S极呈上下分开,以及永磁体内外磁场强度的分布规律。通过与实验测量结果、理论计算结果校验,优化磁场有限元仿真参数,得到可靠的计算模型,这将为异形永磁体、永磁体系等复杂空间磁场的计算仿真提供指导。通过实验测量、理论分析和有限元仿真,揭示了径向充磁环形永磁体径向磁感应强度随着空间距离a增加而衰减的变化规律,磁感应强度的正峰值和负峰值与距离a的关系如图10和图11所示。随着距离a从3.5～10.5 mm,磁场峰值的绝对值逐渐减小,且呈现非线性关系,这将帮助确定和优化磁驱胶囊机器人系统外部驱动模块与胶囊之间的距离关系,从而精准地控制胶囊机器人的位置和运动。从图10～11可以看出,ANSYS有限元仿真结果与实验测量、理论预测结果吻合较好,正峰值实验结果与理论结果误差范围在0.4%。负峰值实验测量的磁场绝对值小于理论计算结果,最大误差范围在4.3%,这主要是永磁体本身的加工缺陷、充磁非对称性等导致。有限元结果与实验测量结果存在一定误差,这主要是受到永磁体材料参数和有限元模型参数等因素的影响。
通过实验测量、理论分析和有限元仿真,揭示了径向充磁环形永磁体径向磁感应强度随着空间距离a增加而衰减的变化规律,磁感应强度的正峰值和负峰值与距离a的关系如图10和图11所示。随着距离a从3.5～10.5 mm,磁场峰值的绝对值逐渐减小,且呈现非线性关系,这将帮助确定和优化磁驱胶囊机器人系统外部驱动模块与胶囊之间的距离关系,从而精准地控制胶囊机器人的位置和运动。从图10～11可以看出,ANSYS有限元仿真结果与实验测量、理论预测结果吻合较好,正峰值实验结果与理论结果误差范围在0.4%。负峰值实验测量的磁场绝对值小于理论计算结果,最大误差范围在4.3%,这主要是永磁体本身的加工缺陷、充磁非对称性等导致。有限元结果与实验测量结果存在一定误差,这主要是受到永磁体材料参数和有限元模型参数等因素的影响。图11 磁感应强度负峰值与永磁体霍尔传感器距离的关系
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁导航技术的发展与临床应用[J]. 卢云,杨树建. 科学通报. 2020(13)
[2]磁场与肿瘤转移研究进展[J]. 冯爽,李俊,纪新苗,胡立江,张欣. 生物学杂志. 2020(02)
[3]无线胶囊内窥镜新型接收线圈结构设计与分析方法[J]. 邝帅,颜国正,王志武,姜萍萍,韩玎. 仪器仪表学报. 2019(11)
[4]基于等效磁荷法的同轴圆形磁体磁力简化计算[J]. 白凤仙,马军红,董维杰. 磁性材料及器件. 2018(06)
[5]胶囊内镜的历史与发展[J]. 吴姗,戈之铮. 中国实用内科杂志. 2018(04)
[6]环形磁铁空间磁场的解析计算与仿真[J]. 王瑞凯,左洪福,吕萌. 航空计算技术. 2011(05)
[7]永磁体磁特性参数测量分析方法的研究[J]. 王臣,梁国君,杨文英,翟国富. 机电元件. 2009(02)
[8]一种永磁轴承的设计和磁场分布的解析计算[J]. 李群明,万梁,段吉安. 中南大学学报(自然科学版). 2006(05)
[9]用等效磁荷法计算永磁体磁场[J]. 李景天,宋一得,郑勤红,刘剑虹. 云南师范大学学报(自然科学版). 1999(02)
[10]磁场计算中的等效磁荷法[J]. 王树萱,贾义侠. 太原重型机械学院学报. 1990(03)
本文编号：3490135
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
径向磁感应强度与方位角的关系
此外,为了进一步校验理论模型,提高永磁体空间磁场计算的便利性和可靠性,本文采用ANSYS有限元软件电磁模块对永磁体磁场分布进行了数值仿真。ANSYS磁场分析有3种方法,磁标势法,磁矢势法和棱边法,本文选用静磁场仿真模块,采用磁标势法,模拟时选取的永磁体长度、直径等几何参数,磁导率、矫顽力等磁性参数均与实验相同。在有限元仿真建模中,需要在永磁体外围施加空气结构,此空气结构的大小会影响分析结果的准确性。仿真后处理得到径向充磁环形永磁体中间横截面上的磁力线分布如图9所示,可以得到空间磁感应强度大小和方向,从图9中的磁力线分布疏密和方向等可以判断N极和S极呈上下分开,以及永磁体内外磁场强度的分布规律。通过与实验测量结果、理论计算结果校验,优化磁场有限元仿真参数,得到可靠的计算模型,这将为异形永磁体、永磁体系等复杂空间磁场的计算仿真提供指导。通过实验测量、理论分析和有限元仿真,揭示了径向充磁环形永磁体径向磁感应强度随着空间距离a增加而衰减的变化规律,磁感应强度的正峰值和负峰值与距离a的关系如图10和图11所示。随着距离a从3.5～10.5 mm,磁场峰值的绝对值逐渐减小,且呈现非线性关系,这将帮助确定和优化磁驱胶囊机器人系统外部驱动模块与胶囊之间的距离关系,从而精准地控制胶囊机器人的位置和运动。从图10～11可以看出,ANSYS有限元仿真结果与实验测量、理论预测结果吻合较好,正峰值实验结果与理论结果误差范围在0.4%。负峰值实验测量的磁场绝对值小于理论计算结果,最大误差范围在4.3%,这主要是永磁体本身的加工缺陷、充磁非对称性等导致。有限元结果与实验测量结果存在一定误差,这主要是受到永磁体材料参数和有限元模型参数等因素的影响。
通过实验测量、理论分析和有限元仿真,揭示了径向充磁环形永磁体径向磁感应强度随着空间距离a增加而衰减的变化规律,磁感应强度的正峰值和负峰值与距离a的关系如图10和图11所示。随着距离a从3.5～10.5 mm,磁场峰值的绝对值逐渐减小,且呈现非线性关系,这将帮助确定和优化磁驱胶囊机器人系统外部驱动模块与胶囊之间的距离关系,从而精准地控制胶囊机器人的位置和运动。从图10～11可以看出,ANSYS有限元仿真结果与实验测量、理论预测结果吻合较好,正峰值实验结果与理论结果误差范围在0.4%。负峰值实验测量的磁场绝对值小于理论计算结果,最大误差范围在4.3%,这主要是永磁体本身的加工缺陷、充磁非对称性等导致。有限元结果与实验测量结果存在一定误差,这主要是受到永磁体材料参数和有限元模型参数等因素的影响。图11 磁感应强度负峰值与永磁体霍尔传感器距离的关系
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁导航技术的发展与临床应用[J]. 卢云,杨树建. 科学通报. 2020(13)
[2]磁场与肿瘤转移研究进展[J]. 冯爽,李俊,纪新苗,胡立江,张欣. 生物学杂志. 2020(02)
[3]无线胶囊内窥镜新型接收线圈结构设计与分析方法[J]. 邝帅,颜国正,王志武,姜萍萍,韩玎. 仪器仪表学报. 2019(11)
[4]基于等效磁荷法的同轴圆形磁体磁力简化计算[J]. 白凤仙,马军红,董维杰. 磁性材料及器件. 2018(06)
[5]胶囊内镜的历史与发展[J]. 吴姗,戈之铮. 中国实用内科杂志. 2018(04)
[6]环形磁铁空间磁场的解析计算与仿真[J]. 王瑞凯,左洪福,吕萌. 航空计算技术. 2011(05)
[7]永磁体磁特性参数测量分析方法的研究[J]. 王臣,梁国君,杨文英,翟国富. 机电元件. 2009(02)
[8]一种永磁轴承的设计和磁场分布的解析计算[J]. 李群明,万梁,段吉安. 中南大学学报(自然科学版). 2006(05)
[9]用等效磁荷法计算永磁体磁场[J]. 李景天,宋一得,郑勤红,刘剑虹. 云南师范大学学报(自然科学版). 1999(02)
[10]磁场计算中的等效磁荷法[J]. 王树萱,贾义侠. 太原重型机械学院学报. 1990(03)
本文编号：3490135
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