肠道内可变直径胶囊机器人的动态特性
我国研发出肠道内胶囊医疗微型机器人
我国研发出肠道内胶囊医疗微型机器人
无
【期刊名称】《企业技术开发：新远见》
【年(卷),期】2009(000)006
【摘要】体内介入检查与治疗具有安全、微创等优点，并迅速成为医学工程领域
的主流。
人们研制出的微型消化道胶囊内窥镜是利用消化道蠕动进行整个区域检查，由内嵌CMOS微型摄像机以无线方式传榆检查图像。
但其行走缓慢，存在视觉盲区；错过病变组织时，不能主动返程，使一些医疗作业无法完成。
因此研制可吞咽并能通过体外无缆驱动控制的胶囊机器人已成当务之急。
【总页数】0页(P128)
【作者】无
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.无线微型机器人肠道内窥镜系统中图像采集与无线传输子系统的设计 [J], 付国强;梅涛;孔德义;张彦
2.德国开姆尼茨工业大学研发出由喷气驱动的全球最小微型机器人 [J], 张宇
3.德国研究人员开发出可在血液中逆流而上输送药物的微型机器人 [J], 张宇
4.我国开发出游走在人体内的微型机器人 [J],
5.中国科研人员开发出“蚁群”微型机器人 [J],
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脉动流场中血管微型机器人的运行研究
脉动流场中血管微型机器人的运行研究梁亮;彭辉;陈柏【摘要】Abstract: A new kind of spiral micro-robot which was applied in the blood vessel of people was proposed. According to the different handed inner and outer screws of the robotic body and their different directional high speed rotating in the liquid, the robot could be suspended to move quickly. Simulating the pulsating flow filed of the aorta, the driving forces of the inner and outer screws of the robotic body, the axial moment and the impact pressure of the blood vessel wall were numerically calculated with computational fluid dynamics method at the robotic constant running speed. The influences of robotic inner and outer rotational speeds and robotic running speed on the driving force of the robot and the impact pressure of the blood vessel wall were analyzed. The results show that the change trends of the driving force of the inner and outer screw of the robotic body and the impact pressure of the blood vessel wall are basically consistent with those of the blood flows, and the axial moment of the outer screw of the robotic body has negative value, and the axial moment of the inner screw of the robotic body has positive value. When robotic inner and outer rotational speeds increase, thedriving force of the robot and the impact pressure of the blood vessel wall increase. The increase in rotational speed of the outer screw of the robot is favorable to enhance the driving force of the robot comparing to that of the inner screw of the robot. When the robotic running speed increases,the driving force of the robot increases, and then it decreases when the robotic running speed arrives a certain value. Finally, the experimental results verify that this spiral micro-robot can move in the positive and reverse flowing fluid.%研究一种应用于人体血管的新型螺旋式微型机器人.利用机器人机体内外表面不同旋向的螺旋槽和在液体环境中不同转向的高速旋转,实现机器人的悬浮式快速运行.在模拟人体主动脉的脉动流场环境下,运用计算流体力学(CFD)方法数值研究螺旋机器人在一定的运行速度下,机器人内外螺旋的轴向驱动力、轴向力矩以及机器人对血管壁的压力,并且分析机体的内外转速和机器人运行速度对机器人轴向驱动力和血管壁所受压力的影响.研究结果表明:血管壁所受最大压力和机器人内外螺旋轴向驱动力变化基本和血流速度变化趋势一致,机体外螺旋所受轴向力矩为负值,机体内螺旋所受轴向力矩为正值；随着机体内外转速的增加,血管壁所受最大压力和机器人的轴向驱动力都随之增大,机体外螺旋转速的增加更有利于机器人轴向驱动力的增大；随着机器人运行速度的增大,机器人轴向驱动力先增大,当运行速度达到一定值时,机器人轴向驱动力又随之减小.实验证明这种螺旋机器人可以在顺流和逆流的流体环境中运行.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(042)012【总页数】7页(P3784-3790)【关键词】血管机器人;脉动流;螺旋;内窥镜;计算流体力学(CFD)【作者】梁亮;彭辉;陈柏【作者单位】中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;长沙学院机电工程系,湖南长沙,410003;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室,江苏南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TP242.2医用内窥镜手术符合人类追求的少创或无创诊断和治疗。
变径胶囊机器人 临界间隙 启动转速 阻力分析 多机操作论文
变径胶囊机器人论文：橄榄型螺旋胶囊机器人的多机启动【中文摘要】随着社会的发展,机器人应用领域正在不断扩展,从自动化生产线到海洋资源的探索乃至太空作业等领域,机器人可谓是无处不在。
然而,就目前的机器人技术水平而言,单体机器人在信息的获取、处理及控制能力等方面都是有限的。
于是人们考虑通过多机器人的协调与协作来完成单体机器人无法或难以完成的工作。
本文针对一种可变半径的橄榄型螺旋胶囊微型机器人,研究了其在外旋转磁场控制下的启动过程,分析了该胶囊机器人的启动原理,提出了启动转速的概念,并建立了胶囊机器人在初始旋转过程中所受的前端液体流动粘滞阻力的数学模型。
根据液体动压力轴向牵引力与液体端部阻力的运动平衡方程,即可得出胶囊机器人的启动转速。
在此基础上,得到了胶囊机器人结构参数与启动转速的关系曲线。
进一步研究了胶囊机器人的多机操作系统,从群体的角度探讨多机器人协作运行及控制机理,以建立机器人多机操作控制研究的框架。
这里介绍的机器人多机操作是通过设计不同的胶囊机器人各项参数结构,使得胶囊机器人操作具有可控性,在两个及两个以上胶囊机器人共同工作的基础上单独控制某一个胶囊机器人执行任务,可以达到多胶囊机器人分时控制的。
胶囊机器人的结构参数不同时,所需启动转速会有不同程度...【英文摘要】With the development of society, robotics application is constantly expanding. From the automated production line to the exploration of marine resources as wellas the areas of space operations, robot can be called everywhere. However, on the current level of technology in terms of robot, a single robot’s ability is limited in access to information collecting, treatment and control, etc. So people consider the adoption of multi-robot coordination and collaboration to complete the work that a single robot ca...【关键词】变径胶囊机器人临界间隙启动转速阻力分析多机操作【英文关键词】Capsule robot with variable diameter Critical clearance Starting rotating speed Resistance analysis Multiple robots operation【目录】橄榄型螺旋胶囊机器人的多机启动摘要4-5Abstract5-6 1 绪论9-29 1.1 微型医疗机器人的研究现状11-25 1.1.1 自主式微型医疗机器人12-14 1.1.2 非接触式微型医疗机器人14-20 1.1.3蠕动式微型机器人20-21 1.1.4 胶囊内窥镜机器人21-25 1.2 机器人群操作的研究现状25-26 1.3 研究现状分析26-27 1.4 课题研究意义和研究内容27-29 2 变径胶囊螺旋微型机器人的运动原理29-32 2.1 胶囊螺旋微型机器人的外磁场驱动原理29-31 2.2 变径胶囊微型机器人的前进驱动原理31-32 3 变径胶囊微型机器人的运动数学模型32-53 3.1 变径胶囊微机器人的径向扩展理论32-33 3.2 变径胶囊微机器人的启动原理与液体阻力分析33-48 3.2.1 启动原理与坐标变换33-35 3.2.2 驱动胶囊机器人前进的液体动压力35-39 3.2.3 驱动胶囊微型机器人前进的液体动压力39-42 3.2.4 胶囊微型机器人的端部粘滞阻力42-46 3.2.5 胶囊微型机器人的径向平衡方程46-48 3.3 启动转速与胶囊微型机器人结构参数的关系48-52 3.3.1 启动转速与螺旋肋高度ha的关系49-50 3.3.2 启动转速与螺旋肋升角θ的关系50-51 3.3.3 启动转速与乳胶薄膜厚度rt的关系51 3.3.4 启动转速与螺旋肋宽比I的关系51-52 3.4 小结52-53 4 多胶囊微型机器人的协同操作研究53-64 4.1 不同结构参数的胶囊机器人的启动转速53-55 4.1.1 螺旋肋高度ha与启动转速的关系53-54 4.1.2 螺旋升角θ与启动转速的关系54-55 4.1.3 乳胶薄膜厚度rt与启动转速的关系55 4.2 不同结构参数的胶囊机器人的多机启动过程55-61 4.2.1 不同螺旋肋高度ha的多胶囊机器人启动与游动过程56-57 4.2.2 不同螺旋升角θ的多胶囊机器人启动与游动过程57-58 4.2.3 不同乳胶薄膜厚度rt的多胶囊机器人启动与游动过程58-59 4.2.4 同时调整两种结构参数的多胶囊机器人启动与游动过程59-61 4.3 运用粒子群算法进行参数优化61-63 4.4 小结63-64 5 试验64-66结论66-67参考文献67-71攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72致谢72-73。
胶囊机器人
今天，我要告诉大家一件事，我要发明一个能做手术的胶囊机器人。
这个机器人只有一个胶囊那么大。
如果病人胃里或肚子里长了什么，只需要把圆圆的小胶囊吞下去。
到了需要动手术的地方，这个小胶囊就会停下来，伸出两只小小的圆筒状手臂，从左手的圆筒里喷出强效麻醉剂，使病人感受到不疼痛，然后从右手的手臂里射出激光，能迅速切下肿瘤，也不会出什么血。
接着，左手就会喷出一种帮助伤口愈合的药，再接着往肿瘤理注射另一种药，使肿瘤萎缩，里面的病菌全部死掉，最后小机器人和肿瘤一起从肠道排出体外。
这就是我发明的聪明，长记性的机器人。
2022-2024中考物理真题分项汇编全国通用 信息传递 能源与可持续发展(原卷版)
2022-2024中考物理真题分项汇编（全国通用）信息传递能源与可持续发展1．【物理与能源科技】（2024·甘肃兰州·中考真题）2024年4月至10月，世界园艺博览会在成都举行。
本届世园会的主题为“公园城市美好人居”，秉持“绿色低碳、节约持续、共享包容”的理念。
下列说法中不正确的是（）A．园区内的输电线如果用超导材料制作，可以降低由于输电线发热而引起的电能损耗B．园区内使用新能源转运车，是因为新能源汽车比燃油车的能量转化效率高C．园区内使用节水装置，是因为地球上淡水资源有限，我们需要节约用水D．因为自然界中的能量是守恒的，所以我们不需要节约能源2．【科技发展】（2024·山东枣庄·中考真题）近年来，我国科技创新突飞猛进，各种新技术、新能源、新材料等科技成果不断涌现。
有关说法中正确的是（）A．固态可燃冰属于二次能源B．水能、风能、太阳能属于可再生能源C．核聚变获得核能的方式与普通核电站一致D．LED屏幕主要是由超导材料制成的3．【跨学科实践】（2024·黑龙江牡丹江·中考真题）（多选题）国之重器“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”，下列相关说法正确的是（）A．C919国产大飞机飞行时，机翼上方空气流速大压强小B．长征三号乙运载火箭发射升空时，将机械能转化为化学能C．“奋斗者”号潜水器下潜时，随着深度的增加承受的压强不断增大D．“山东舰”和北斗卫星之间利用电磁波传递信息4．【物理与工程实践】（2024·新疆·中考真题）“三峡引领号”——全球首台抗台风型漂浮式海上风电机组及基础平台，是引领我国海上风电行业走向深海的重大成果。
（1）风能是（填“可再生”或“不可再生”）能源。
风力发电将空气的能转化为电能，电能是次能源；（2）“三峡引领号”与北斗系统建立关联，利用（填“超声波”或“电磁波”）向工作人员传递平台运动的动态信息。
当海上风速变大时，应（填“增加”或“减少”）平台内水仓中水的质量，使平台下沉一些，保持平台稳定。
神奇的智能胶囊
龙源期刊网 神奇的智能胶囊作者：吕斌来源：《保健与生活》2013年第06期患者只要吞下一颗普通胶囊药物大小的胶囊内镜，医生就能把隐藏在患者胃肠里的病灶看得清清楚楚，这种让患者无痛苦，又可做胃镜、肠镜检查的全球首台可定位可遥控胶囊内镜机器人，最近获国家药监局注册审批，投入临床使用。
目前多家医疗单位已使用胶囊内镜机器人进入人体侦察病灶。
那么，什么样的胶囊这么神奇？我是个微型机器人我是一颗智能胶囊，先来介绍一下我的出身吧。
2000年我诞生于以色列，只有药丸大小（26毫米×11毫米），重量仅为3.7克。
我主要由LED光源、光学镜头、图像传感器、图像处理器、电池等组成。
我和图像记录仪、影像工作站组成一个密不可分的小团队。
我们团队的名字叫作胶囊内镜。
目前大部分医院用的多是国产的OMOM胶囊内镜。
我的作用可大了，可拍摄及传输图像信息。
我主要将照相模块、电池和无线收发模块密封在一起，我的衣服是医用高分子材料做成的，我的任务是实现拍照、编码、调制并将所拍照片通过无线收发模块传输到我的队友——图像记录仪上。
到人体内后，我就是个微型机器人，负责收集情报。
队友接收我的“侦察信息”介绍一下我的队友——图像记录仪吧。
图像记录仪用于接收、处理并储存我传送的图像信息。
它由收发信号的天线单元阵列、处理图像信息的记录盒、储存照片的存储体、可充电锂电池组成，使用时天线单元分布于人体腹部周围表面接收我传送的图像信息。
我们俩要配合工作，没有它，我的“侦察信息”就无法呈现在医生眼前，那些破坏人体的敌人就抓不住了。
我的生命只有6～8小时我的生命只有一次，且很短暂，只有6～8小时，不能重复使用；我对人体无毒，无刺激，结构牢固，不会破裂或溶解，能够安全排出体外。
扩张-伸缩式机器人在肠道中的运动效率研究
扩张-伸缩式机器人在肠道中的运动效率研究贺术;颜国正【摘要】具备自主运动能力的肠道机器人内窥镜是肠道疾病诊疗设备的发展方向,文中研究一种扩张-伸缩式机器人内窥镜在肠道中的运动效率并提出提高运动效率的方法.计算了扩张-伸缩式机器人的运动效率,研究了驻留失效导致的步距损失,同时提出肠道压缩和拉伸模型分析肠道变形导致步距损失出现的原因.离体实验结果表明,设计的扩张-伸缩式机器人在离体肠道中的运动效率在34.2％～63.7％,实际运行速度在0.62～1.29 mm/s,机器人在肠道中的运动效率随着运动步态之间的时间间隔的增加而提高.通过研究发现,增强机器人扩张机构在肠道内的驻留能力是提高运动效率的关键,同时也提出提高运动效率的方法.文中的模型能对胃肠道机器人的设计提供参考.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2019(042)013【总页数】6页(P146-151)【关键词】胃肠道;机器人;运动效率;拟态;内窥镜;生物力学【作者】贺术;颜国正【作者单位】中国电子科技集团公司第三十二研究所,上海 201800;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TN98-340 引言作为一种现代社会常见的疾病，胃肠道疾病的特征是较高的发病率以及较长的潜伏时间，早发现和早治疗是应对这类疾病的最好方式[1]。
但是现有的肠胃道内窥镜检查会给人带来痛苦，这给此类疾病的大面积筛查造成阻碍。
近年来，许多研究机构和组织致力于开发解决这些问题的替代方案，如以色列Given Imaging 公司开发了型号为M2A 的胶囊内窥镜，这种内窥镜只有胶囊的大小，可以在消化道中随着蠕动行进，它可以捕捉消化道内实时的图像信息并传送至外部接收器[2]。
这种设备的行进依赖于消化道蠕动，自主运动功能的缺失导致这类检查存在一定的漏检率。
近年来，具备自主运动能力的胃肠道机器人内窥镜成为研究热点[3-8]。
这些设备可以自主地在消化道内运动，是传统胃肠道内窥镜最有前景的替代方案之一。
胶囊机器人在医学中的应用研究
胶囊机器人在医学中的应用研究一、引言胶囊机器人是一种新兴的医疗技术，它通过摄像头、传感器和电子控制单元等技术，在患者的体内进行检查和治疗。
与传统的内窥镜手术相比，胶囊机器人具有无创、痛苦少、便捷安全等优势。
近年来，胶囊机器人在医学中得到越来越广泛的应用。
本文将从胶囊机器人的技术原理、应用领域、优缺点等方面进行探讨。
二、胶囊机器人的技术原理胶囊机器人是一种微型机器人，其外形和大小类似于胶囊，具有可吞食性。
胶囊机器人内部采用摄像头、传感器和电子控制单元等技术，可以向患者的消化系统和呼吸系统等部位输入信号，获取其内部的相关数据。
胶囊机器人可以通过无线电波、蓝牙或红外线等方式，将数据传输给人工智能计算机进行处理，并可通过虚拟现实技术在医生的电脑上呈现出三维图像，以方便医生诊断。
此外，通过胶囊机器人的电子控制单元，医生还可以进行遥控，使机器人在患者体内完成相应的检查或治疗。
三、胶囊机器人的应用领域1. 消化系统疾病的诊断胶囊机器人可以在患者的消化道中进行检查，获取消化道的内部图像和视频。
它可以用于胃、十二指肠、小肠等部位的检查，对于消化性溃疡、肿瘤、出血等疾病的诊断具有重要意义。
与传统的内窥镜手术相比，胶囊机器人的优势在于无创、痛苦少，能够更好地保护患者的身体健康。
2. 呼吸系统疾病的诊断胶囊机器人可以在患者的呼吸道中进行检查，获取呼吸道的内部图像和视频。
它可以用于气管、支气管等部位的检查，对于肺癌、支气管炎、哮喘等疾病的诊断具有重要意义。
通过胶囊机器人，医生可以更加准确地获取患者的内部数据，从而制定更为科学的治疗方案。
3. 药物给予胶囊机器人可以把药物直接送到患者的胃肠道或呼吸道，从而更好地发挥药物的治疗作用。
相比传统的口服药物和注射式药物，胶囊机器人的药物给予方式更为科学、便捷，能够更加准确地将药物输送到患者需要的部位。
四、胶囊机器人的优缺点1. 优点（1）无创、痛苦少：胶囊机器人可以通过口腔或鼻腔直接输入患者体内，无需进行手术切口，避免了手术的痛苦和危险；（2）便捷安全：胶囊机器人操作简单，无需麻醉，患者可以在医院外进行检查和治疗，大大提高了患者的便捷性和安全性；（3）高精度：胶囊机器人内部装备了摄像头、传感器等先进的技术，可以精确获取患者的内部数据，为疾病的诊断和治疗提供了更为可靠的依据。
机器人胶囊的功能主治
机器人胶囊的功能主治1. 简介机器人胶囊是一种新型的医疗设备，采用高科技手段集成了多种功能。
它以胶囊的形式进入人体，通过远程操控或自主运动，执行多种医疗操作。
本文将介绍机器人胶囊的功能主治。
2. 消化道检查与治疗•胶囊内设有微型摄像头和光源，可在消化道内进行检查。
•机器人胶囊能够检测胃肠道病变、溃疡、炎症等情况。
•胶囊内还有药物释放系统，可进行局部药物治疗。
3. 脑部检查与治疗•机器人胶囊拥有精准定位功能，可用于脑部疾病的诊断。
•胶囊内的微型传感器能够检测脑电波等数据，帮助医生判断疾病情况。
•机器人胶囊还可以用于脑部肿瘤的非侵入式治疗，通过释放药物或者聚焦超声波进行治疗。
4. 心血管系统治疗•胶囊内设有微型超声波装置，能够进行血管直观检查。
•机器人胶囊可以在血管内清除血栓、疏通血管、修复血管壁等。
•机器人胶囊还可以用于介入性手术，如植入支架等。
5. 癌症治疗•胶囊内的药物释放系统可以用于肿瘤的局部药物治疗。
•机器人胶囊搭载了高能射频和激光技术，可用于肿瘤的消融治疗。
•胶囊内的微型摄像头能够精确定位肿瘤位置，帮助医生进行精准治疗。
6. 妇科检查与治疗•机器人胶囊可用于妇科疾病的检查与治疗。
•胶囊内设有超声波探头，可以观察子宫、卵巢等器官的情况。
•胶囊内还设有微型手术工具，可以进行微创手术。
7. 远程操控•医生可以通过远程操控技术，对机器人胶囊进行操作。
•通过远程操控，医生可以观察、诊断和治疗病患，尽可能减少创伤和痛苦。
•远程操控还可以实现医生之间的交流和协作，提高诊疗水平。
以上是机器人胶囊的功能主治。
随着科技的不断进步，机器人胶囊将会在医疗领域发挥越来越重要的作用，为病患带来更多的福祉。
肠道内窥镜活检机器人系统_陈雯雯
Ｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ Ｂｉｏｐｓｙ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ Ｒｏｂｏｔ Ｓｙｓｔｅｍ
ＣＨＥＮ Ｗｅｎ－ｗｅｎ， ＹＡＮ Ｇｕｏ－ｚｈｅｎｇ， ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｗｕ， ＬＩＵ Ｈｕａ， ＪＩＡＮＧ Ｐｉｎｇ－ｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
设计 的 活 检 钳 结 构 如 图 ２ 所 示．采 用 丝 杠 螺 杆 机构，在推出活检 钳 的 过 程 中，打 开 钳 手，在 收 回 过 程中，钳手 咬 合 样 本，并 收 缩 而 进 入 机 器 人 体 内 保 存 ，该 过 程 可 重 复 ．钳 手 用 盖 板 固 定 在 机 构 壳 体 上 ，２ 个半活检手的链接 部 分 由 螺 杆 推 拉，在 定 位 轴 和 活 检手导槽的导向作 用 下，活 检 手 可 以 完 成 伸 缩 以 及 打开和咬合的动作．２个半钳手之 间 有 ２ 组 齿 牙，大 齿牙用于切割样本，小齿 牙 的 间 隙 为 ０．８ ｍｍ，在 大 齿 牙 咬 断 样 本 的 同 时 ，小 齿 牙 可 以 固 定 剪 断 的 样 本 ， 并储存于钳手的中央空间．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ ｂｉｏｐｓｙ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｄｅｍａｎｄ，ｔｈｅ ｇａｓｂａｇ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｍｅｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ ｃａｐｓｕｌｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｍｏｖｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ－ ｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｓｔｉｎｅ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔ ｖｉｄｅｏ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｉｏｐｓｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｔａｌｓ ａｉｒ－ ｂａｇｓ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｔｏ １．５６ Ｎ，ｗｈｉｌｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍ．Ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｂｉｏｐｓｙ ｆｏｒｃｅｐｓ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ １０ Ｎ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｉｏｐｓｙ ｍｏｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｐｅａｔａｂｌｅ．Ｗｉｔｈ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ；ｒｏｂｏｔ；ｂｉｏｐｓｙ
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(a)
(b)
图 2 内外驱动器相对转动示意图
(a) 静止; (b) 同步旋转
2
可变直径胶囊机器人的结构
研究表明 , 胶囊机器人表面与管壁的间隙对流
体动压力影响较大 , 直接影响胶囊机器人的运动效 率 . 当间隙增大时 , 胶囊机器人旋转产生的流体动 压力减小, 使胶囊机器人运动速度减慢甚至停止. 当胶囊机器人外表面与管壁的间隙过大时 , 为使胶 囊机器人继续行走 , 就要显著提高外磁场转速来增 加机器人表面与管壁间的流体动压力 , 但大驱动转 速会给患者带来不适感与能量损耗 . 为了提高胶囊机器人的管径适用范围和在柔弹
黏性液体 微型机器人 管壁 旋转磁场平面
, 因此传统的轮式
与履带式驱动系统均不能凑效 . 为了寻找在胃肠道内的最佳驱动方案 , 人们研 制了多种驱动器 . 文献 [18]为了克服胶囊机器人在胃 肠道内的滑动 , 开发了一种两端带夹紧机构的改进 型蠕动式胶囊机器人 [18]; 文献 [19] 开发了一种两端 装有锥形支撑的靠电磁驱动的蠕动式机器人; 文 献 [20] 开发了一种以压电单元驱动的多关节空腔胶 囊机器人 ; 文献 [21]报道了一个有 4 个驱动器单元的 胶囊机器人 , 两个 SMA 合金弹簧能沿着机器人本体 方向线性移动 4 个卡紧机构 ; 文献 [22]和 [23]也研制 了一种由 SMA 合金驱动的装入微型腿的胶囊机器 人 ; 受蟑螂行走的启发 , 文献 [24]报道了一种嵌入多 条腿的内窥镜胶囊机器人系统 . 上述胶囊机器人与胃肠道内壁直接接触 , 会导 致对胃肠道的一些伤害 , 此外上述胶囊机器人不适 合大变径范围内驱动 . 为了避免伤害 , 针对医学应 用背景 , 文献 [25]研制了与螺旋集成为一体的机器人 驱动系统 , 当机器人旋转时 , 机器人外表面与管内 壁形成流体动压力和流体动压保护膜 , 因此流体动 压 力推动 机器 人前进 时不 对胃肠 道内 壁造成 伤害 . 受该驱动原理的启发 , 我们研制了一种由外旋转磁 场驱动的外表附着螺旋的胶囊机器人 [26], 试验表明 机器人外表面与管内壁的间隙对胶囊机器人的驱动 影响很大 , 即间隙足够大时 , 推力不足以驱动胶囊 机器人行走 . 从该试验现象再次得到启发 , 本文设 计、研制和试验了一种由外旋转磁场驱动的可实现 间隙自补偿的新型胶囊机器人 . 基于径向间隙自补偿胶囊机器人的研制成功是 胶囊机器人在新驱动原理方面的重要进展 . 试验表 明可变直径胶囊机器人适应管径范围大 , 因此适合 在胃肠道内驱动 , 通过间隙自补偿 , 显著提高了流 体动压力与机器人的游动速度 , 病人可以饮入大黏 度透明液体创造机器人驱动条件 , 该机器人在医学 工程领域具有很好的应用前景 .
论 文
有如下特殊性：即非结构化 , 内壁光滑 , 蜿蜒曲折 , 截面变化大和大变形等特征
[13~17]
动器同磁极结构的内驱动器的磁耦合作用 , 驱动胶 囊机器人随外旋转磁场在充满液体的柔弹性管壁中 同步旋转 , 当机器人旋转时 , 其外表面与管道内壁 形成流体动压力和流体动压保护膜 , 流体动压力推 动机器人前进 , 不对胃肠道内壁造成伤害 , 驱动系 统工作原理如图 1 所示 .
过 CMOS 摄像机获取体内图像 , 并无线发射到体外 . 可是胶囊内窥镜都是靠胃肠蠕动行走 , 如果存在视 觉死角时不能主动实现姿态的调整与控制, 因此, 严格来讲 , 现有胶囊内窥镜尚不能称之为微型机器 人系统 . 可见开发可在胃肠内主动行走的胶囊机器 人并通过无缆控制实现其功能扩展非常重要 , 并极 具挑战性 . 以无缆驱动控制的方式并靠胶囊自身的 推力主动实现驱动对正确诊断与治疗意义重大 . 事
[9]
. 可以预言通过口服并能实现在胃
肠道内主动驱动行走的胶囊机器人在诊疗、施药、 外科手术等方面将起到重要作用 , 并能显著降低医 疗费用和康复时间 . 国内外研制了可吞服的胶囊内窥镜
[6~8]
, 它们通
能源与磁场源都嵌入在病人穿着的夹克里 ; Olympus 开发了能在胃肠道检查的有趣装置 [10], 它是一粒在 外磁场的激励下可以旋转、前进、后退的药丸 ; 另一 个胶囊内窥镜装置的驱动是由外旋转磁场驱动嵌入 在胶囊内的永磁铁 [11]; 人们还研制了一种胶囊机器 人 , 其驱动方式是靠偏心电机产生的振动使与胃肠 道的摩擦力减小来实现驱动行走 [12]. 后者是要研究能在胃肠道主动行走的胶囊机器 人 , 是极有挑战性的研究课题 . 由于肠道内环境具
体内介入治疗具有安全、可靠和无痛苦等特点 , 因此人们对微创医疗介入装置的研究表现出越来越 浓厚的兴趣 , 目标是在医疗工程领域实现介入诊疗 与手术等作业
[1~5]
实上胶囊运动的可控性对于探测、观察和对病变区 的分析是必要的 , 以便有针对性地实施取样与施药 . 为了实现上述目标 , 主要存在两个技术瓶径： 其 一是要解决能量无线传输问题 ; 其二是要研发能在 胃肠内驱动行走的胶囊机器人移动载体 . 前者由射频控制的 Norika 胶囊已经得到部分解 决 , 它可以通过外磁场驱动产生旋转 . 在检查时 ,
(a) (b)
的径向偏移量 ; hc 为铜瓦厚度 ; 为螺旋角 .
图 5 可变直径胶囊机器人径向伸展机构
(a) 闭合; (b) 伸展
图 7 可变直径胶囊机器人与管壁间隙
2410
论 文
参照瑞利阶梯轴承的压力分布 [29], 在过机器人 轴线的截面内 , 胶囊机器人表面在径向油膜压力分 布如图 8 所示 .
3 y cos h1 ( x, y ) e cos( π ) 4 r 3 y cos ) (e 2 R 2 ) r , (1) e 2 cos 2 ( π 4 r 3 y cos h2 ( x, y ) e cos( π ) 4 r 3 y cos ) (e 2 R 2 ) r ha , (2) e 2 cos 2 ( π 4 r 式中 r 为铜瓦外半径 ; R 为管壁内半径 ; e 为配重铜瓦
摘要
提出一种以外旋转磁场驱动的具有径向间隙自补偿功能的可变径胶囊机器人, 研制
关键词 变径胶囊机器人 间隙补偿 柔弹性壁
了外旋转磁场驱动装置和可变径胶囊机器人样机, 建立了胶囊机器人在柔弹性环境内的径 向动平衡方程和机器人运动方程, 对胶囊机器人在柔弹性壁和刚性壁流体环境内的动态特 性进行了比较分析, 理论与试验研究表明变径胶囊机器人在柔弹性管和刚性管内具有几乎 相同的动态驱动特性. 在径向间隙自补偿功能作用下, 显著提高了胶囊机器人外表面螺旋 肋处的流体动压力、推力和胶囊机器人的管径适应性, 通过旋转磁场转速的调整, 实现了机 器人推力与速度的控制. 该新型胶囊机器人具有适合柔弹性管壁内驱动的特点, 在人体肠 道复杂环境内的介入医疗领域具有良好的应用前景.
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图 1 外旋转磁场驱动胶囊式微机器人工作原理
ห้องสมุดไป่ตู้
外驱动器静止时 , 内驱动器的 S极与外驱动器 N 极正对 ; 外驱动器转动时 , 随着内、外驱动器相对转 角的增加, 作用在内驱动器上的驱动力矩也增加, 当达到与管道中的液体对胶囊微型机器人的阻力矩 相等时 , 内外驱动器保持以相对转角 同步旋转 [27]. 如图 2 所示 .
2009 年
论 文
第 54 卷
第 16 期 : 2408 ~ 2415
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
肠道内可变直径胶囊机器人的动态特性
张永顺①, 姜生元②, 张学文②, 于宏海①, 王殿龙①, 郭东明①
引用格式 : 张永顺 , 姜生元 , 张学文 , 等 . 0B 肠道内可变直径胶囊机器人的动态特性 . 科学通报 , 2009, 54: 2408~2415 Zhang Y S, Jiang S Y, Zhang X W, et al. Dynamic characteristics of an intestine capsule robot with variable diameter. Chinese Sci Bull, 2009, 54, doi: 10.1007/s11434-009-0370-5
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图 3 研制的可变直径胶囊机器人样机
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图 4 为可变直径胶囊机器人结构示意图 . 胶囊 机器人外表面由四片外表缠绕螺旋的铜瓦组合构成 , 每块铜瓦分别与同步径向离心伸展机构连接 , 外部 裹有乳胶薄膜 . 当胶囊机器人旋转时 , 四片铜瓦在
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图 6 胶囊机器人表面展开图与斜坐标系
2409
1
胶囊机器人的外磁场驱动原理
研制的磁驱动装置包括旋转磁场外驱动器 , 它
是径向磁化的 N, S 极相间排列的两磁极圆筒状钕铁 硼 (NdFeB)永磁体 , 采用变频调速电机带动外驱动器 产生旋转磁场 , 通过与嵌入胶囊机器人本体与外驱
2009 年 8 月
第 54 卷
第 16 期
性变截面复杂环境内的驱动能力, 研制的径向间隙自 补偿可变直径胶囊机器人如图 3 所示. 其外径为 15 mm, 长度 40 mm; 重量： 15.4 g, 螺旋肋高度为 1 mm, 宽 度为 1 mm, 螺距为 9 mm.
3
胶囊机器人在柔弹性环境中动态特性
将胶囊机器人表面展开为平面 , 建立如图 6 所示
3.1 胶囊机器人表面动压力与运动方程 的斜坐标系 [28], x沿胶囊机器人的轴向 , y轴沿螺旋线 方向 , z轴表示油膜厚度方向 , 图中 , B1' , B2' 分别为 螺旋槽和螺旋顶部的宽度 .
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① 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 , 大连 116024; ② 北华大学机械工程学院 , 吉林 132021 E-mail: zyshun@ 2009-01-06 收稿, 2009-04-16 接受 国家自然科学基金 (批准号 : 60675054, 60875064)和辽宁省自然科学基金 (批准号 : 20082171)资助项目