胶囊内窥镜磁驱动主动行走技术研究

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胶囊内窥镜是一种用于胃肠道检查的非侵入式电子诊疗设备,具有检查方便、无痛苦等优点;但是也存在诸如诊断率不高和功能有限等缺点。胶囊内窥镜主动行走技术的研究是改善其检出率并增加其功能的有效手段之一。  本论文以一种磁驱动技术为动力,提出了多种胶囊内窥镜主动行走方法,包括磁拖动式胶囊内窥镜系统、单腿磁驱动胶囊机器人和混合驱动双腿蠕虫式胶囊机器人等。首先,论文介绍了一种结合了图像导航功能的磁拖动系统。该系统使用两个体外磁铁控制套有磁性外壳的口服胶囊内窥镜。图像导航的方向基准通过合理的设计两个体外磁铁和内置磁铁的位置与磁化方向获得。论文还详细的论述了图像导航的控制原理,提炼并优化了机械手的控制参数,仿真计算了作为该驱动原理理论基础的内外磁铁间的相互作用关系,并实验验证了该系统的主动行走与图像导航能力,以及深入的讨论了可能适用于本磁拖动方式的内外磁铁间的其它布局方式。  接着,论文提出了一种适用于小肠检查的磁驱动单腿胶囊机器人技术。论文通过对磁拖动技术进行改进、利用内置磁铁的转动为胶囊机器人的主动行走提供驱动力,同时还为该磁驱动动力源设计了配套的腿部机构,所设计的胶囊机器人既具备双向行走能力又具备扩充肠道的能力。论文还提出了主动行走胶囊机器人的设计准则,并详细介绍了提出的胶囊机器人的驱动与行走原理、结构设计、驱动力计算、零件选材等,并通过原理样机的体外实验验证了方案的行走能力。  随后,论文提出了一种适用于结肠检查的混合驱动双腿蠕虫式胶囊机器人。该胶囊机器人具备前后两个运动单元,其特色在于,仅需要两个动力源就可以完成两个单元间的蠕虫运动所需的三个基本动作。论文详细介绍了该蠕虫胶囊机器人的驱动与运动原理、机构设计、行走状态的分析与受力模型的建立,并进行了体外实验验证。  最后,论文设计了多种单动力源磁驱动腿式胶囊机器人的行走原理,并总结了腿式胶囊机器人双向行走的主要机构特征;此外,还设计了基于该磁驱动方法的全景胶囊内窥镜原理和药物释放胶囊的原理。
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