基于无线供能的肠道微型机器人诊查系统研究

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1、上海交通大学硕士学位论文基于无线供能的肠道微型机器人诊查系统研究硕士研究生：吉星春学号：1110359003导师：颜国正教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电子信息与电气工程学院答辩日期：2014年1月授予学位单位：上海交通大学万方数据DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterTHERESEARCHOFAMICROROBOTINSPECTINGSYSTEMFORINTESTINALTRACTBASEDONWIRELESSPOWERSUPPLYCandidate：JiXin

2、gchunStudentID:1110359003Supervisor：Prof.GuozhengYanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentScienceandTechnologySchoolofElectronicInformationandAffiliation：ElectricalEngineeringDateofDefence：Jan,2014Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity万方数据万方数据万方数据上海

3、交通大学硕士学位论文基于无线供能的肠道微型机器人诊查系统研究摘要近年来，消化系统疾病的发病率逐年上升，癌变率较高，严重威胁到人民的生命健康。目前，消化道系统疾病使用最为广泛的是传统内窥镜检查，其机械式的插入给患者带来了不适和痛苦，容易引起诸多并发症，且诊查存在盲区；于是，出现了减轻患者痛苦的胶囊内窥镜检查，但其只能随肠道被动运动，无法对可疑病变部位定点反复观察；采用电池供电，也限制了检查的工作时间。主动可控的微型机器人诊查系统为肠道检查提供了一种全新的手段和方法，具有十分重要的临床应用价值，已经成为生物医学工程领域的热点之一。本文在国家自然科学基金资助项目（No.31170968）

4、、载人航天领域预先研究项目（No.010203）与上海市科委项目（No.09DZ1907400）的资助下，结合微机电系统技术，进行了基于无线供能的肠道微型机器人诊查系统的设计与实现研究。在本文中，通过分析面向肠道环境的国内外微型机器人运动方式和微型机器人驱动方式，提出了微型直流电机驱动的仿生物尺蠖的运动方式，从生物尺蠖的运动机理联想到肠道微型机器人的运动步态。进而，分析了人体肠道复杂的生理特性，小肠是典型的非结构性环境，为仿尺蠖式微型机器人的设计提出了挑战。分析了仿尺蠖式微型机器人在肠道中的力学特性和运动效率，得出了微机器人在肠道中运动需要满足的条件，提出了最大运动效率模型，明确了

5、仿尺蠖式微型机器人机械结构设计的基本要求。根据微型机器人机械设计的基本要求，运用模块化设计思想，结合仿尺蠖式运动机理，在有限空间内设计了微型机器人首尾两仓的径向钳位机构和中仓的轴向伸缩机构，总体尺寸在1536mm以内，实现I万方数据上海交通大学硕士学位论文了微小体积下多模块的集成。基于阿基米德螺旋线标准极坐标方程，设计了阿基米德螺旋线式钳位机构，在旋转开合的过程中，有利于应力的均匀分布和释放，防止了对肠道的损伤，通过三次样条插值得到了钳位点的变化曲线。为了实现诊查系统无缆化，设计了面向肠道环境的无线能量传输系统和采用无线通讯技术的控制系统，摆脱了拖缆所带来的运动灵活性差与对肠道

6、产生的运动损伤；为了给微型机器人提供持续充足的能量，根据无线供能的基本原理，设计了面向肠道环境的体内和体外无线能量传输系统；根据诊查系统控制要求，设计了体内肠道微型机器人控制单元、体外无线通讯控制器和无线图像传输系统，其中体内肠道微型机器人控制单元在机器人微小体积内，实现了无线通讯、稳压、电流检测、电机驱动、图像采集传输等多个模块的集成。在诊查系统硬件平台的基础上，采用了嵌入式编程思想和面向对象的编程理念，设计了肠道微型机器人诊查系统的软件，包括嵌入式软件设计和计算机人机交互界面软件设计，实现了人机交互操作、机器人运动、图像视频显示等一系列功能。在装配完成整个无线供能的肠道微型机器

7、人诊查系统之后，分别进行了模拟肠道实验和离体肠道实验，通过对实验结果的比较和分析，证明了仿尺蠖运动方式的可行性，验证了微型机器人诊查系统整体性能。本课题设计的诊查系统基本达到预期效果，得出了一些宝贵的结论，为后续的研究工作打下了一定的基础。若进一步作为医疗器械产业化，将会为肠道疾病的诊断和治疗带来革命性的突破。关键词：仿尺蠖式，运动效率，肠道微型机器人诊查系统，无线供能，实验研究II万方数据上海交通大学硕士学位论文THERESEARCHOFAMICROROBOTINS