多楔形效应胶囊机器人高次幂函数廓形优化

摘要

微机电系统、测试和传感技术的快速发展加速了医疗机器人的进一步发展和应用。微型胶囊机器人可以进入人体胃肠道，对其进行检测、施药和微创手术，大大提高胃肠道诊疗的准确性、安全性和作业效率，减轻病患痛苦，缩短治疗周期，在胃肠道治疗领域具有重要地位。
　　胶囊机器人的廓形与多楔形效应效果密切相关，圆形花瓣胶囊机器人廓形形状单一，廓形选择范围有限，为扩大廓形的选择范围，进一步提高胶囊机器人在粘性液体环境中的游动速度，本文在圆形花瓣廓形胶囊机器人的基础上提出高次幂函数廓形花瓣胶囊机器人。
　　本文对胶囊机器人的驱动原理进行分析，并对胶囊机器人的游动原理进行阐述。
　　然后，对高次幂函数廓形胶囊机器人的动压特性进行分析，建立库埃特流体流动模型，求解流体速度、压力和剪切力，并在此基础上建立机器人轴向及周向受力平衡方程。
　　本文以高次幂函数花瓣胶囊机器人的稳态速度为目标函数，采用遗传算法对高次幂函数花瓣机器人廓形进行了优化，并分别求得二次、三次、四次幂函数的最佳廓形曲线，通过比较得出三次幂函数最佳廓形曲线机器人游动速度最大。
　　由于花瓣机器人在流体管道中运动时存在多楔形效应，将高次幂函数花瓣胶囊机器人的驱动性能和圆形花瓣胶囊机器人的驱动性能进行对比。为排除外部结构因素的影响，胶囊机器人取相同的结构参数，将高幂函数花瓣胶囊机器人和圆形花瓣型胶囊机器人进行驱动性能对比分析。仿真结果表明，多楔形效应的二次和三次幂函数廓形胶囊机器人能够增加机器人的游动速度和表面流体压力，二次和三次幂函数廓形胶囊机器人的多楔形效应增强。高次幂函数廓形胶囊机器人能够减小表面流体阻力矩提高运动安全性。
　　为验证理论分析模型的正确性，加工四种对比机器人，在充满硅油的有机玻璃管内，进行机器人的驱动试验，发现高次幂函数胶囊机器人的流体阻力矩减小，且三次和二次幂函数廓形机器人游动速度大，试验效果良好。

目录

声明

1 绪论

1.1 国内外医疗机器人研究现状

1.2 胃肠胶囊机器人研究现状分析

1.3 研究意义及主要研究内容

2 高次幂函数廓形胶囊机器人的驱动原理

2.1 人体胃肠道环境

2.2 高次幂函数廓形胶囊机器人简介

2.3 空间旋转磁场发生装置及其生产原理

2.4 高次幂函数廓形胶囊机器人游动原理

2.5 小结

3 高次幂函数廓形胶囊机器人廓形优化

3.1 高次幂函数廓形胶囊机器人结构

3.2 高次幂函数廓形胶囊机器人动力学特性

3.3 高次幂函数花瓣胶囊机器人廓形参数优化

3.4 小结

4 优化高次幂与圆形花瓣机器人驱动性能

4.1 优化机器人结构参数

4.2 流体压力

4.3 稳态游动速度

4.4 流体阻力矩

4.5 小结

5 试验

5.1 试验装置

5.2 实验内容

5.3 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢