靶向给药多模块化胶囊机器人系统的结构与控制研究

作     者：包子洪 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭健

授予年度：2020年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：靶向给药胶囊机器人 空间万向磁场 多模块化 图像采集 三轴亥姆霍兹线圈 

摘      要：目前,医用胶囊内窥镜机器人作为一种无痛无创伤低侵入性的人体胃肠道诊断方案,在现代的医疗中得到了越来越多的关注。基于临床诊断的操作需求,本研究提出了一种新型的靶向给药多模块化胶囊机器人系统（TDDMCRS）,主要包含了靶向给药模块,图像采集模块。同时,设计并分析了外磁场驱动系统,设计了运动特性评价、图像采集实验、靶向施药实验、模块化机器人配合施药的实验,验证了系统的可行性。首先,本课题研究了三轴亥姆霍兹线圈（TAHC）磁场驱动系统,并说明了外界旋转磁场产生原理,实现了机器人的灵活运动和精准靶向施药。同时,对空间万向磁场进行了矢量分析,对机器人在磁场中运动、图像采集、靶向给药功能的可行性进行了论证。其次,设计了两个具有图像采集和靶向给药功能的机器人样机。本课题所设计的图像采集机器人为三段式结构,需要将图像采集模块封装在机器人内部,在保证获取清晰图片的同时保证密封性;设计的靶向给药机器人内部有磁力锁和推力装置,确保药物密封运送并且实现精确给药。再次,对靶向给药多模块化机器人进行了力学和运动特性分析。本课题建立了靶向给药胶囊机器人的力学模型,对不同参数的机器人进行流体力学仿真,对药仓建立了力学模型,并对药仓内推力与出药速度仿真,保证了靶向给药机器人能够将药物喷射到胃肠道壁上。对机器人系统进行了运动特性分析,得出了机器人运动速度与磁场变化频率的关系,分析了整个系统的运动模式。最后,设计了运动特性评价、机器人靶向施药,模块化机器人配合施药的实验,对靶向给药多模块化胶囊机器人系统的运动特性和功能进行了实验和测试。在不同流速、不同密度的溶液中进行了实验,验证两个机器人的运动特性,选取了最合适的运动速度和频率;对两个机器人的功能进行了测试,验证了图像采集机器人的图像采集功能和靶向给药机器人的施药功能;从整个系统的角度进行了实验测试,验证了本课题所设计的系统的可行性。未来,随着科技的进步和医学的发展,胶囊机器人的功能会越来越丰富,其应用也会越来越广泛,取代传统的肠胃病诊断方式。