面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统及其无线能量传输技术研究

发布时间：2017-10-16 00:14

  本文关键词：面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统及其无线能量传输技术研究

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【摘要】：当今社会胃肠道疾病的死亡率很高,所以针对胃肠道疾病的早期诊查显得尤为重要。为了避免传统内窥镜检查过程复杂,给病人带来不适,检查范围受限的不足,以及胶囊内窥镜检查无法主动诊查,工作时间有限,诊查存在盲区的缺陷,本文针对面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统,以及相应的无线能量传输技术展开了研究。本文首先从国内外有关胃肠道诊查的研究出发,分析总结了不同诊查方式的优缺点,阐述了本文提出的面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统的设计目的及该系统的合理性。选用了仿尺蠖的运动方式,并在满足微型化要求的前提下,设计了使用螺线腿的径向钳位机构以及使用螺杆螺母的轴向伸缩机构,使微型机器人既能够在胃肠道内有效运动,又能够满足生物组织安全性的要求。为了实时控制胃肠道微型机器人,设计了以微控制器为核心的控制电路,包括无线通信收发模块、电机驱动模块、运动检测模块、电流检测模块。完成了机构控制程序、无线通信程序、动作检测程序的编写,实现了仿尺蠖的运动方式,保证了微型机器人在胃肠道内的稳定运行。无线能量传输技术是保障胃肠道微型机器人摆脱工作时间限制、实现无缆化的关键技术。本文在回顾了当今主要的无线能量传输方式后,选择了感应耦合的无线能量传输方式,并分析了其能量传输效率。为了提高能量传输效率,对无线能量发射线圈的交流电阻进行了深入的分析。根据趋肤效应以及邻近效应相应理论,结合利兹线的特殊结构,提出了发射线圈交流电阻的计算模型,并通过实验验证了准确性。为针对于胃肠道微型机器人的无线能量传输系统的进一步优化提供了理论基础。本文设计了能适应胃肠道环境的机械结构,以及涵盖软硬件的控制系统。在完成了胃肠道微型机器人诊查系统各部分的制作与调试后,开展了各功能的测试实验,以及在模拟管道内和离体小肠内的运动性能实验。实验过程中,微型机器人能够在管道和离体小肠内有效运动,验证了仿尺蠖运动的合理性,机械结构运动的可靠性与安全性,无线能量传输的有效性。
【关键词】：微型机器人 胃肠道诊查 无线能量传输 交流电阻
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH776
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1. 研究背景与意义12-13
• 1.2. 研究现状13-22
• 1.2.1. 能够主动运动的胃肠道微型机器人发展概况13-20
• 1.2.2. 无线能量传输技术研究现状20-22
• 1.3. 本文的主要研究内容22-25
• 第二章 胃肠道微型机器人机械结构设计25-35
• 2.1. 胃肠道微型机器人机构设计需求25-27
• 2.1.1. 胃肠道微型机器人的运动方式25-27
• 2.2. 胃肠道微型机器人的机构设计27-34
• 2.2.1. 前舱与后舱的钳位机构设计27-30
• 2.2.2. 中舱轴向伸缩机构设计30-32
• 2.2.3. 机构运动检测模块设计32-34
• 2.3. 本章小结34-35
• 第三章 胃肠道微型机器人控制系统研究35-48
• 3.1. 胃肠道微型机器人诊查系统框架35-36
• 3.2. 胃肠道微型机器人控制电路设计36-41
• 3.2.1. 微控制器的选择36-37
• 3.2.2. 无线通信模块37-38
• 3.2.3. 稳压模块的设计38-39
• 3.2.4. 电流检测模块的设计39
• 3.2.5. 电机驱动模块的设计39-40
• 3.2.6. 霍尔开关动作检测模块的设计40-41
• 3.2.7. 信号发射板串.通信模块的设计41
• 3.3. 胃肠道微型机器人体内控制程序设计41-44
• 3.4. 胃肠道微型机器人体外控制系统44-46
• 3.5. 本章小结46-48
• 第四章 无线能量传输系统研究48-56
• 4.1. 无线能量传输方式的选择48-49
• 4.2. 无线能量传输技术基本原理49-50
• 4.3. 线圈耦合分析50-53
• 4.4. 无线能量传输系统电路设计53-55
• 4.4.1. 无线能量发射电路53-55
• 4.4.2. 无线能量接收电路55
• 4.5. 本章小结55-56
• 第五章 无线能量发射线圈研究56-73
• 5.1. 线圈交流电阻决定因素56-63
• 5.1.1. 趋肤效应56-59
• 5.1.2. 邻近效应59-62
• 5.1.3. 利兹线62-63
• 5.2. 发射线圈阻抗模型63-70
• 5.2.1. 发射线圈磁场分布63-68
• 5.2.2. 发射线圈交流电阻68-70
• 5.3. 线圈阻抗测量70-72
• 5.4. 本章小结72-73
• 第六章 胃肠道微型机器人诊查系统实验研究73-80
• 6.1. 胃肠道微型机器人参数73-74
• 6.2. 模块功能测试实验74-76
• 6.2.1. 通信模块测试实验74-75
• 6.2.2. 视频模块实验75-76
• 6.3. 胃肠道微型机器人运动实验76-79
• 6.3.1. 圆形刚性管运动实验76-77
• 6.3.2. 柔性软管运动实验77-78
• 6.3.3. 离体肠道运动实验78-79
• 6.4. 本章小结79-80
• 第七章 总结与展望80-83
• 7.1. 工作总结80-82
• 7.2. 工作展望82-83
• 参考文献83-89
• 致谢89-90
• 学术论文和科研成果目录90-91
• 附件91

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本文编号：1039515