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我国研发出肠道内胶囊医疗微型机器人
无
【期刊名称】《企业技术开发：新远见》
【年(卷),期】2009(000)006
【摘要】体内介入检查与治疗具有安全、微创等优点，并迅速成为医学工程领域
的主流。
人们研制出的微型消化道胶囊内窥镜是利用消化道蠕动进行整个区域检查，由内嵌CMOS微型摄像机以无线方式传榆检查图像。
但其行走缓慢，存在视觉盲区；错过病变组织时，不能主动返程，使一些医疗作业无法完成。
因此研制可吞咽并能通过体外无缆驱动控制的胶囊机器人已成当务之急。
【总页数】0页(P128)
【作者】无
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.无线微型机器人肠道内窥镜系统中图像采集与无线传输子系统的设计 [J], 付国强;梅涛;孔德义;张彦
2.德国开姆尼茨工业大学研发出由喷气驱动的全球最小微型机器人 [J], 张宇
3.德国研究人员开发出可在血液中逆流而上输送药物的微型机器人 [J], 张宇
4.我国开发出游走在人体内的微型机器人 [J],
5.中国科研人员开发出“蚁群”微型机器人 [J],
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胃肠道诊疗微型机器人系统研究与设计作者：刘伟任思璟贾红丹刘拯廷徐晓鹏韩颜光董宏达来源：《科技风》2019年第28期摘要：设计在胃肠道胶囊机器人的内部嵌入一个永磁性体，通过麦克斯韦对和亥姆霍兹线圈的组合线圈产生的磁场为机器人提供动力，通过调整加载电流的大小获得合适的驱动磁场。
在磁转矩和磁力的作用下，机器人可以获得更好的控制。
实现了对机器人的前进和方向上的控制，减少了病人的痛苦，对提高手术的安全性有着重要意义。
关键词：外磁场;胶囊内窥镜;组合线圈1 绪论根据世界卫生组织提供的数据，消化系统疾病已经成为了世界各国人民健康的重大威胁。
在临床上，消化道里的息肉或肿瘤如及早的发现，及时的采取治疗，就能取得很好的治疗效果。
但是胃肠道里的环境非常复杂，其中小肠可达7米左右，传统的内窥镜检查的时间长，操作较为复杂，使用拖缆会给患者带来疼痛和不适，还会对肠道造成损伤引发并发症。
甚至带来出血和穿孔的危险。
针对传统的内窥镜诊查方式存在的不足，对能够克服这些弊端的胃肠道机器人的研究有着十分重要的意义。
胃肠道机器人对肠道的检测不仅具备传统内窥镜的优点同时也能够弥补缺点，是目前医学研究的热点之一。
由于胃肠道机器人的主动运行能力，相比于传统的内窥镜有更大的能量需求，为了解决胃肠道机器人的能量供应问题，采用了复合梯度场来驱动微型机器人的方法，改进了胃肠道机器人的控制方式，通过实验验证了胃肠道机器人的合理性和有效性。
2 胃肠道机器人的外磁场驱动方案设计在机器人的体内嵌入一个永磁性体，通过外磁场的磁力作用实现对机器人的驱动。
根据磁力公式：F=VM[ggii+ggii+ggii]T（1）可以看出受力的大小只与外磁场有关，因此要想让机器人正确的驱动就需要一个合适的外磁场分布。
通常外加磁场中，磁场强度和梯度会随着距离的改变发生巨大的变化。
根据作用力公式：F= m1m24πus3（2）当磁距发生微小变化时，磁力会发生突变，使定位、安全性不稳定。
胃肠道微型仿生机器人诊查系统及运动相容性研究的开题报告一、研究背景及意义：胃肠道疾病是当今全世界广泛存在的一类常见消化系统疾病。
目前，胃肠道疾病的检测和治疗仍然是一个挑战，传统的方法包括经内镜等检查方式常常会对患者造成身体不适、恶心等不适症状，而且还有可能发生并发症。
因此，研究发展一种微型仿生机器人诊查系统，对加强胃肠道疾病诊断和治疗具有重要的意义和价值。
本研究项目旨在研究微型仿生机器人在胃肠道内的运动相容性，针对传统检查方法的缺陷，使患者能够有一种更加安全、准确的诊查方式，加速胃肠道疾病的诊断和治疗。
二、研究目标：根据胃肠道内环境的特点，设计并研制一种能够自主移动、检测、采集数据的微型仿生机器人，以取代传统内镜检查手段，提供更加安全、准确的胃肠道疾病诊查方案。
三、研究内容：（1）对胃肠道内部环境进行深入研究，分析不同部位环境的特点和异同。
（2）设计并研制一种具有自主移动功能的微型仿生机器人，并优化其外形和结构，使其能够顺利进入胃肠道内部。
（3）研究微型仿生机器人的运动相容性，通过辅助运动的手段来控制微型仿生机器人的进退方向。
（4）研究微型仿生机器人的检测和采集数据功能，开发与之相应的软件，使其能够对胃肠道内部情况进行精确记录。
（5）研究微型仿生机器人的实用性和安全性，对其进行相应的实验和测试，验证其实用性和安全性。
四、研究方法：（1）对胃肠道环境进行深入调研，对胃肠道内部情况进行了解和分析，为后续的微型仿生机器人的设计提供参考。
（2）设计并研制一种具有自主移动功能的微型仿生机器人，优化其外形和结构，满足胃肠道内部环境的需要。
（3）通过电动力学定位技术，解决微型仿生机器人行走方向的问题，实现微型仿生机器人在胃肠道内部的自主移动。
（4）设计并研发微型仿生机器人的检测和采集数据功能，开发与之相应的软件系统，实现对胃肠道内部情况的精确记录。
（5）在实验室内对微型仿生机器人进行相关的安全性和实用性测试，验证研究结果的可靠性和实用性。
模拟人体肠道蠕动的微机器人运动实验
刘文光;陈扬枝;邢广权;付菁
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】论文在分析人体肠道的生理结构和蠕动特性的基础上,介绍了实验台的设计思路,设计了实验台的总体结构,并论述了实验台的工作原理和分析了微机器人的在管道内运行时的受力情况.之后利用实验台进行了微机器人的模拟运行实验,实验证明实验台能够很好地模拟人体肠道的部分特性,而且蠕动传动简单模拟效果良好.最后还指出了实验台的不足之处.
【总页数】3页(P78-80)
【作者】刘文光;陈扬枝;邢广权;付菁
【作者单位】华南理工大学,机械工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械工程学院,广州,510640
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.微颗粒在人体上呼吸道中运动沉积的数值模拟 [J], 曾敏捷;胡桂林;樊建人
2.一种面向放疗机器人的人体胸腹体表-肿瘤呼吸运动模拟器 [J], 豆梦;王传洋;郁树梅;孙荣川;孙立宁
3.运动人体科学实验室管理的探讨——以钦州学院人体解剖学实验室为例 [J], 张华;朱俊平
4.人体左心循环流动特性及左室形态、大小和舒缩运动对它的影响为人体循环模拟系统提供背景知识进行的临床观察 [J], 吴学军;郭加强;学谦;郭一如;王继海
5.人体呼吸运动模拟实验的改进和反思 [J], 洪英灿
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验证实两种密封方案均可行、可靠。
在专用的无线能量传输技术研究方面：为提高仿尺蠖式机器人内部的空间利用率，设计了分布式和交错式两种空心圆柱状三维接收线圈，它们可集成到平移单元外部圆周空间，避免传统实心三维接收线圈对机器人长度的增加。
考虑人体安全性和机器人内部可用空间的有限性，给出了分布式空心圆柱状三维接收线圈的优化设计方法，实现对绕线线径和匝数、谐振频率的优化选取。
对于交错式空心圆柱状三维接收线圈，导出其各维线圈匝数选择的指导方程，使三个维度线圈输出功率基本一致。
为解决机器人驱动电机启动和赌转尖峰功率造成的短时压降问题，设计了以超级电容阵列（SCA）作为能量缓冲器的机载能量管理电路，通过推导电路中各相邻模块间输入电阻的递推关系，建立起电路分析模型；该模型可用于SCA串并联结构和充电电压优化，以最大化SCA放电功率，减小尖峰功率造成的压降。
制作的能量管理电路原型尺寸为 13mm×4mm，可使机器人工作电压始终维持在3V以上，确保了机器人的工作稳定性。
本文在上述三项关键技术及相关实验方面的研究工作，为用于肠道诊查微型仿生机器人的设计、实现、以及性能提升提供了理论基础和工程经验，具有重要的参考价值。
关键词：肠道，微型仿生机器人，运动效率，长条形接触器件，运动机构，密封，无线能量传输，三维接收线圈，超级电容，能量管理电路RESEARCHES ON KEY TECHNOLOGIES OF MICRO-BIONIC ROBOTS FOR INSPECTING THE INTESTINESABSTRACTAs one of the promising alternatives to the traditional endoscope, the pill-sized micro-bionic robots which can inspect the intestine actively have attracted a lot of research interest during the past decades. Under the supports of the National Natural Science Foundation of China (No. 61673271, No. 81601631) and the Program of Shanghai Science and Technology Commision (No. 14441902800, No. 15441903100), this paper focuses on the research of the key technologies and related experiments of the micro-bionic robots so that a new device for diagnosing the intestinal diseases can be provided. The key technologies involve the compatibility between the robots and the intestine, the design of the locomotion mechanism (LM), and the development of the dedicated wireless power transmission (WPT) system.In the aspect of the compatibility between the micro-bionic robots and the intestine: After considering the particularity of the intestine which is slippery, viscoelastic, and freely suspended, as well as the abilities ofABSTRACTtwo-way locomotion, expanding, and anchoring which are essential for a qualified device for inspecting the intestine, we proposed two locomotion principles of sliding-clamper based and inchworm-like. The sliding-clamper based principle is implemented with a linear motion unit (LMU) and an anchoring unit (AU) which can be actuated by the LMU to move forward and backward. The inchworm-like principle is implemented with a LMU and two AUs which are fixed at both ends of the LMU. The AU is for expanding and anchoring, the LMU is for generating a displacement, and when they cooperates with each other, two-way locomotion can be enabled. The included modules of the micro-bionic robots are introduced, and their axial lengths are served as the design parameters. By analyzing the intestinal deformations induced by the locomotion steps of the robots based on these two locomotion principles, the corresponding continuity models are built, which correlate the locomotion efficiency and the design parameters quantitatively; and the correctness of the models is then validated experimentally. From the continuity models and the related experiments, we find: ①the locomotion efficiencies of the sliding-clamper based and inchworm-like robots can be improved by increasing the periodic stroke; ②to minimize the adverse effect exerted by the functional modules that need to be installed at the both ends of the robots, the ratio between the lengths of the functional modules assigned to the front and rear ends should be in arange of 1:(1.5-3) for the sliding-clamper based robot, while for the inchworm-like robot, the functional modules should be installed at the rear end as much as possible but the length should be less than 10-12 mm. In addition, a method of using the long contact devices to improve the locomotion efficiency of the inchworm-like robots has also been proposed and proven effective, which is also beneficial to avoiding intestinal injury relating to excessive expanding.In the aspect of designing the LMs of the micro-bionic robots: arc-shaped leg based expanding mechanism is employed for the AU, which enables an expanding/retracting diameter ratio which exceeds 200%; a pair of lead-screw and nut is employed for the LMU which works reliably and is able to generated a strong thrust. With the AU and LMU, we implemented a sliding-clamper based LM for the small intestine, types I and II of the inchworm-like LMs for the small intestine, and an inchworm-like LM for the colon. Kinetics analysis for the AU and LMU was conducted to select proper motor model and reduction ratio, so that the AU and LMU can perform actions effectively on the premise of not stimulating the intestine. To avoid mechanical and short-circuit faults of the LMs caused by the intestinal mucus, the LMs were sealed with the local and whole strategies, using O-rings, whose design parameters were selected based on the analysis and simulation results to minimize the sealing caused mechanical loss. TheABSTRACTtwo sealing strategies were verified to be feasible and reliable with experiments.In the aspect of WPT technology specific for the micro-bionic robots: two novel distributed and interlaced hollow-cylinder-like 3-D receiving coils were proposed to improve the space utilization of the inchworm-like robots, and they did not increase the robots length as compared to traditional solid 3-D ones. An optimization method for the distributed 3-D coil was proposed with the consideration of the human safety and the limited available space in the robots. This method involves a lot of theoretical formulas and several key electric parameters were measured with experiments, it can be used to select proper copper wire diameter, number of turns, and the resonance frequency. As for the interlaced 3-D coil, we derived a guidance equation for selecting its number of turns, so that the three dimensional coils can output identical electric powers. To handle the voltage drop issue caused by the motor starting and stalling which require short-time high power, a novel power management circuit containing a super-capacitor array (PMC-SCA) was proposed. Design details and working principle of the PMC-SCA were introduced, and its analysis model was build based on deducing the relationships between the input resistances of each two adjacent modules in the PMC-SCA. The analysis model can be used to optimize the series-parallel structure of the SCA and its charging voltage. A PMC-SCAprototype with a size of 13mm×4mm has been fabricated, it can make the working voltage of the robot above 3V all the time, thus ensuring performance of the voltage-sensitive modules in the robot.The research of the above three key technologies and related experiments can provide valuable reference and guidance for the design, implementation, and improvement of the micro-bionic robots for inspecting the intestine.Keywords: Intestinal tract, micro-bionic robot, locomotion efficiency, long contact device, locomotion mechanism, sealing, wireless power transmission, 3-D receiving coil, super-capacitor, power management circuit目录摘要 (I)ABSTRACT (V)目录 (XI)第1章 绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2关键技术及研究现状 (5)1.2.1 微型仿生机器人运动机构 (5)1.2.2 微型仿生机器人与肠道相容性 (10)1.2.3 专用无线能量传输技术 (14)1.3本文研究内容 (16)第2章微型仿生机器人与肠道相容性研究 (19)2.1人体肠道生理特性 (19)2.1.1 肠道几何形态 (19)2.1.2 肠道解剖结构 (20)2.1.3 肠道生理运动 (21)2.1.4 肠道生物力学 (21)2.2微型仿生机器人运动原理 (25)2.2.1 滑动钳式运动原理 (25)2.2.2 仿尺蠖式运动原理 (26)2.3微型仿生机器人原型及诊查系统简介 (27)2.4微型仿生机器人运动分析及设计参数优化 (29)2.4.1 滑动钳式机器人运动分析及设计参数优化 (29)2.4.2 仿尺蠖式机器人运动分析及设计参数优化 (38)2.5本章小结 (49)第3章微型仿生机器人运动机构设计 (51)3.1锚定单元设计 (51)目录3.1.1 锚定单元设计要求 (51)3.1.2 锚定单元设计细节 (51)3.1.3 锚定单元动力学分析 (56)3.2平移单元设计 (59)3.2.1 平移单元设计要求 (59)3.2.2 平移单元设计细节 (60)3.2.3 平移单元动力学分析 (61)3.3密封设计 (62)3.3.1 O形圈密封概述 (63)3.3.2 局部密封设计 (64)3.3.3 整体密封设计 (67)3.3.4 局部密封与整体密封的比较 (71)3.4本章小结 (72)第4章专用无线能量传输系统研究 (73)4.1无线能量传输系统介绍 (73)4.1.1 无线能量发射端 (74)4.1.2 无线能量接收端 (77)4.2三维无线能量接收线圈设计及优化 (84)4.2.1 实心三维接收线圈 (84)4.2.2 分布式空心圆柱状三维接收线圈 (85)4.2.3 交错式空心圆柱状三维接收线圈 (99)4.3机载能量管理电路设计分析 (101)4.3.1 机载能量管理电路总体设计 (101)4.3.2 机载能量管理电路分析模型 (102)4.3.3 机载能量管理电路优化及验证 (108)4.3.4 机载能量管理电路原型及功效性验证 (115)4.4本章小结 (117)第5章微型仿生机器人实验研究 (119)5.1微型仿生机器人通信控制系统设计 (119)5.1.1 通信控制系统构成及工作原理 (119)5.1.2 通信控制系统的设计实现 (120)5.2微型仿生机器人运动机构测试 (123)5.2.1 运动机构动力学性能测试 (124)5.2.2 运动机构密封性能测试 (125)5.3微型仿生机器人运动有效性测试 (127)5.3.1 运动分析模型验证实验 (127)5.3.2 接触器件对仿尺蠖式机器人运动效率的影响 (131)5.4微型仿生机器人整机性能测试 (135)5.4.1 透明硬质管测试 (136)5.4.2 离体肠道测试 (137)5.5本章小结 (138)第6章总结与展望 (140)6.1工作总结与创新点 (140)6.2工作展望 (142)参考文献 (144)致谢 (156)攻读博士学位期间已发表或录用的论文及专利 (157)第1章 绪论微型仿生机器人为肠道疾病的微创诊查提供了高效、便捷的实现途径，已成为内窥镜技术领域最新的研究热点。
仿尺蠖气动肠道微机器人运动系统高鹏;颜国正【摘要】目的肠道微机器人的设计采用仿尺蠖气动运动系统,以更好地无创诊断人体肠道.方法机器人采用单节尺蠖结构,利用薄壁气囊和伸缩气缸作为径向钳位机构和轴向伸缩机构.气动系统由微型真空泵和流体分配器构成.该系统在流体分配器的控制下,微型真空泵可以驱动各运动机构,实现微机器人的主动运动.研制的机器人运动系统样机直径20mm,长105mm,质量109.15g,可实现42.4mm的径向变形和35mm的轴向步距.测量了运动机构的输出驱动力,并测试了机器人样机在不同运动环境下的运动性能.结果气动驱动系统能够向运动机构提供充足的驱动力,伸缩机构可以输出最大1.82N的推力,钳位气囊最大钳位压强为23.69kPa,机器人能够在不同角度的刚性管道中运动,并且在离体猪结肠中也能够有效运动.结论仿尺蠖气动肠道微机器人运动系统为人体肠道机器人内窥镜研究提供了一种有效途径.%10.3969/j.issn.1002-3208.2012.05.09【期刊名称】《北京生物医学工程》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】7页(P487-493)【关键词】微机器人;尺蠖运动;气体驱动;肠道诊断【作者】高鹏;颜国正【作者单位】上海宇航系统工程研究所上海 201108;上海交通大学电子信息与电气工程学院上海 200240【正文语种】中文【中图分类】R318.60 引言据报道，90%胃肠道恶性肿瘤是由良性息肉转变而来的。
因此，如果能够及时诊断并切除肠道息肉，能够大大降低肠道肿瘤的癌变概率和致死率。
但是，胃肠道作为人体主要的消化场所，具有特殊的生理结构和生化特性，不易于通过外部的诊疗实现准确的诊断。
然而，胃肠道两端开口管状结构，适合微型设备通过插入、吞服等方式进入其内部，并利用微型摄像头、传感器和微型手术机构等，实现无创伤诊断、局部药物释放，甚至是手术治疗。
现阶段应用于临床的商业化微型诊疗设备主要有推入式内窥镜和胶囊内窥镜。
