基于靈巧機器人的主動式膠囊內(nèi)鏡的磁場建模與運動控制.pdf

1、由于當前臨床應(yīng)用的膠囊內(nèi)鏡還存在著被動前行、隨機拍攝、不能對可疑病灶重點觀察、無法進行位置和姿態(tài)控制、檢查時間過長等缺陷，因此必須實現(xiàn)對膠囊的主動控制。對于已提出的仿尺蠖、劃槳式、多腿式、活塞式等驅(qū)動方式，不僅耗能較多占用膠囊空間大且系統(tǒng)可靠性不能保證。而對于已提出的磁驅(qū)動方式則存在不便操作、運動空間有限、無法進行全自由度位姿控制、損傷腸道或者對膠囊的外形有特殊的要求等問題。
　　基于當前已提出的主動控制方法的不足，課題提出基于靈

2、巧機器人的磁場驅(qū)動控制理念。由于當前無類似的建模應(yīng)用，課題首先針對膠囊磁場驅(qū)動的特點基于分子環(huán)流理論獲得矩形永磁體磁感應(yīng)強度3D分布的解析表達式，然后基于磁偶極子理論進行單磁體驅(qū)動和雙磁體驅(qū)動建模，繼而得到任意姿態(tài)的矩形永磁體在外磁場作用時所受磁場力和磁力矩的3D解析表達式。通過與ANSYS的仿真數(shù)據(jù)進行比較，驗證該模型實際可用。隨后，為避免D-H法模型復(fù)雜、涉及變量較多的缺陷，課題基于 Paden-Kahan子問題和指數(shù)積公式對靈巧機

3、器人進行運動學(xué)正解和運動學(xué)逆解建模，并根據(jù)距離起始位置最短的原則從獲得的八組解中選擇出最優(yōu)解。然后，課題針對膠囊在腸道內(nèi)的運行特點進行受力分析，分別針對2D和3D空間中的腸道模型進行腸道內(nèi)的靜力學(xué)建模和分析。為避免單磁體拖動時出現(xiàn)姿態(tài)逆解無解的情況，結(jié)合雙磁體拖動的靜力學(xué)模型，將膠囊的位姿逆解控制轉(zhuǎn)化為最優(yōu)問題。同時，為實現(xiàn)對膠囊的主動控制和姿態(tài)調(diào)整，縮短醫(yī)生的學(xué)習(xí)周期，減少消化道診療時間，課題分別提出基于多自由手柄機構(gòu)的人工導(dǎo)航方法和