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胶囊机器人空间万向旋转磁场驱动控制方法

阮晓燕  
【摘要】: 体内介入治疗具有安全、可靠和无痛苦等特点,通过口服并能实现胃肠道内主动驱.动行走的胶囊机器人在诊疗、施药、外科手术等方面将起到重要作用,能显著降低医疗费用和康复时间。 本文提出以三轴亥姆霍兹线圈叠加产生空间万向旋转磁场的方法实现内嵌驱动器螺旋结构胶囊机器人在弯曲肠道内驱动的技术方案。针对肠道胶囊机器人的临界间隙现象,提出了径向间隙自适应的柔顺型胶囊机器人,以显著提高外旋转磁场驱动胶囊机器人在弯曲管道内的驱动性能。 首先介绍了管径自适应柔顺型机器人的结构特征及游动原理,依据雷诺方程和纳维-斯托克斯公式,应用泛函变分原理,建立了管道环境内满足胶囊机器人外螺旋肋表面边界条件的流体动压力模型,推导了简化条件下柔顺型机器人的流体动压力解析式,建立了旋转过程中膨胀的柔顺型胶囊机器人径向和轴向动态平衡方程。 对肠道胶囊机器人的临界间隙现象进行理论和试验研究,提出了启动转速的概念,对螺旋参量与启动转速的关系进行了研究,提出了同一磁场下对多个胶囊机器人实施驱动控制的方法,并以启动曲线具有相似运动规律为目标,通过遗传算法对多个胶囊机器人的螺旋参量进行了优化设计。 根据空间磁矢量叠加原理,提出以三轴方形正交亥姆霍兹线圈叠加产生均匀空间万向旋转磁场的技术方案。在建立了三轴亥姆霍兹线圈组电磁数学模型的基础上,分析线圈电学参量对磁场品质的影响,并对三轴方形亥姆霍兹线圈进行了优化设计。研究表明改变加载线圈电流即可实现旋转磁场轴线空间位置的调整,三轴方形亥姆霍兹线圈产生的磁场具有良好的均匀度和方向性。 空间万向旋转磁场驱动技术可望解决在弯曲肠道环境的无缆驱动问题,使胶囊机器人实现体内的介入诊断与治疗成为可能。


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