基于外磁场驱动的微型管道机器人研究

摘要

胃肠道是人体的重要器官,由于所处环境的复杂性,与其他器官相比更容易发生病变。对于胃肠道的检查,通常的方法是插管式内窥镜和无缆式胶囊内窥镜。前者的主要缺点是靠外力进入胃肠道,容易造成组织器官的损伤,给病人带来不适和痛苦。后者是靠胃肠道的自然蠕动来遍历全身进行检查,并期望最终排出体外。此种方法的缺点是观察过程不受控制,检查所需时间较长,可能存在检查盲区,胶囊滞留等问题。鉴于目前所存在的这些问题,研制出能够在人体胃肠道进行自主运动的微型管道机器人将具有重要意义和研究价值。
　　 为了实现医用微型管道机器人的主动驱动,论文研究了一种直接利用外部均匀梯度磁场驱动的方法,微型管道机器人本体采用内嵌钕铁硼永磁体制作而成的胶囊形状机器人,利用亥姆霍兹线圈与麦克斯韦线圈空间组合,形成驱动微型管道机器人所需的组合线圈,通过调节组合线圈加载电流的大小,线圈空间位置的变换,以及管道的位置平移,共同形成微型管道机器人驱动所需的梯度磁力和磁转矩,从而有效地完成驱动动作。采用这种磁场驱动方式,具有结构简单、驱动力和速度可控、稳定性和安全性高、可对重点部位进行检查等优点。
　　 论文主要对均匀梯度磁场形成的原理、微型管道机器人的驱动机理进行了分析,对驱动线圈进行了磁场仿真分析,对微型管道机器人的本体进行了设计,并搭建了实验所需的微型管道机器人控制系统。
　　 最后通过实验验证了微型管道机器人的运动性能。实验结果表明,微型管道机器人具有较好的运动性能,实现了平移运动,空间姿态调整等动作,具有较好的可控性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 论文的研究目的和意义

1.2 微型管道机器人国内外研究现状

1.2.1 微型管道机器人国外研究现状

1.2.2 微型管道机器人国内研究现状

1.3 微型管道机器人所面临的问题

1.4 论文研究的主要内容

第2章 微型管道机器人的磁场驱动方案分析

2.1 磁场对磁介质的作用机理

2.2 两种基本磁场线圈原理分析

2.2.1 匀场线圈原理分析

2.2.2 梯度线圈原理分析

2.3 组合线圈驱动磁场原理分析

2.4 本章小结

第3章 微型管道机器人驱动磁场仿真分析

3.1 电磁场仿真分析理论基础

3.1.1 麦克斯韦方程

3.1.2 一般形式的电磁场微分方程

3.1.3 电磁场中常见的边界条件

3.2 ANSYS电磁场有限元法

3.2.1 有限元法的基本思想

3.2.2 ANSYS电磁场有限元法简介

3.2.3 ANSYS电磁场有限元法求解步骤

3.3 线圈磁场仿真分析

3.4 本章小结

第4章 微型管道机器人控制系统实现方案

4.1 微型管道机器人本体设计

4.1.1 磁性材料介绍

4.1.2 微型管道机器人本体模型设计

4.2 微型管道机器人组合驱动线圈设计

4.2.1 驱动线圈方案分析

4.2.2 驱动线圈制作

4.3 微型管道机器人线圈驱动电源

4.4 微型管道机器人模拟管道

4.5 整体系统及检查实施方案

4.6 本章小结

第5章 系统实验测试与数据分析

5.1 不同液体中微型管道机器人运动性能测试

5.2 不同长度的微型管道机器人运动性能测试

5.3 不同加载电压下微型管道机器人运动性能测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢