【摘要】：由于膠囊式內(nèi)窺鏡在進(jìn)行腸胃鏡檢查過程中無法像傳統(tǒng)腸胃鏡一樣操作和控制,因而需要一種遠(yuǎn)程的干預(yù)手段來實現(xiàn)主動控制。膠囊式內(nèi)窺鏡磁控導(dǎo)航設(shè)備就是的一種膠囊式內(nèi)窺鏡主動控制輔助工具,它能按照操作者意圖完成,通過磁場對體內(nèi)的膠囊進(jìn)行操控,輔助完成檢查工作。本學(xué)位論文研發(fā)和設(shè)計了一整套完整的磁控導(dǎo)航設(shè)備控制系統(tǒng),旨在在膠囊內(nèi)鏡檢查過程中為醫(yī)生提供更方便和精準(zhǔn)的控制手段,提高檢查效率,減少病人痛苦。本文完成的主要工作如下:首先,針對常規(guī)膠囊內(nèi)窺鏡的使用場景和在使用過程中遇到的問題與瓶頸,提出膠囊內(nèi)窺鏡磁控導(dǎo)航設(shè)備的實現(xiàn)方案,包括要實現(xiàn)的功能、實現(xiàn)的方法設(shè)想等。然后,根據(jù)膠囊內(nèi)窺鏡的使用場景,建立電磁學(xué)和力學(xué)模型。分別分析了永磁體和電磁線圈產(chǎn)生的空間磁場的大小與分布,并進(jìn)行了數(shù)值仿真。隨后推導(dǎo)出膠囊內(nèi)窺鏡在其磁場中所受磁力、磁力矩的計算方式。根據(jù)以上結(jié)果,提出兩種膠囊控制場景,即漂浮狀態(tài)和懸浮狀態(tài),并分析了在兩種狀態(tài)下的力學(xué)模型,用數(shù)值計算等方法得到了坐標(biāo)量之間的定量關(guān)系,為后續(xù)實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的有效導(dǎo)航控制提供理論基礎(chǔ)。然后,對導(dǎo)航系統(tǒng)硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。包括控制系統(tǒng)電氣電路的設(shè)計,電氣結(jié)構(gòu)總體方案、單獨模塊方案以及電控柜的布局等等。然后,對導(dǎo)航系統(tǒng)軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。先是進(jìn)行總體設(shè)計,包含軟件的需求分析、框架設(shè)計和軟件流程設(shè)計。再進(jìn)行詳細(xì)的前端軟件、后端軟件以及輔助工具類的設(shè)計。最后實現(xiàn)對控制算法的設(shè)計,包括運動規(guī)劃、膠囊的開環(huán)運動控制算法和閉環(huán)運動控制算法。最后,針對設(shè)計時提出的需求和方案,設(shè)計實驗對系統(tǒng)功能進(jìn)行了測試,并分析了系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足。
【圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文3圖1-1 日本東京工業(yè)大學(xué)蠕動微型圖機器人Fig.1-1 Peristaltic microtext robot of Tokyo University of Technology國內(nèi)上海交通大學(xué)提出了模仿蚯蚓運動模式的主動式微型裝置，可以適應(yīng)細(xì)小、曲折、柔軟的人體消化道內(nèi)環(huán)境，能實現(xiàn)穩(wěn)定控制和可靠運動，而且可以有效攜帶工具完成設(shè)定的操作，安全完成腸胃道檢測工作。南京航空航天大學(xué)也進(jìn)行了很多仿生機器人研究，他們研究了精子運動的模型，設(shè)計并制作了一種類似精子的游動膠囊，可以實現(xiàn)在液體中運動。但是內(nèi)部驅(qū)動有以下幾個缺點：1.驅(qū)動本身需要消耗大量的能源，可能造成所攜帶的電量不足；2.微型膠囊的機構(gòu)復(fù)雜，制造工藝?yán)щy，制造的成本也很高；3.其機構(gòu)的尖銳部分可能對消化道產(chǎn)生機械損傷；4.膠囊運動速度緩慢。因此相比于內(nèi)部驅(qū)動

要實現(xiàn)三位控制就要使用 6 個線圈，空間排布較困難；而且線圈需要的電流很大，使用不安全。圖1-2 亥姆霍茲線圈和麥克斯韋線圈Fig.1-2 Helmholtz coil and Maxwell coil加拿大滑鐵盧大學(xué)學(xué)者采用 6 組電磁鐵聚焦的方式，操縱磁性膠囊在粘性介質(zhì)中定點懸浮和做三自由度運動，并能沿預(yù)定軌跡移動[10]。但是該裝置的位置控制精度和響應(yīng)速度都不高，而且由于電磁鐵產(chǎn)生的磁場在氣隙中衰減很快（和距離的三次方成正比），，因此有效磁場作用距離十分有限，可控性不佳。圖1-3 電磁鐵控制膠囊懸浮Fig.1-3 Electromagnetically controlled capsule suspension中國安翰光電技術(shù)有限公司發(fā)明了一種使用球狀永磁體控制膠囊漂浮和運動的裝置[11]。該裝置利用磁場控制，使得磁力與重力和浮力平衡，建立了一個穩(wěn)定的懸浮系統(tǒng)，膠囊內(nèi)鏡可以在 xyz 三個方向上平移運動和各個角度上偏轉(zhuǎn)觀
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH776;TP273

【參考文獻(xiàn)】

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1 顏國正;陳雯雯;;腸道內(nèi)窺鏡機器人研究進(jìn)展[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2015年01期

2 翁光遠(yuǎn);王社良;;磁控形狀記憶合金主動控制系統(tǒng)及試驗研究[J];振動與沖擊;2013年01期

3 張克通;王化明;;圓柱永磁體磁場及磁力分析[J];機械制造與自動化;2010年03期

4 王玉梅;孫慶龍;;利用MATLAB分析圓環(huán)電流的磁場分布[J];長春師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年02期

5 路鶴晴;卓維海;朱國英;高林峰;沈耀芳;陳麗芳;;X射線CT醫(yī)療照射所致上海市公眾劑量負(fù)擔(dān)的研究[J];中國醫(yī)學(xué)計算機成像雜志;2009年03期

6 王瑜;;永磁裝置中磁場力的計算[J];磁性材料及器件;2007年05期

7 張興;方亮;李國麗;鄧凡李;李劍平;;無線內(nèi)窺鏡中圓柱永磁體建模與仿真[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2007年03期

8 金建勛;鄭陸海;;高溫超導(dǎo)材料與技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J];電子科技大學(xué)學(xué)報;2006年S1期

9 劉曉軍;岳紅梅;盧艷坤;;對算符運算規(guī)則的分析[J];高師理科學(xué)刊;2006年02期

10 張全莊;蘭羽;;Smith預(yù)估器在大遲延系統(tǒng)中的應(yīng)用[J];機床與液壓;2006年04期

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3 高鳴源;磁導(dǎo)式膠囊內(nèi)窺鏡力學(xué)建模與系統(tǒng)研制[D];華中科技大學(xué);2010年

4 胡程志;微型膠囊內(nèi)窺鏡電磁驅(qū)動設(shè)計與主動控制研究[D];華中科技大學(xué);2010年

5 何亮;高溫超導(dǎo)EMS磁浮系統(tǒng)方案研究[D];西南交通大學(xué);2009年

本文編號：2622934