隨著微創(chuàng)和無創(chuàng)診療技術(shù)的發(fā)展,磁控膠囊機器人成為了胃腸道內(nèi)窺鏡醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點,在胃腸道實時診斷和治療中具有廣大的應(yīng)用前景。本文對外部徑向充磁永磁體空間磁場分布規(guī)律開展研究,采用等效磁荷法建立了磁場數(shù)學(xué)模型,并在MATLAB中編程對磁感應(yīng)強度進行數(shù)值計算,且基于ANSYS軟件建立了數(shù)值仿真模型。開發(fā)了膠囊機器人驅(qū)動系統(tǒng)和霍爾式磁感應(yīng)強度測量系統(tǒng),實現(xiàn)對環(huán)形永磁體旋轉(zhuǎn)時徑向磁感應(yīng)強度的測量。實驗結(jié)果與理論計算、數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好,驗證了模型的準確性和可靠性。本研究揭示了環(huán)形永磁體外部磁感應(yīng)強度分布規(guī)律,發(fā)展了磁場測量和預(yù)測的方法,為永磁體磁性參數(shù)的確定與優(yōu)化、膠囊機器人的磁驅(qū)系統(tǒng)建模和運動控制研究奠定了基礎(chǔ)。 

【文章來源】：儀器儀表學(xué)報. 2020,41(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

徑向磁感應(yīng)強度與方位角的關(guān)系

此外,為了進一步校驗理論模型,提高永磁體空間磁場計算的便利性和可靠性,本文采用ANSYS有限元軟件電磁模塊對永磁體磁場分布進行了數(shù)值仿真。ANSYS磁場分析有3種方法,磁標勢法,磁矢勢法和棱邊法,本文選用靜磁場仿真模塊,采用磁標勢法,模擬時選取的永磁體長度、直徑等幾何參數(shù),磁導(dǎo)率、矯頑力等磁性參數(shù)均與實驗相同。在有限元仿真建模中,需要在永磁體外圍施加空氣結(jié)構(gòu),此空氣結(jié)構(gòu)的大小會影響分析結(jié)果的準確性。仿真后處理得到徑向充磁環(huán)形永磁體中間橫截面上的磁力線分布如圖9所示,可以得到空間磁感應(yīng)強度大小和方向,從圖9中的磁力線分布疏密和方向等可以判斷N極和S極呈上下分開,以及永磁體內(nèi)外磁場強度的分布規(guī)律。通過與實驗測量結(jié)果、理論計算結(jié)果校驗,優(yōu)化磁場有限元仿真參數(shù),得到可靠的計算模型,這將為異形永磁體、永磁體系等復(fù)雜空間磁場的計算仿真提供指導(dǎo)。通過實驗測量、理論分析和有限元仿真,揭示了徑向充磁環(huán)形永磁體徑向磁感應(yīng)強度隨著空間距離a增加而衰減的變化規(guī)律,磁感應(yīng)強度的正峰值和負峰值與距離a的關(guān)系如圖10和圖11所示。隨著距離a從3.5～10.5 mm,磁場峰值的絕對值逐漸減小,且呈現(xiàn)非線性關(guān)系,這將幫助確定和優(yōu)化磁驅(qū)膠囊機器人系統(tǒng)外部驅(qū)動模塊與膠囊之間的距離關(guān)系,從而精準地控制膠囊機器人的位置和運動。從圖10～11可以看出,ANSYS有限元仿真結(jié)果與實驗測量、理論預(yù)測結(jié)果吻合較好,正峰值實驗結(jié)果與理論結(jié)果誤差范圍在0.4%。負峰值實驗測量的磁場絕對值小于理論計算結(jié)果,最大誤差范圍在4.3%,這主要是永磁體本身的加工缺陷、充磁非對稱性等導(dǎo)致。有限元結(jié)果與實驗測量結(jié)果存在一定誤差,這主要是受到永磁體材料參數(shù)和有限元模型參數(shù)等因素的影響。

通過實驗測量、理論分析和有限元仿真,揭示了徑向充磁環(huán)形永磁體徑向磁感應(yīng)強度隨著空間距離a增加而衰減的變化規(guī)律,磁感應(yīng)強度的正峰值和負峰值與距離a的關(guān)系如圖10和圖11所示。隨著距離a從3.5～10.5 mm,磁場峰值的絕對值逐漸減小,且呈現(xiàn)非線性關(guān)系,這將幫助確定和優(yōu)化磁驅(qū)膠囊機器人系統(tǒng)外部驅(qū)動模塊與膠囊之間的距離關(guān)系,從而精準地控制膠囊機器人的位置和運動。從圖10～11可以看出,ANSYS有限元仿真結(jié)果與實驗測量、理論預(yù)測結(jié)果吻合較好,正峰值實驗結(jié)果與理論結(jié)果誤差范圍在0.4%。負峰值實驗測量的磁場絕對值小于理論計算結(jié)果,最大誤差范圍在4.3%,這主要是永磁體本身的加工缺陷、充磁非對稱性等導(dǎo)致。有限元結(jié)果與實驗測量結(jié)果存在一定誤差,這主要是受到永磁體材料參數(shù)和有限元模型參數(shù)等因素的影響。圖11 磁感應(yīng)強度負峰值與永磁體霍爾傳感器距離的關(guān)系

【參考文獻】：
期刊論文
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