上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 摘要摘要 本题目的设定是基于上海交大医工合作课题： “体内医疗环境下的球形囊状微型机器人的无线供能系统研究与实现” 。该项目旨在发展一种可以通过体外供电而延长体内工作的机器人的工作时间的无线供电技术。胶囊型医用机器人已经在临床上得到了应用，但是目前均为自带电池供电，由人体蠕动激励其运动的被动型胶囊。本文旨在提出一种主动型无线供能胶囊机器人， 设计并提出了胶囊机器人的无线功能系统的电路图，并制版实现。分析了以倍压整流为基础的无线能量接受电路，分析了采用肖特基二极管的必要性和可行性，并设计了整体电路方案，通过 Matlab 进行数学算法仿真，在 ADS 上进行电路仿真。并最后制作成 PCB 电路板。实验验证了电路的功能正确。由于我们设计的电路是为我们才用的具体的微型电机供电的，所以，所有的数据均适用于这款电机，但电路结构和方法，应该是适用于其他此类的微电机系统的。 本课题背景较新颖，用的方法也并非传统供电模式。总体上对无线供电系统提出了可行性分析，并提供初级阶段的设计思路，计算了对人体无害的安全能量范围，为今后的研究进行了适度的探索。 关键字: 关键字: 体内医疗，胶囊机器人，无线供能，MEMS。 上海交通大学工程硕士学位论文 Abstract 第 II 页 Abstract The minimally invasive inspection based on medical MEMS 4 has been in clinical use since the Israel invention of a passive capsule endoscope 10, M2A, followed by similar capsule endoscopes made in Japan and Korea. Due to the need of external control, active medical MEMS containing autonomous locomotion started to appear with power cable connections to replace insufficient batteries. Unfortunately, power cables cannot be used in medical practice. As such, wireless power transmission for active MEMS is a must for interests of both researchers and doctors. In this paper, we present a design of a wireless power transmission mechanism to drive a micro brushless DC motor whose small size fits MEMS. Though the power transmission is done at a working frequency of RFID, the power supply system in this paper to drive a motor with a much larger current is different from the one in RFID tags. The power transmission system consists of an antenna, an impedance matching network circuit, a rectifier circuit cum voltage multiplier, and a LDO (low drop out voltage regulator). Both mathematical analysis and simulations based EDA tools are carried out to verify the system design. The RF part of the system is simulated with Agilent ADS tools, while the DC part, i.e. the LDO based on MOSFETs, is simulated by Cadence Spectre with a TSMC 0.18um technology library. Both simulation results and mathematical analysis show that the micro motor is able to receive 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 第 VI 页 图表目录图表目录 图表 1:面向崎岖的胃部皱折和液态环境基于半圆轮腿型运动机构的囊装微型机器人原型 . 7 图表 2 机器人整体结构 . 9 图表 3 无线供能结构 . 9 图表 4 微电机 . 10 图表 5Faulhaber 公司生产的微型电机实物图 . 11 图表 6 微型电机三项输入端 . 11 图表 7 电机驱动电路板 . 12 图表 8 磁耦合无线供能方案结构 . 13 图表 9 串联谐振电路原理图 . 13 图表 10 无刷直流电机工作参数关系 . 17 图表 11 无线供能系统整体结构 . 18 图表 12 半波整流电路图 . 19 图表 13 半波整流波形 . 19 图表 14 全波整流电路图 . 20 图表 15 全波整流波形图 . 21 图表 16 桥式整流电路 . 22 图表 17 二极管小信号检波电路 . 22 图表 18 输入为小信号调幅信号时的工作过程 . 23 图表 19 单个肖特基管高频整流电路图 . 25 图表 20 肖特基二极管在高频等效模型 . 25 图表 21 MOS 电路和肖特基电路 VI 曲线比较 . 27 图表 22 肖特基电荷泵电路原理图 . 28 图表 23 倍压电路结构 . 29 图表 24 倍压电路结构分析 负半周期时 . 29 图表 25 倍压电路结构分析 正半周期时 . 30 图表 26