專利名稱：一種微小型腸道機(jī)器人無線智能充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線充電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于微小型腸道機(jī)器人的充電器，該充電器立足于節(jié)能、高效、智能化無線充電。
背景技術(shù)：
微小型腸道機(jī)器人用于在人體腸道內(nèi)探傷、定點(diǎn)修復(fù)，其電源問題一直是其發(fā)展的瓶頸。有纜充電方式制約了管道機(jī)器人的微型化，而無線充電恰能為腸道機(jī)器人的電源問題提供了解決方案。無線充電技術(shù)是完全不借助電線，利用電磁耦合為設(shè)備充電的技術(shù)。無線充電設(shè)備的效能接收在70%左右，和有線充電設(shè)備相等，但是它具備電滿自動(dòng)關(guān)閉功能，避免了不必要的能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決微小型腸道機(jī)器人的電源問題，提供一種針對微小型腸道機(jī)器人的無線智能充電器。本發(fā)明提供的微小型腸道機(jī)器人無線智能充電器包括:發(fā)射端、接收端、X光透視儀、單片機(jī)、圖像處理設(shè)備、充電平臺、二維步進(jìn)滑臺(導(dǎo)軌)；發(fā)射端有充電器的線圈及供電電源組成，接收端為機(jī)器人的感應(yīng)線圈；X光透視儀負(fù)責(zé)采集機(jī)器人的圖像，經(jīng)圖像處理設(shè)備處理后傳輸給單片機(jī)，用于單片機(jī)定位機(jī)器人位置即機(jī)器人的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，并通過控制X和Y兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)操作二維步進(jìn)滑臺，帶動(dòng)發(fā)射端功率線圈，使其與機(jī)器人的感應(yīng)線圈保持一定的耦合面積，完成高效率智能充電。充電器待機(jī)狀態(tài)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有機(jī)器人在充電平臺上，圖像處理設(shè)備給單片機(jī)發(fā)送外部中斷信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷后立刻喚醒，從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)；檢測功率減小到某一固定值后，充電過程結(jié)束，單片機(jī)切斷電源，進(jìn)入休眠狀態(tài)等待再次充電。本發(fā)明的設(shè)計(jì)特點(diǎn)本發(fā)明充電器采用飛思卡爾型號為XS128低功耗單片機(jī)作為控制器，控制充電過程，在程序設(shè)計(jì)中進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，即在沒有外部中斷喚醒的情況下，控制器處于休眠狀態(tài)，功耗幾乎為零。為了提高充電效率，本發(fā)明申請人在高頻信號方面做了大量實(shí)驗(yàn)，最終采用固定4MHz的晶振，在控制器的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生高頻PWM波形，有源晶振輸出的方波經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管13003及其外圍電路組成的功率放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去，為接收部分提供能量。在功率輸出線圈部分，本發(fā)明采用了電磁共振技術(shù)，將磁場能放大，達(dá)到遠(yuǎn)距離高效率的傳送。本發(fā)明還采用了高 精度步進(jìn)滑臺與X光透視儀采集圖像來確保接收端線圈與發(fā)射端線圈能100%的耦合，最終達(dá)到高效率能量傳送。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:1.本發(fā)明主控芯片采用了具有較強(qiáng)發(fā)展?jié)摿Φ奶幚砥鱔S128芯片，該芯片具有能耗低、可靠性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)；2.采用無線充電方式，技術(shù)含量高，能安全有效地為微小型腸道機(jī)器人充電，操作方便；3.充電器采用滑臺定位、智能適配技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射端跟接收端百分之百的智能化對準(zhǔn)，完成高效率的充電過程；4.由于無線充電技術(shù)在小功率的范圍內(nèi)可以顯示出它的優(yōu)越性，完全能夠?yàn)槲⑿⌒湍c道機(jī)器人提供所需電源。本發(fā)明立足于微小型機(jī)器人的無線智能充電，具備一定的創(chuàng)新性。


圖1是無線智能充電器整體結(jié)構(gòu)框圖。圖2是充電器組成示意圖。圖3是發(fā)射端電路原理圖。圖4是接收端電路原理圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:
一、無線智能充電器的構(gòu)成如圖1所示，本發(fā)明提供的微小型腸道機(jī)器人無線智能充電器包括:發(fā)射端、接收端、X光透視儀、圖像處理設(shè)備、單片機(jī)、充電平臺、二維步進(jìn)滑臺(導(dǎo)軌);機(jī)器人的感應(yīng)線圈有四個(gè)線圈組成圓柱形結(jié)構(gòu)，保證在充電平臺上機(jī)器人姿態(tài)如何變化都能與發(fā)射端線圈保持一定面積的耦合。如圖2所示，患者躺在充電平臺上檢查腸道，當(dāng)腸道機(jī)器人在人體腸道中時(shí)，通過X光透視儀采集圖像，并傳輸給單片機(jī)，得到腸道機(jī)器人的坐標(biāo)位置，單片機(jī)通過控制X和Y兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)操作二維步進(jìn)滑臺帶動(dòng)發(fā)射端的線圈，使發(fā)射端的線圈和機(jī)器人的感應(yīng)線圈耦合，完成高效率的充電過程。充電完成后，機(jī)器人進(jìn)行后續(xù)工作。如圖3所示，發(fā)射端利用XR-2206設(shè)計(jì)頻率范圍為100Hz、50KHz、掃頻控制電壓為-9、9V的正弦波發(fā)生器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，C2選用0.0Olu的電容，理論可以達(dá)到2M的頻率，經(jīng)試驗(yàn)測得當(dāng)頻率為500KHz是效率最高。頻率的選擇決定于C2跟R3的大小。
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yj ^ L 2由于測得的XR-2206輸出只有300mV的電壓，本發(fā)明申請人采用LM358將信號放大，在加一級功率放大發(fā)送到發(fā)射端線圈。如圖4所示，接收端采用4個(gè)型號為IN5819的高速二極管，搭建的整流橋，將線圈感應(yīng)到的正弦電壓整流后，送入TA1410濾波，TA1410輸出一個(gè)直流電壓，最后經(jīng)過D8穩(wěn)壓二極管后得到一個(gè)穩(wěn)定的5 V, I A的輸出。二、充電器的工作流程
階段一:充電器啟動(dòng)充電器待機(jī)狀態(tài)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有機(jī)器人在充電平臺上，圖像處理設(shè)備給單片機(jī)發(fā)送外部中斷信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷后立刻喚醒，從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。階段二:定位充電器啟動(dòng)后，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)X光透視儀采集圖像并將圖像傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)定位機(jī)器人的位置(χ-Y坐標(biāo))。單片機(jī)通過得到的X-Y坐標(biāo)，控制二維步進(jìn)滑臺(導(dǎo)軌)帶動(dòng)發(fā)射線圈進(jìn)一步定位機(jī)器人的感應(yīng)線圈。階段三:調(diào)節(jié)當(dāng)接收端與發(fā)射端正對后，單片機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)射端的功率，到達(dá)適配的充電電源，給機(jī)器人充電。階段四:開始充電充電器開始充電后，單片機(jī)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待充電結(jié)束信號(即發(fā)射端功率降低到空載功率)。階段五:結(jié)束充電充電結(jié)束后，單片機(jī)切斷電源進(jìn)入休眠狀態(tài)等待再次充電。三、本發(fā)明所涉及的重要技術(shù)簡介1.電磁共振技術(shù)
麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在2007年6月7日美國《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。研究小組把共振運(yùn)用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團(tuán)線圈附在傳送電力方，另一團(tuán)在接收電力方。當(dāng)傳送方送出某一特定頻率的電磁波后，經(jīng)過電磁場擴(kuò)散到接收方，電力就實(shí)現(xiàn)了無線傳導(dǎo)。電磁共振現(xiàn)象利用物理學(xué)的“共振”原理——兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體能高效傳輸量。采用兩個(gè)線圈，相對命名為一個(gè)共振線圈，一個(gè)功率線圈，使兩線圈擁有相同的頻率，共振線圈在垂直方向產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，這個(gè)磁場能相當(dāng)一個(gè)交變的永磁導(dǎo)磁物體即普通的磁鐵。根據(jù)原理可以知道永磁鐵能夠吸收束縛磁場即能減少露磁現(xiàn)象。兩個(gè)線圈相互束縛，同步共振，將磁場能加強(qiáng)。2.圖像采集技術(shù)系統(tǒng)中采用X光透視儀的目的:由于腸道的特殊環(huán)境，所以采用X光透視儀采集圖像，得到機(jī)器人的位置，再通過線圈感應(yīng)精確定位接收端的線圈位置。3.滑臺定位步進(jìn)滑臺，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射端跟蹤機(jī)器人充電線圈，能夠達(dá)到發(fā)射端跟接收端隨時(shí)保持的智能化，即只要機(jī)器人放在X光透視儀可視范圍內(nèi)，系統(tǒng)就能自動(dòng)智能地完成高效率的充電過程。
權(quán)利要求
1.一種無線智能充電器，其特征在于該充電器包括發(fā)射端、接收端、X光透視儀、圖像處理設(shè)備、單片機(jī)、充電平臺、二維步進(jìn)滑臺； 發(fā)射端有充電器的線圈及供電電源組成，接收端為微小型腸道機(jī)器人的感應(yīng)線圈； X光透視儀負(fù)責(zé)采集機(jī)器人的圖像，經(jīng)圖像處理設(shè)備處理后傳輸給單片機(jī)，用于單片機(jī)定位機(jī)器人位置即機(jī)器人的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，并通過控制X和Y兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)操作二維步進(jìn)滑臺帶動(dòng)發(fā)射端功率線圈，使其與機(jī)器人的感應(yīng)線圈保持一定的耦合面積，完成高效率智能充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線智能充電器，其特征在于充電器待機(jī)狀態(tài)處于休眠狀態(tài)，有機(jī)器人在充電平臺上方時(shí)，圖像處理設(shè)備給單片機(jī)發(fā)送外部中斷信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷后立刻喚醒，從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)；檢測功率減小到某一固定值后，充電過程結(jié)束，單片機(jī)切斷電源，進(jìn)入休眠狀態(tài)等待再次充電。
全文摘要
一種無線智能充電器包括發(fā)射端、接收端、X光透視儀、圖像處理設(shè)備、單片機(jī)、充電平臺、二維步進(jìn)滑臺。發(fā)射端有充電器線圈及供電電源組成，接收端為微小型腸道機(jī)器人的感應(yīng)線圈。X光透視儀負(fù)責(zé)采集機(jī)器人的圖像，經(jīng)圖像處理設(shè)備處理后傳輸給單片機(jī)，用于單片機(jī)定位機(jī)器人位置即機(jī)器人的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，并通過控制X和Y兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)操作二維步進(jìn)滑臺，帶動(dòng)發(fā)射端功率線圈，使其與機(jī)器人的感應(yīng)線圈保持一定的耦合面積，完成高效率智能充電。該充電器采用無線充電方式，技術(shù)含量高，能安全有效地為腸道機(jī)器人充電，操作可行性高，同時(shí)具有能耗低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02J17/00GK103070699SQ20121058479
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者魏巍, 任曉亮, 張武, 李曉飛, 郭書祥, 郭健, 宋長寶 申請人:天津理工大學(xué)