基于无线供能胃肠道微型机器人诊查系统研究

摘要

致力于实现胃肠道疾病无创、无痛、多生理参数检测的胃肠道微型机器人研究正备受国内外工程和医学研究者关注，已成为国内外医疗器械领域的研究热点之一。本文受国家自然科学基金(31170968)，上海市科委科研计划项目(14441902800)资助，对主动运动式机器人内窥镜诊查系统展开研究。　　本文结合肠道特性，分析了机器人内窥镜的运动形式并进行了仿尺蠖运动式机器人的结构设计。在满足机器人微型化和生物安全性标准条件下，设计了采用闭合式连杆结构的径向扩展机构，以及采用丝杠螺母结构的轴向伸缩机构。其中，径向扩展机构的一个创新点在于可实现较大的变径比，使得机器人在Φ13mm的初始尺寸下，扩展尺寸达到Φ42mm。　　本研究机器人内窥镜采用无线能量传输方式供能，有效解决了纽扣电池供能不足问题和拖缆式供能的生物安全问题。本文对比了现有的电磁谐振、电磁感应以及微波等无线供能方式，并结合机器人内窥镜的应用情形，确定了基于电磁感应耦合的无线能量传输方式。分析了影响交流线圈阻抗的临近效应和趋肤效应原理，并进行了利兹线和铜线作为接收线圈绕线的对比实验。针对机器人具体结构，设计了一种沿圆周均匀分布四个矩形凹槽的中空圆环形磁芯以及其相应的绕线方式，得到了一种新型的三维正交接收线圈。并对接收线圈的能量传输效率以及其输出的串、并联连接方式进行了理论分析和计算。搭建了无线能量传输效率测试平台，得到了在接收线圈任意姿态下无线能量传输效率不低于5%的结论。　　为了实现对机器人内窥镜的控制，本文设计了以PIC16F690为微控制器的控制电路；并结合机器人运动特点对无线通信、电机驱动、电流检测以及电源稳压等模块进行了优化设计；同时芯片选型充分考虑封装大小和能耗等问题，以实现电路板的微型化和低能耗要求。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 胃肠道微型机器人结构设计

2.1 微型机器人设计要求

2.2 微型机器人运动原理

2.3 微型机器人结构设计

2.4 本章小结

第三章 微型机器人运动控制与通信系统设计

3.1 微型机器人控制系统框图

3.2 微型机器人控制单元模块分析

3.3 微型机器人控制单元程序设计

3.4 微型机器人体外控制系统设计

3.5 本章小结

第四章 无线能量传输系统设计

4.1 无线能量系统研究背景

4.2 无线能量传输方式的选择

4.3 电磁感应式无线能量传输系统工作原理

4.4 本章小结

第五章 三维接收线圈设计

5.1 发射线圈和接收线圈方案选择

5.2 三维接收线圈结构

5.3 临近效应和趋肤效应

5.4 接收线圈串联谐振

5.5 本章小结

第六章 微型胃肠道机器人诊查系统实验

6.1 三维接收线圈的无线能量传输效率

6.2 机器人体内电路板控制和通信性能测试

6.3 机器人运动性能测试

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

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