基于靈巧機(jī)器人的主動(dòng)式膠囊內(nèi)鏡的磁場(chǎng)建模與運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、由于當(dāng)前臨床應(yīng)用的膠囊內(nèi)鏡還存在著被動(dòng)前行、隨機(jī)拍攝、不能對(duì)可疑病灶重點(diǎn)觀察、無(wú)法進(jìn)行位置和姿態(tài)控制、檢查時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等缺陷，因此必須實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊的主動(dòng)控制。對(duì)于已提出的仿尺蠖、劃槳式、多腿式、活塞式等驅(qū)動(dòng)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(duì)于已提出的磁驅(qū)動(dòng)方式則存在不便操作、運(yùn)動(dòng)空間有限、無(wú)法進(jìn)行全自由度位姿控制、損傷腸道或者對(duì)膠囊的外形有特殊的要求等問(wèn)題。
　　基于當(dāng)前已提出的主動(dòng)控制方法的不足，課題提出基于靈

2、巧機(jī)器人的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控制理念。由于當(dāng)前無(wú)類似的建模應(yīng)用，課題首先針對(duì)膠囊磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)基于分子環(huán)流理論獲得矩形永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度3D分布的解析表達(dá)式，然后基于磁偶極子理論進(jìn)行單磁體驅(qū)動(dòng)和雙磁體驅(qū)動(dòng)建模，繼而得到任意姿態(tài)的矩形永磁體在外磁場(chǎng)作用時(shí)所受磁場(chǎng)力和磁力矩的3D解析表達(dá)式。通過(guò)與ANSYS的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證該模型實(shí)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(wèn)題和指數(shù)積公式對(duì)靈巧機(jī)

3、器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)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(duì)膠囊在腸道內(nèi)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行受力分析，分別針對(duì)2D和3D空間中的腸道模型進(jìn)行腸道內(nèi)的靜力學(xué)建模和分析。為避免單磁體拖動(dòng)時(shí)出現(xiàn)姿態(tài)逆解無(wú)解的情況，結(jié)合雙磁體拖動(dòng)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(wèn)題。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊的主動(dòng)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(shí)間，課題分別提出基于多自由手柄機(jī)構(gòu)的人工導(dǎo)航方法和