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磁控式模块化胶囊机器人系统设计与控制方法研究

磁控式模块化胶囊机器人系统设计与控制方法研究

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作者：蔡卓丛天津理工大学

学位级别：硕士

胶囊机器人自问世以来,因其在生物医学领域的巨大潜力而受到广泛关注,为人体胃肠道的检查与治疗带来了历史性的进步。近年来,具有多种功能的磁控式胶囊机器人展示出了巨大的潜力,如图像采集、靶向施药、取活检等。而多个携带单个功能模... 详细信息

胶囊机器人自问世以来,因其在生物医学领域的巨大潜力而受到广泛关注,为人体胃肠道的检查与治疗带来了历史性的进步。近年来,具有多种功能的磁控式胶囊机器人展示出了巨大的潜力,如图像采集、靶向施药、取活检等。而多个携带单个功能模块的胶囊机器人协同工作可以避免单个胶囊机器人因集成模块较多、体积较大而无法在临床上应用的问题。所以如何实现多个可携带单个功能模块的胶囊机器人在同一磁场环境下协同控制成为亟待解决的难题。本文提出了一种磁控式模块化胶囊机器人系统,由磁控式模块化胶囊机器人和电磁驱动系统组成。该机器人由三个可携带单功能模块的子胶囊机器人组成,以螺旋喷射为动力,通过电磁驱动系统产生万向空间旋转磁场控制其运动与多模式转换,解决了单个胶囊机器人集成多种模块后体积过大、造成无法吞咽或者肠道堵塞的问题。首先,本文建立了模块化胶囊机器人的转矩模型,根据转矩平衡的原理,揭示了模块化胶囊机器人在外部磁场驱动下的不同运动状态。其次,通过建立动力学模型,分析了以螺纹喷射为动力的胶囊机器人结构参数对运动性能的影响,优化结构参数,提高运动性能,为胶囊机器人的设计与控制提供理论依据。本文提出了一种在同一磁场环境下控制模块化胶囊机器人实现运动、分离与对接的控制方法,该方法既可以控制三个子胶囊机器人对接成一个模块化胶囊机器人运动,也可以控制模块化胶囊机器人分离成三个子胶囊机器人并选择性地控制特定的子胶囊机器人运动,实现在同一磁场环境下对多个磁控式胶囊机器人的协同控制。通过建立了模块化胶囊机器人的运动特征方程,揭示了该机器人在磁场驱动下不同的运动模式,实现在同一磁场环境下,改变磁感应强度和旋转频率,控制模块化胶囊机器人的运动和多模式转换,解决了多个胶囊机器人在同一磁场环境下的协同控制问题。实验结果表明,模块化胶囊机器人具有较高的适应性,可以在有限的空间和同一磁场环境下,实现对接与分离,并在分离后精确控制三个子胶囊机器人的独立运动和多任务点的定点停驻。应用本文提出的协同控制方法,使多个可携带单功能模块的子胶囊机器人可被分别吞咽,从而同时实现人体消化道内的检查、治疗等多种医疗任务。

关键词：模块化胶囊机器人协同控制启动和截止频率分离和对接定点停驻

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