径向间隙自补偿胶囊微型机器人的研究

论文摘要

微型机器人进入人体进行微创介入治疗可减少病人的痛苦、显著缩短康复时间,因此微创或无创诊疗技术已成为国际上的一个研究前沿与热点。本文针对螺旋胶囊微型机器人存在的临界间隙现象,提出一种具有径向间隙自补偿功能的胶囊式微型机器人的研究方案,旨在通过径向间隙自补偿,弥补现有胶囊机器人的缺陷,显著提高在柔弹性环境中的驱动行走能力。首先本文对间隙自补偿胶囊微型机器人进行了结构设计,提出由四块连接在同步离心伸展机构的缠有螺旋肋的配重铜瓦组成胶囊机器人主体、外部包裹乳胶薄膜的技术方案,驱动原理是在外旋转磁场的磁机耦合作用下,驱动内嵌NdFeB永磁体内驱动器的胶囊微型机器人旋转,在螺旋肋与液体产生的动压力作用下,形成胶囊微型机器人的推力:配重铜瓦的离心力推动微型机器人径向伸展,减小了与管壁的间隙,提高流体动压力,显著提高了胶囊微型机器人的推动力。根据纳维-斯托克斯方程和雷诺方程建立了径向偏心情形下胶囊微型机器人在液体中的运动模型,分析了径向膨胀过程,建立了间隙自补偿动态平衡方程,进而建立了具有自补偿功能的胶囊微型机器人运动方程,对运动特性进行了计算仿真;分析讨论了螺旋参数及乳胶薄膜厚度对胶囊微型机器人运动的影响。然后,建立了胶囊微型机器人在柔弹性环境中行走的数学模型,并对柔弹性环境中的运动进行了计算仿真,分析讨论了柔弹性壁对微型机器人运动的影响。最后制作了径向间隙自补偿结构胶囊微型机器人样机,并在有机玻璃管和离体猪大肠内进行了水平与垂直游动试验,取得了很好的效果。理论计算和试验表明,本文提出的具有间隙自补偿结构的微型机器人有效的实现了间隙自补偿,显著提高了胶囊微型机器人的运动效率,在介入诊疗领域具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微型医疗机器人的研究现状
• 1.1.1 胃肠蠕动推进式胶囊内窥镜
• 1.1.2 仿生蠕动式微型机器人
• 1.1.3 足式微型机器人
• 1.1.4 仿生游动式微型机器人
• 1.1.5 螺旋式微型机器人
• 1.2 研究现状分析
• 1.3 研究意义和主要研究内容
• 2 胶囊微型机器人的外磁场驱动原理和游动原理
• 2.1 胶囊微型机器人的外磁场驱动原理
• 2.2 胶囊微型机器人的游动原理
• 3 螺旋式胶囊微型机器人的运动特性
• 3.1 胶囊微型机器人的自补偿结构及原理
• 3.2 胶囊微型机器人运动特性
• 3.2.1 坐标系的建立与变换
• 3.2.2 胶囊微型机器人旋转产生的流体动压力
• 3.2.3 液体动压力对胶囊微型机器人产生的剪切力
• 3.2.4 胶囊微型机器人径向平衡分析
• 3.3 胶囊微型机器人运动特性的仿真计算
• 3.4 模型的比较
• 3.5 小结
• 4 胶囊微型机器人在柔弹性环境中的运动特性
• 4.1 乳胶薄膜和柔弹性壁径向动平衡的分析
• 4.2 理论计算与分析
• 4.2.1 胶囊微型机器人在柔弹性与在刚性环境中的运动比较
• 4.3 小结
• 5 结构与环境参数对胶囊微型机器人游动速度的影响
• 5.1 胶囊微型机器人螺旋参数对游动速度的影响
• 5.1.1 螺旋角θ对游动速度的影响
• 5.1.2 螺旋宽度系数β对游动速度的影响
• a对游动速度的影响'>5.1.3 螺旋高度h_a对游动速度的影响
• 0对游动速度的影响'>5.2 胶囊微型机器人与管壁初始间隙c₀对游动速度的影响
• r对游动速度的影响'>5.3 胶囊微型机器人乳胶薄膜厚度h_r对游动速度的影响
• 5.4 小结
• 6 试验
• 6.1 试验装置与测速装置
• 6.2 新型胶囊微型机器人的行走试验
• 6.3 胶囊微型机器在离体猪大肠中的行走试验
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢