多功能胶囊机器人的自定向无线电力传输系统的设计与分析

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Design and Analysis of a Self-Orienting Wireless Power Transfer System for the Multifunctional Capsule Robot

现有无线充电系统对多功能胶囊机器人的供电稳定性不足。本文提出基于耦合磁场的自定向无线充电系统，设计具有自对准功能的接收装置，确保传输线圈与接收线圈轴向一致，实现全向充电。通过理论分析和有限元建模验证电磁安全合规性，实验测得功率波动标准差13.86%，极差比163.41%，较传统系统提升显著。同时完成温度升压试验验证设备安全性，并建立理论模型为后续优化提供依据。

　　

摘要：

现有的用于多功能胶囊机器人（MCR）的无线电力传输（WPT）系统在接收功率上存在显著波动，这大大降低了机器人系统的可靠性。本文提出了一种基于耦合磁场的自定向无线电力传输（SOWPT）系统。该系统设计了一种新型的、受陀螺仪启发的功率接收装置（PRD），以保持PRD内部的一维接收线圈（1DRC）与一维发射线圈（1DTC）轴对齐，从而实现MCR的全向电力传输。通过理论分析和有限元分析，建立了SOWPT系统的电力传输理论模型。同时，还建立了人体电磁暴露安全性的有限元模型，并验证了SOWPT系统的电磁安全性。最后，制作了SOWPT系统的原型，并搭建了实验测试平台来评估负载上的接收功率。实验结果表明，在模拟的实际条件下，负载上的接收功率的标准化标准差（NSD）和最大值与最小值之比（MMR）分别为13.86%和163.41%，这些数值远低于传统WPT系统的相应指标，证明了所提出的SOWPT系统具有更强的鲁棒性。此外，还对PRD进行了温度升高等实验，验证了其在指定工作条件下的运行安全性。另外，所建立的电力传输理论模型也得到了实验验证，为后续的优化工作奠定了理论基础。