胶囊内窥镜驱动系统的设计与研究

发布时间：2017-07-01 22:00

  本文关键词：胶囊内窥镜驱动系统的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着机械电子与生物医学工程的发展，医疗器械向更科技化、微型化、人性化的方向发展。以色列Given Image公司于2000年首先开发无线胶囊内窥镜成功，并应用于临床，克服了传统的缆线式方法存在不能实现完整的小肠检查和损伤内腔组织等不足，并且避免了内窥镜检查给病人带来的巨大痛苦。但这种胶囊内窥镜只能利用消化道自然蠕动来遍历整个检查区域，这个过程缓慢而不可控。为实现无线胶囊内窥镜的功能扩展，必须在现有基础上加入安全有效的驱动控制。在国内外，胶囊内窥镜的主动驱动与姿态调整控制研究刚刚起步，许多院校和研究机构提出了各种驱动原理的肠道微型机器人，但至今还没有一种驱动方式是有效应用于临床的。 考虑到胃肠道里是充满褶皱和流固混合物的特殊环境，通过旋转螺杆进行驱动这一方案值得进一步的设计与分析研究。结合实际要求的安全性和可行性，进行了驱动机构及其配套设计，和不同参数样机的加工。同时，提出了螺杆推进胶囊内窥镜较为安全可靠的工作策略。通过螺旋推进驱动方案的进一步探索，促进其走向临床应用。 螺杆驱动的数学建模，前人的工作仅停留在基于动压粘液膜理论的分析，而没有考虑其与壁面不可避免的接触情况。本文不仅应用流体动压理论建立一维模型和利用有限差分法求解二维模型，得出胶囊内窥镜的各种设计参数及环境影响参数与螺杆周围的压力分布、胶囊内窥镜的驱动力、周向摩擦阻力矩和前进速度之间的关系曲线和规律，为螺杆的优化设计指明方向。而且，考虑到肠道环境的复杂性，分析了当螺杆与内壁面直接接触的模型，，并引入一加权值对这两种作用进行综合得到更加完整的驱动力模型。而由于螺杆的尺寸短，形似螺旋桨，引入了螺旋桨理论对螺杆轴向推进力和摩擦阻力矩进行了分析。 在实验研究上，螺杆推进的胶囊内窥镜在灌满水的软水管中，平均速度可达60mm/s，大大快于现有的带驱动机构的胶囊内窥镜的移动速度。而在推进力测量定量对比分析实验中，有别于以往螺杆推进研究者的推力测量实验，本文直接测量螺杆作用在胶囊内窥镜的推力，更加直接和接近实际工作时的情况，测得的数据更加科学和符合实际，具有更强的说服力。
【关键词】：胶囊内窥镜 主动驱动 胶囊机器人 螺杆推进 驱动机构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 主要符号表11-14
• 第一章 绪论14-34
• 1.1 研究背景、目的和意义14-15
• 1.2 肠胃道生理基础15-17
• 1.3 传统内窥镜17
• 1.4 胶囊内窥镜17-20
• 1.4.1 胶囊内窥镜产品18
• 1.4.2 胶囊内窥镜系统组成18-19
• 1.4.3 胶囊内窥镜优缺点19-20
• 1.5 双气囊内窥镜20-21
• 1.6 理想的胶囊式内窥镜机器人21
• 1.7 主动胶囊内窥镜国内外研究现状21-32
• 1.7.1 磁场驱动21-26
• 1.7.2 形状记忆合金驱动26-27
• 1.7.3 气压驱动内窥镜机器人27-28
• 1.7.4 压电驱动28-29
• 1.7.5 螺旋桨推进29
• 1.7.6 螺旋推进29-30
• 1.7.7 多足爬行30-31
• 1.7.8 游动机器人31-32
• 1.8 胶囊内窥镜发展现状总结32
• 1.9 本文的研究内容与结构32-34
• 第二章 驱动系统设计34-41
• 2.1 工作原理34
• 2.2 总体设计34-35
• 2.3 螺杆35
• 2.4 驱动器35-36
• 2.5 柔性联轴器36
• 2.6 鳍36-38
• 2.7 密封38
• 2.8 驱动控制38
• 2.9 图像模块38-39
• 2.10 样机39
• 2.11 工作策略39-40
• 2.12 本章小结40-41
• 第三章 螺杆驱动模型41-89
• 3.1 流体动压作用力分析41-82
• 3.1.1 相关研究42
• 3.1.2 雷诺方程的推导42-47
• 3.1.3 模型基本参数47-49
• 3.1.4 粘液膜形成机理及厚度计算49-54
• 3.1.5 一维模型54-59
• 3.1.6 一维模型计算结果与分析59-63
• 3.1.7 一维模型创新点63
• 3.1.8 二维模型63-74
• 3.1.9 二维模型计算结果与分析74-80
• 3.1.10 二维模型小结80
• 3.1.11 误差讨论80-81
• 3.1.12 小结81-82
• 3.2 固体作用力分析82-84
• 3.3 总的轴向推进力与周向摩擦阻力矩84-85
• 3.4 螺旋桨理论模型85-86
• 3.5 胶囊内窥镜整体受力模型86-87
• 3.6 本章小结87-89
• 第四章 实验与数据分析89-110
• 4.1 推进力定性实验89-91
• 4.1.1 在水与硅油中的实验89-90
• 4.1.2 在其它混合液的实验90-91
• 4.2 推进力测量及对比实验91-100
• 4.2.1 测验平台构成91-95
• 4.2.2 实验原理95-98
• 4.2.3 实验过程98-100
• 4.3 实验数据分析100-108
• 4.3.1 不同管径对推进力和周向摩擦阻力矩的影响101-102
• 4.3.2 槽深对推进力和周向摩擦阻力矩的影响102-104
• 4.3.3 螺杆长度对推进力和周向摩擦阻力矩的影响104-105
• 4.3.4 螺旋升角对推进力和周向摩擦阻力矩的影响105-106
• 4.3.5 不同粘度对推进力和周向摩擦阻力矩的影响106
• 4.3.6 偏心率对推进力和周向摩擦阻力矩的影响106-107
• 4.3.7 一种奇特的现象107-108
• 4.4 爬坡实验108-109
• 4.5 本章小结109-110
• 结论110-112
• 1. 主要工作和结论110-111
• 2. 创新点111
• 3. 展望111-112
• 参考文献112-119
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果119-120
• 致谢120-121
• 附件121

【参考文献】

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本文编号：507589