胶囊式内窥镜磁控导航设备控制系统设计

发布时间：2020-04-11 00:57

【摘要】：由于胶囊式内窥镜在进行肠胃镜检查过程中无法像传统肠胃镜一样操作和控制,因而需要一种远程的干预手段来实现主动控制。胶囊式内窥镜磁控导航设备就是的一种胶囊式内窥镜主动控制辅助工具,它能按照操作者意图完成,通过磁场对体内的胶囊进行操控,辅助完成检查工作。本学位论文研发和设计了一整套完整的磁控导航设备控制系统,旨在在胶囊内镜检查过程中为医生提供更方便和精准的控制手段,提高检查效率,减少病人痛苦。本文完成的主要工作如下:首先,针对常规胶囊内窥镜的使用场景和在使用过程中遇到的问题与瓶颈,提出胶囊内窥镜磁控导航设备的实现方案,包括要实现的功能、实现的方法设想等。然后,根据胶囊内窥镜的使用场景,建立电磁学和力学模型。分别分析了永磁体和电磁线圈产生的空间磁场的大小与分布,并进行了数值仿真。随后推导出胶囊内窥镜在其磁场中所受磁力、磁力矩的计算方式。根据以上结果,提出两种胶囊控制场景,即漂浮状态和悬浮状态,并分析了在两种状态下的力学模型,用数值计算等方法得到了坐标量之间的定量关系,为后续实现导航系统的有效导航控制提供理论基础。然后,对导航系统硬件进行了详细设计。包括控制系统电气电路的设计,电气结构总体方案、单独模块方案以及电控柜的布局等等。然后,对导航系统软件进行了详细设计。先是进行总体设计,包含软件的需求分析、框架设计和软件流程设计。再进行详细的前端软件、后端软件以及辅助工具类的设计。最后实现对控制算法的设计,包括运动规划、胶囊的开环运动控制算法和闭环运动控制算法。最后,针对设计时提出的需求和方案,设计实验对系统功能进行了测试,并分析了系统的优势与不足。
【图文】：

工业大学,机器人,上海交通大学,胶囊

上海交通大学硕士学位论文3图1-1 日本东京工业大学蠕动微型图机器人Fig.1-1 Peristaltic microtext robot of Tokyo University of Technology国内上海交通大学提出了模仿蚯蚓运动模式的主动式微型装置，可以适应细小、曲折、柔软的人体消化道内环境，能实现稳定控制和可靠运动，而且可以有效携带工具完成设定的操作，安全完成肠胃道检测工作。南京航空航天大学也进行了很多仿生机器人研究，他们研究了精子运动的模型，设计并制作了一种类似精子的游动胶囊，可以实现在液体中运动。但是内部驱动有以下几个缺点：1.驱动本身需要消耗大量的能源，可能造成所携带的电量不足；2.微型胶囊的机构复杂，制造工艺困难，制造的成本也很高；3.其机构的尖锐部分可能对消化道产生机械损伤；4.胶囊运动速度缓慢。因此相比于内部驱动

亥姆霍兹线圈

要实现三位控制就要使用 6 个线圈，空间排布较困难；而且线圈需要的电流很大，使用不安全。图1-2 亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈Fig.1-2 Helmholtz coil and Maxwell coil加拿大滑铁卢大学学者采用 6 组电磁铁聚焦的方式，操纵磁性胶囊在粘性介质中定点悬浮和做三自由度运动，并能沿预定轨迹移动[10]。但是该装置的位置控制精度和响应速度都不高，而且由于电磁铁产生的磁场在气隙中衰减很快（和距离的三次方成正比），，因此有效磁场作用距离十分有限，可控性不佳。图1-3 电磁铁控制胶囊悬浮Fig.1-3 Electromagnetically controlled capsule suspension中国安翰光电技术有限公司发明了一种使用球状永磁体控制胶囊漂浮和运动的装置[11]。该装置利用磁场控制，使得磁力与重力和浮力平衡，建立了一个稳定的悬浮系统，胶囊内镜可以在 xyz 三个方向上平移运动和各个角度上偏转观
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH776;TP273

【参考文献】