CN103070699A

CN103070699A - 一种微小型肠道机器人无线智能充电器

Info

Publication number: CN103070699A
Application number: CN2012105847956A
Authority: CN
Inventors: 魏巍; 任晓亮; 张武; 李晓飞; 郭书祥; 郭健; 宋长宝
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-05-01

Abstract

一种无线智能充电器包括：发射端、接收端、X光透视仪、图像处理设备、单片机、充电平台、二维步进滑台。发射端有充电器线圈及供电电源组成，接收端为微小型肠道机器人的感应线圈。X光透视仪负责采集机器人的图像，经图像处理设备处理后传输给单片机，用于单片机定位机器人位置即机器人的X坐标和Y坐标，并通过控制X和Y两个方向的步进电机操作二维步进滑台，带动发射端功率线圈，使其与机器人的感应线圈保持一定的耦合面积，完成高效率智能充电。该充电器采用无线充电方式，技术含量高，能安全有效地为肠道机器人充电，操作可行性高，同时具有能耗低、可靠性好等优点。

Description

一种微小型肠道机器人无线智能充电器

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，特别涉及一种应用于微小型肠道机器人的充电器，该充电器立足于节能、高效、智能化无线充电。

背景技术

微小型肠道机器人用于在人体肠道内探伤、定点修复，其电源问题一直是其发展的瓶颈。有缆充电方式制约了管道机器人的微型化，而无线充电恰能为肠道机器人的电源问题提供了解决方案。

无线充电技术是完全不借助电线，利用电磁耦合为设备充电的技术。无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但是它具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。

发明内容

本发明目的是解决微小型肠道机器人的电源问题，提供一种针对微小型肠道机器人的无线智能充电器。

本发明提供的微小型肠道机器人无线智能充电器包括：发射端、接收端、X光透视仪、单片机、图像处理设备、充电平台、二维步进滑台（导轨）；

发射端有充电器的线圈及供电电源组成，接收端为机器人的感应线圈；

X光透视仪负责采集机器人的图像，经图像处理设备处理后传输给单片机，用于单片机定位机器人位置即机器人的X坐标和Y坐标，并通过控制X和Y两个方向的步进电机操作二维步进滑台，带动发射端功率线圈，使其与机器人的感应线圈保持一定的耦合面积，完成高效率智能充电。

充电器待机状态处于休眠状态，当有机器人在充电平台上，图像处理设备给单片机发送外部中断信号，单片机响应外部中断后立刻唤醒，从休眠状态进入工作状态；检测功率减小到某一固定值后，充电过程结束，单片机切断电源，进入休眠状态等待再次充电。

本发明的设计特点

本发明充电器采用飞思卡尔型号为XS128低功耗单片机作为控制器，控制充电过程，在程序设计中进行低功耗设计，即在没有外部中断唤醒的情况下，控制器处于休眠状态，功耗几乎为零。

为了提高充电效率，本发明申请人在高频信号方面做了大量实验，最终采用固定4MHz的晶振，在控制器的驱动下产生高频PWM波形，有源晶振输出的方波经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的功率放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去，为接收部分提供能量。在功率输出线圈部分，本发明采用了电磁共振技术，将磁场能放大，达到远距离高效率的传送。

本发明还采用了高精度步进滑台与X光透视仪采集图像来确保接收端线圈与发射端线圈能100%的耦合，最终达到高效率能量传送。

本发明的优点和积极效果：

1.本发明主控芯片采用了具有较强发展潜力的处理器XS128芯片，该芯片具有能耗低、可靠性好、性价比高等优点；

2.采用无线充电方式，技术含量高，能安全有效地为微小型肠道机器人充电，操作方便；

3.充电器采用滑台定位、智能适配技术，能够实现发射端跟接收端百分之百的智能化对准，完成高效率的充电过程；

4.由于无线充电技术在小功率的范围内可以显示出它的优越性，完全能够为微小型肠道机器人提供所需电源。本发明立足于微小型机器人的无线智能充电，具备一定的创新性。

附图说明

图1是无线智能充电器整体结构框图。

图2是充电器组成示意图。

图3是发射端电路原理图。

图4是接收端电路原理图。

具体实施方式

实施例1：

一、无线智能充电器的构成

如图1所示，本发明提供的微小型肠道机器人无线智能充电器包括：发射端、接收端、X光透视仪、图像处理设备、单片机、充电平台、二维步进滑台（导轨）；机器人的感应线圈有四个线圈组成圆柱形结构，保证在充电平台上机器人姿态如何变化都能与发射端线圈保持一定面积的耦合。

如图2所示，患者躺在充电平台上检查肠道，当肠道机器人在人体肠道中时，通过X光透视仪采集图像，并传输给单片机，得到肠道机器人的坐标位置，单片机通过控制X和Y两个方向的步进电机操作二维步进滑台带动发射端的线圈，使发射端的线圈和机器人的感应线圈耦合，完成高效率的充电过程。充电完成后，机器人进行后续工作。

如图3所示，发射端利用XR-2206设计频率范围为100Hz~950KHz、扫频控制电压为-9~+9V的正弦波发生器。根据设计要求，C2选用0.001u的电容，理论可以达到2M的频率，经试验测得当频率为500KHz是效率最高。频率的选择决定于C2跟R3的大小。

f = \frac{1}{\sqrt{R_{3} C_{2}}}

由于测得的XR-2206输出只有300mV的电压，本发明申请人采用LM358将信号放大，在加一级功率放大发送到发射端线圈。

如图4所示，接收端采用4个型号为IN5819的高速二极管，搭建的整流桥，将线圈感应到的正弦电压整流后，送入TA1410滤波，TA1410输出一个直流电压，最后经过D8稳压二极管后得到一个稳定的5Ｖ，1Ａ的输出。

二、充电器的工作流程

阶段一：充电器启动

充电器待机状态处于休眠状态，当有机器人在充电平台上，图像处理设备给单片机发送外部中断信号，单片机响应外部中断后立刻唤醒，从休眠状态进入工作状态。

阶段二：定位

充电器启动后，单片机驱动X光透视仪采集图像并将图像传输给单片机，由单片机定位机器人的位置（X-Y坐标）。单片机通过得到的X-Y坐标，控制二维步进滑台（导轨）带动发射线圈进一步定位机器人的感应线圈。

阶段三：调节

当接收端与发射端正对后，单片机调节发射端的功率，到达适配的充电电源，给机器人充电。

阶段四：开始充电

充电器开始充电后，单片机再次进入休眠状态，等待充电结束信号（即发射端功率降低到空载功率）。

阶段五：结束充电

充电结束后，单片机切断电源进入休眠状态等待再次充电。

三、本发明所涉及的重要技术简介

1.电磁共振技术

麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接收电力方。当传送方送出某一特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接收方，电力就实现了无线传导。

电磁共振现象利用物理学的“共振”原理——两个振动频率相同的物体能高效传输量。采用两个线圈，相对命名为一个共振线圈，一个功率线圈，使两线圈拥有相同的频率，共振线圈在垂直方向产生一个交变的磁场，这个磁场能相当一个交变的永磁导磁物体即普通的磁铁。根据原理可以知道永磁铁能够吸收束缚磁场即能减少露磁现象。两个线圈相互束缚，同步共振，将磁场能加强。

2.图像采集技术

系统中采用X光透视仪的目的：由于肠道的特殊环境，所以采用X光透视仪采集图像，得到机器人的位置，再通过线圈感应精确定位接收端的线圈位置。

3．滑台定位

步进滑台，实现了发射端跟踪机器人充电线圈，能够达到发射端跟接收端随时保持的智能化，即只要机器人放在X光透视仪可视范围内，系统就能自动智能地完成高效率的充电过程。

Claims

1.一种无线智能充电器，其特征在于该充电器包括发射端、接收端、X光透视仪、图像处理设备、单片机、充电平台、二维步进滑台；

发射端有充电器的线圈及供电电源组成，接收端为微小型肠道机器人的感应线圈；

X光透视仪负责采集机器人的图像，经图像处理设备处理后传输给单片机，用于单片机定位机器人位置即机器人的X坐标和Y坐标，并通过控制X和Y两个方向的步进电机操作二维步进滑台带动发射端功率线圈，使其与机器人的感应线圈保持一定的耦合面积，完成高效率智能充电。

2.根据权利要求1所述的无线智能充电器，其特征在于充电器待机状态处于休眠状态，有机器人在充电平台上方时，图像处理设备给单片机发送外部中断信号，单片机响应外部中断后立刻唤醒，从休眠状态进入工作状态；检测功率减小到某一固定值后，充电过程结束，单片机切断电源，进入休眠状态等待再次充电。