【摘 要】
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根据世界卫生组织发布的《2020年世界癌症报告》,我国居民胃肠道恶性肿瘤（结直肠癌和胃癌）的发病率居癌症排名前五位。为了早发现、早治疗、提高胃肠道疾病的治愈率,体检筛查至关重要。目前,用于人体胃肠道检查的医疗设备主要有传统胃肠镜和胶囊内窥镜。传统胃肠镜检查准确性较高且能够进行活检,但是容易给体检者带来疼痛和感染的风险;胶囊内窥镜能够针对小肠进行舒适和清晰的观察,但是自身无驱动机构,容易对胃部产生漏
【基金项目】
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江苏省自然科学基金项目“仿阿米巴虫磁流变软体机器人运动机理及控制策略研究”（项目号:BK20191341）; 江苏省研究生科研创新计划项目“磁流变软体胶囊机器人结构设计及动力学特性研究”（项目号:KYCX20＿1986）
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根据世界卫生组织发布的《2020年世界癌症报告》,我国居民胃肠道恶性肿瘤（结直肠癌和胃癌）的发病率居癌症排名前五位。为了早发现、早治疗、提高胃肠道疾病的治愈率,体检筛查至关重要。目前,用于人体胃肠道检查的医疗设备主要有传统胃肠镜和胶囊内窥镜。传统胃肠镜检查准确性较高且能够进行活检,但是容易给体检者带来疼痛和感染的风险;胶囊内窥镜能够针对小肠进行舒适和清晰的观察,但是自身无驱动机构,容易对胃部产生漏检。胶囊机器人作为一种主动控制的胃肠道检查设备,涉及电磁驱动、无线通信、生物材料和智能制造等多个领域,能够安全、有效地对胃肠道疾病进行无创诊疗,成为微型医疗机器人发展的重要里程碑。但是,由于人体胃肠道的复杂环境和不断提高的诊疗需求,具有软体表面和医疗功能的胶囊机器人仍处于理论研究阶段,在机械结构、定位方法和控制策略等方面依然存在问题,这极大地限制了其在临床实践中的应用。针对当前胶囊机器人存在的问题,本文在以下几个方面开展了研究:（1）基于磁流变液的流变和磁化特性,设计了磁流变液与钕铁硼材料组合的磁控驱动方式,建立了磁流变软体胶囊机器人的结构模型。研究了磁控胶囊机器人在空间梯度磁场中的对称翻转运动模式,对比了三种不同复合壳体的设计方案,分析了磁流变软体胶囊机器人较优的驱动特性和柔顺特性。研究了磁流变软体胶囊机器人内部耦合磁场的分布规律,设计了一种高兼容性的振荡模块,实现了胶囊机器人的靶向送药功能。（2）推导了多磁偶极子模型,修正了基于磁流变软体胶囊机器人的多磁偶极子模型近场误差。研究了磁流变软体胶囊机器人在水平和坡度表面上的动力学关系,构建了胶囊机器人的动力学模型,并进行了磁场-重力场的联合仿真分析。研究了振荡模块中振荡板的运动特性,开展了振荡板的数值分析,仿真验证了胶囊机器人靶向送药功能的可行性。（3）研究了胶囊机器人磁源和外部驱动磁场的作用关系,推导了基于磁传感器阵列的空间磁场定位算法模型。通过磁传感器阵列结构消减空间磁场的计算误差,提出了一种双层对称式传感器阵列的排布方法。根据磁场的矢量叠加原理,进行了外部驱动永磁体的数值仿真分析,并验证了基于双层对称式传感器阵列排布方法的有效性。搭建了磁流变软体胶囊机器人的空间定位装置,利用BP神经网络模型优化了Levenberg-Marquardt算法并求解了胶囊机器人空间磁场的逆模型,实现了磁流变软体胶囊机器人的空间精确定位。（4）研究了磁流变软体胶囊机器人在胃部的运动特点,提出了一种基于空间平面化的“迂回路线”运动方式,简化了操作人员对胶囊机器人的控制步骤。搭建了机械臂-永磁体的空间磁场平台,设计了磁流变软体胶囊机器人的组合运动控制系统,包括基于模糊控制器的主运动子系统和基于PID控制器的辅助运动子系统。采用狼群并行游猎策略改进了传统的灰狼优化算法,提高了算法的计算精度,利用改进的灰狼优化算法整定了组合运动控制系统中控制器的主要参数,提高了系统的控制性能。（5）制作了磁流变软体胶囊机器人的样机,基于空间磁场平台和定位装置设计了对应的上位机系统。分别开展了磁流变软体胶囊机器人在实验平台和模拟胃部环境中的运动测试,验证了胶囊机器人有效的控制策略和精确的定位方法。开展了磁流变软体胶囊机器人的靶向送药测试,实验验证了胶囊机器人靶向送药功能的可行性。论文共有图109张,表21个,参考文献140个。
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