摘要：本文系统综述了磁驱动胶囊机器人的设计、控制机制和多样化应用,旨在通过系统文献检索和分析,为从事胶囊机器人开发和利用的研究人员、工程师和从业者提供有价值的见解。本文从尺寸形状、材料和运动机制方面总结了磁驱动胶囊机器人的设计原则,分析了精确控制方法和定位导航策略,探讨了磁驱动胶囊机器人在胃肠道疾病检查、靶向药物输送和微创手术方面的多样化应用。根据系统综述的范围和目标,概括了该领域存在的技术挑战和潜在的研究方向。通过对定位精度、控制策略、材料性能等问题的不断研究和创新,磁驱动胶囊机器人系统将为医学治疗和生物学研究领域带来重大突破和进步。

摘要：磁控胶囊机器人主要应用于人体肠道的诊断和治疗。根据永磁体法,设计制造了一套磁控胶囊机器人旋进时管内流体流场测量系统,采用CFD方法数值计算和PIV技术实验测量机器人周围流体涡量,数值计算和实验测量结果的变化趋势和大小基本相同。更进一步采用均匀设计数值模拟优化方法,数值计算管道直径、机器人平移速度、机器人转速和流体动力粘度对胶囊机器人运行平稳度(即以机器人周围流体湍流强度为指标)的影响规律,建立了胶囊机器人周围流体湍流强度一次回归模型。结果表明:胶囊机器人系统各类参数对机器人周围流体湍流强度的影响程度不同,其中,流体动力粘度>机器人平移速度≈机器人转速>管道直径的影响;胶囊机器人运行最为平稳时的各类参数组合为:管道直径为16 mm,机器人平移速度为0.02 m/s,机器人转速为90 r/min,粘液动力粘度为0.005 Pa·s。

摘要：针对传统环绕式发射线圈的尺寸过大及穿戴不便等问题,文章提出了一种使用平面螺旋线圈作为发射线圈的胶囊机器人无线供能系统,有效地减小了发射线圈的尺寸,同时避免了穿戴不便的问题,提高了胶囊机器人无线供能系统的适用性。论文给出了系统的等效电路模型,研究了系统传输效率与系统参数的关系;对接收端线圈匝数进行了优化,提高了系统的传输效率;通过阻抗变换将负载的等效阻抗优化为最优负载。最后对基于该方案的无线能量传输系统进行了实验验证。结果表明,样机系统在10 cm传输距离下的传输效率达到了8.8%,传输功率超过了1 W。

摘要：胶囊内镜(胶囊机器人)广泛应用于人体胃肠道的检查。目前临床应用的胶囊内镜外表面为光滑表面,而螺旋表面是否有利于提高胶囊内镜运行能力而不改变其运行稳定性有待进一步研究。采用PIV技术,通过研制的磁驱胶囊机器人管内流体流场测量系统测量光滑胶囊机器人与不同参数螺旋胶囊机器人旋进时的周围流体流场,并进一步采用CFD方法数值计算胶囊机器人周围流体流场和湍流强度以及胶囊机器人前进方向阻力和阻力矩。研究表明:永磁体驱动的光滑胶囊机器人运行性能优于螺旋胶囊机器人;螺旋胶囊机器人槽深越大,机器人所受阻力、阻力矩和周围流体湍流强度越大。

摘要：胶囊机器人广泛应用于人体肠道的检查和治疗。根据永磁体法,设计制造了一种磁控光滑胶囊机器人。基于计算流体动力学(CFD)方法,模拟了胶囊机器人在充满黏液的管道内旋进(旋转和平移)时,其周围流体的流场(速度和涡量);利用粒子图像测速(PIV)技术测量该流场;计算了胶囊机器人以不同转速旋进时,管道内流体流场以及胶囊机器人所受到的阻力、阻力矩和周围流体的平均湍流强度等。最后,还对胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小进行了实验测量。结果表明:1)随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人四周和下部区域流体速度和流体涡量都略微增大,而其周围流体的流线和涡量分布规律基本相似。2)随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人前进方向所受阻力矩和周围流体平均湍流强度均增大,而其前进方向所受阻力基本不变。3)实验测量到的胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小与数值计算结果基本相似。

摘要：针对目前主动式胶囊机器人存在的安全性和有效性问题,提出了一种基于伸缩和平移机构的腿式胶囊机器人.其中,伸缩机构采用微型连杆结构,平移结构采用丝杠-螺母结构.在空间位置、速度和输出力等约束条件下,对这两套驱动机构进行建模和分析,实现尺寸参数和电动机工作参数的优化.经过优化,伸展速度的范围为16.8 mm/s^34.2 mm/s,伸展力的范围为2.45 N^0.44 N,伸展效率的范围为92.8%~34.0%;而平移速度、平移推力和平移效率则基本保持恒定,分别为50 mm/min、4.20 N和50%.胶囊机器人驱动单元的长度和外径分别为33 mm和16 mm.最后,在离体猪结肠内测试该腿式胶囊平移机构机器人的性能,结果表明它可实现有效、安全的伸缩与平移运动,其平均速度可达25 mm/min.

摘要：目的胶囊内镜机器人受尺寸限制和安全性等因素的影响,传统锂电池或拖缆式供能已不能满足要求,如何提供有效的供能方式成为其发展的重大瓶颈。随着无线供能方式的提出,基于电磁感应的无线能量传输被视为一种有效解决该问题的供能方式。方法设计了一个在任意姿态下接收线圈均能高效稳定供能胶囊机器人的无线能量传输系统。首先设计了符合赫姆霍兹线圈结构的双螺线管对线圈作为发射线圈,再结合机器人结构特征设计新型的磁芯结构和绕线方式,构成新型三维正交接收线圈。最后在由发射线圈和体外控制电路组成的可调谐发射平台上进行了0~360°范围内系统有效接收效率的测试。结果该系统能量传输效率在线圈任意姿态不低于4.95%,解决了因接收线圈姿态变化导致的供能不足问题。结论在输入功率为10.88 W条件下能提供最少544 m W的能量,实验验证了该系统的可行性。

摘要：为实现消化道类疾病检查中胶囊机器人的转动、前进等复合运动的驱动,课题组提出一种驱动食道诊疗胶囊的设计方案,用于控制食道诊疗胶囊在食道内的运动和定位。首先,利用UG软件建立驱动机器人三维数字化模型;其次,利用拉格朗日法建立驱动机器人的动力学模型;将三维模型导入ADAMS软件,根据设计要求添加运动约束;最后,通过ADAMS软件完成动力学建模与仿真分析,获得驱动机器人各关节的运动特征曲线,利用ADAMS仿真分析,验证了所设计的驱动机器人具有较好的动力学特性。建立的动力学方程为后续食道诊疗胶囊的驱动控制和多物理场仿真提供了参考依据。

摘要：为了实现胶囊内窥镜的自主行走,笔者设计了一种胶囊机器人的行走机构。该胶囊机器人采用两个直流电机作为动力源,可以完成一般三个动力源才能完成的动作。文章主要讨论了该胶囊机器人的结构和运动原理。

摘要：研究表面螺旋胶囊机器人在外部旋转磁场作用下在黏液中的运动特性.首先介绍外磁推进的胶囊机器人的系统构成,给出表面螺旋胶囊在黏液中旋进的磁主动矩的表达式,然后制作了镶有条形强磁片的胶囊机器人样品,搭建了旋转磁场试验台,配置了不同动力黏度的二甲基硅油以模拟人体体液.试验模拟旋转磁场对胶囊机器人在不同黏性液体中的旋转,证明了设计的合理性和可行性.当外部磁场强度在6.281 A/m左右时,胶囊机器人受到的驱动力矩为1.0 mN.m左右.在胶囊机器人的设计中,决定需要的外部磁场强度以及所受到的阻力矩大小的因素依次为胶囊直径、设计的工作转速和黏液的黏度.