1、針對臨床上傳統(tǒng)消化道內(nèi)窺鏡和膠囊內(nèi)鏡存在的主要問題,研究了一種用于人體腸道診查的微型膠囊機器人系統(tǒng),試圖探索一種腸道微創(chuàng)、無創(chuàng)診療的新途徑。本文針對腸道內(nèi)環(huán)境設計了高效的微型驅(qū)動機構(gòu),使膠囊機器人的可吞服性成為可能,并結(jié)合本實驗室其他科研成果——無線通訊與供能技術(shù)——解決機器人由于拖纜不能深入人體的問題。驅(qū)動方式的選擇是研制人體腸道診療機器人首要問題。本文在對人體腸道環(huán)境特點做了深入研究的基礎上,首先介紹了國內(nèi)外有關胃腸道機器人的現(xiàn)狀,

2、分析并對比了其中主要幾種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點以及其未能繼續(xù)深入研究的原因。然后從動力學和人體安全性角度,對足式運動—蠕動運動,氣壓驅(qū)動—機械驅(qū)動,摩擦力驅(qū)動—反沖力驅(qū)動等方式進行了對比分析,得出了結(jié)構(gòu)緊湊,驅(qū)動力較大,穩(wěn)定性最好的運動方式——基于液壓驅(qū)動的雙電機仿尺蠖運動。該驅(qū)動器利用兩個直流無刷電機作為動力源,經(jīng)過減速器和絲桿螺母機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動,而后輸出油囊的徑向擴張和收縮、膠囊的伸長和縮短,并按照一定的時序配合實現(xiàn)了機器人

3、的運動步態(tài),驅(qū)動器可以執(zhí)行前進、后退、停止等動作。為了克服液壓驅(qū)動與“無線”的沖突,本文研制了機器人采用油泵單次沖壓實現(xiàn)油囊徑向伸縮的方式,并特別設計了油泵和油囊。在油囊的設計中,兼顧油囊和油泵的體積比例1:2,充分考慮油囊與腸道組織的摩擦力,粘合度等因素,最大限度增加油囊與腸壁在壓合時的壓力以及摩擦力。與實驗室其他項目組合作,設計了適應本系統(tǒng)的無線通訊子模塊和無線供能子模塊。獨立設計完成了包含無刷電機驅(qū)動器和單片機在內(nèi)的控制模塊。通過

4、這三個模塊和驅(qū)動機構(gòu)結(jié)合,實現(xiàn)了膠囊機器人的信息采集與運動控制從“有線”到“無線”的跨越,并保證了對其不間斷的供能。組裝完成的機器人樣機在收縮狀態(tài)下,外徑為Φ13mm,長度40mm,滿足可吞服的基本要求。為了驗證膠囊機器人運動的有效性和能量傳輸?shù)目煽啃?我們設計了一系列實驗。實驗結(jié)果表明,膠囊機器人在直徑為Φ15mm~Φ20mm的橡膠軟管中輸出較大的前進驅(qū)動力,機器人運動速度約為45mm/min,任意方向均無明顯步距損失;膠囊機器人在豬