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三轴亥姆霍兹线圈的物理特性及其应用的研究

徐长亮  
【摘要】:很长时期以来,肠道疾病的患者承受着巨大的痛苦,随着人们生活水平的提高,消化道医疗机器人这种具备无损诊疗能力的设备逐渐走入了人们的视野,世界上许多国家纷纷斥资对这种先进的医疗装备进行研究。目前,胶囊机器人的研究正在从有缆驱动和被动蠕动向无缆驱动和主动控制的方向发展,胶囊机器人的研制成功将具有非凡的意义,它也将是临床医疗史上一次重大的飞跃。 本文在磁驱动螺旋形胶囊机器人系列课题的研究的基础上,研究了对胶囊机器人进行无缆驱动的空间万向磁场的产生机理,分析了磁场的均匀性,并对磁场的梯度等物理特性进行了分析和探讨。通过数值分析得出了机器人在磁场中受到的磁场拉力,并由此解释了驱动试验中机器人的振动及其运动的不确定性等实验现象的原因。 本文还从能量的角度分析了磁场空间能量的产生原理,讨论了能量在电能、热能、磁能和机械能这几种形式之间的转化过程。本文还分析了导致磁场能量分布产生变化的因素,并推导出了磁场能量的理论表达式,通过磁场能量的理论推导出了机器人所受到的磁力矩的能量表达式。 此前设计的试验用三维线圈的尺寸较小,线圈之间的空隙不能够让病人顺利通过,只能用来做一些动物离体实验。为了使磁场产生设备能够胜任未来的临床试验,并使线圈消耗的功率最小,本文参考了人体工程学理论,通过多目标优化的方法对线圈的结构参数进行了功耗优化,设计了一种适合绝大部分病人体型的大尺寸三维线圈。 胶囊机器人找到肠道的病灶位置之后,需要针对病灶部位实施针对性的施药治疗,为了实现这一目的,本文在机器人内部设计了一个额外的机构,使其能够在病灶部位释放药物。这一设计最主要的特点是在不增加额外的复杂机构和动力的情况下,仅靠外磁场强度的变化,使机器人具有了一个附加的自由度,以实现对患病部位的药物治疗。本文还对储药药囊受到的扭转力矩做了理论推导,最后利用ansys分析软件对机器人永磁体和药囊做了有限元应力分析。


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