非接触动力传输系统的研制

文/邓宇，吉林建筑大学

1 研究方向的引入

微创手术是指微入路手术，也叫微小创伤的手术。是现代的科技在医学上的重要应用，微创手术代替了多数传统手术，其主导思想是在接近需要手术操作的病患位置附近开较小的创口，利用腹腔镜、胸腔镜、关节镜等现代的医疗器械以及相关的手术设备进行手术。微创手术与传统的开腹手术比较主要的优点包括创伤小，疼痛轻，恢复快，住院时间短以及手术中的出血比较少，基本不留疤痕。同时微创手术由于损伤小以及疼痛比较轻，大大减少了对腹腔脏器以及胸腔脏器的干扰。可是微创手术也有不可避免的缺陷，那就是皮肤表面虽然创口较小，可是各种手术器械的导管从多方向插入人体所造成的损伤和疼痛也是患者术后难以忍受的，更完善的解决方法应该是采用微型机器人沿着人体内的管路游走到病患出进行医学处理后再走出来。本文提出一个非接触动力传输方案可以解决这个难题。那就是去掉笨重的铜线磁铁所制成的电动动力系统以及储备电能的锂电池部件，采用结构简单微小的磁力接收装置作为动力核心，而能量的来源来自外部的主动机械形成的可控旋转磁场。

2 动力装置的设计和制作

下面就描述一下这个动力装置的设计思路和实现方法。大家在实验室可以看到这样一种装置那就是磁力搅拌器，是一种利用磁力对液体进行搅拌使其均匀的仪器。其对于液体具有两个作用，一个是搅拌作用，底座产生的旋转磁场带动烧杯内的搅拌子做以循环的圆周运动使得液体混合均匀，另一个是底座具有加热功能，高温更有利于液体的混合均匀。这种将底座内的旋转磁场的能量非接触的传输给烧杯内部搅拌子的传动形式，就是我们动力装置设计思路的来源。由于微型机器人的工作环境是人体内部，到处充满着液体，因此它的动作行为应该更接近潜水艇，所以轮子和步行腿的设计是非必要的，这样动力装置的形体基本确定出来：沿机器人前进方向上设置前后各一个允许液体出入的动力导管，导管的中间嵌入的是一个环形或盘形导流泵体，泵体的靠近中心处有多孔通道与液体入口导管联通，泵体的外侧有另一多孔通道与液体出口导管联通，当环形泵体内的球形搅拌子接受到外部旋转磁场的作用力旋转时，带动液体旋转形成离心旋转，使液体从导管出口喷射出来，机器人就可以得到推力向前运动。另外此泵的工作方式为无桨叶形式，因此不会对液体内的组织细胞比如血细胞形成伤害。

下面开始搜集合适的材料针对这个理论模型进行制作和调试。首先选择密度接近水的塑料管和塑料盘，有利于将来整个装置的比重接近水，像鱼一样处于液体悬浮状态，然后选择大小合适的钢珠装在盘内，从盘的底部中心用最细的钻头密集钻出圆形分布的小孔形成泵体入口，将一段长度略大于圆盘的扁平塑料方管一端封闭，侧面开一个圆形通道与圆盘入水口相对接，使用胶水将二者粘接固定，完成入口导管的制作，此方向为前端，再从圆盘的后端侧面采用极细的钻头密集排除出水通道一个，并和一段厚度接近的方形塑料导管对接，作为泵体的出水导管。然后开始制作产生旋转磁场的主动机：选择与泵体大小相仿的圆盘与电动机的动力输出轴固定在一起，在圆盘的上面沿着同一圆周的方向粘接两块永磁体，在电动机的外壳上套装一套塑料把手便于手持移动，用导线将电动机与电源和控制开关连接到一起。把包括离心泵体的从动机械部分放到面积较大的液槽里，手持主动机械部分，打开电源开关，调整输出电压大小，即可进行动力装置的调试。当主动机转盘接近从动机时，从动机开始工作，从导管入口吸入液体并向后排出，形成推力前进。成功的实验证明，这套理论是可行的，需要进一步完善的方面还有很多。

3 结合应用对机械结构合理改进

首先解决如何“倒车”的问题。在结构上需要进行如下更改：①取消进水导管，进水方式改为直接从泵体上下表面的中心的进水筛孔进入。②在盘形泵体的前后侧面均设置出水导管。③在盘形泵体内部前后各设置一个出水口，同时用胶皮为每个出水通道制作出一个折页式盖阀命名为A和B。④用双刀双掷开关为电源制作一个换向器，可以改变旋转磁场的方向。通电运行时，主动机的旋转方向决定从动机的旋转方向，当泵内液体顺时针旋转流动时，A盖阀关闭，B盖阀打开，液体只能从B导管喷出，装置前进；当泵内液体逆时针旋转时正好相反，液体从A导管喷出，装置倒退。

这个能进能退的微型机器鱼的动力核心已经试制成功，下面讨论如何控制转向的问题，和所有船只一样，应该有个受控的尾舵，这个尾舵的制作和控制应该不难，难的是接受无线指令和指挥操作的芯片还没有得到电力的支持。由于动力部分已经解决，所以剩余电控部分耗电很少，可以借鉴无线充电的形式，将少许线圈以8字形缠绕在塑料泵体上，当外部主动机转动时，旋转磁场会在线圈内产生感应电压，为电路板提供电能。现在只要再给装置加上无线摄像头和可控鱼嘴，即可实现简单的治疗过程。

4 总结新型动力装置优缺点

非接触磁动力传动与传统机械传动、液力传动、电力传动的区别在于传递动力的介质不同，从有形的机械电气连接改变为无形的磁场连接。正是因为磁力传动是靠磁力线将原动机与从动机关联起来，形成内外两个独立工作空间。工作机械的动力结构更简单，更微小，易于制造和装配，无需自带电源，动力的维持可以接近无限长，彻底解决了传统动力装置的笨重、密封与泄漏以及维护问题。