面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统及其无线能量传输技术研究

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1、申请上海交通大学硕士学位论文面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统及其无线能量传输技术研究国家自然科学基金资助、载人航天领域预先研究、上海市科委项目硕士研究生：罗伟杰学号：1120359010导师：颜国正教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电子信息与电气工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHONAMICROROBOTSYS

2、TEMANDWIRELESSPOWERTRANSFERTECHNOLOGYFORGASTROINTESTINALTRACTINSPECTIONCandidate:LuoWeijieStudentID:1120359010Supervisor:Prof.GuozhengYanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:InstrumentScienceandTechnologySchoolofElectronicInformationAffili

3、ation:andElectricalEngineeringDateofDefence:Jan,2015Degree-Conferring-Institution:ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文《面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统及其无线能量传输技术研宄》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和

4、集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期：2WJT年丨月$日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阋和借阋。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密0。(请在以上方框内打“V”）日期：於o

5、r年/月曰日期年/月■^曰上海交通大学硕士学位论文面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统及其无线能量传输技术研究摘要当今社会胃肠道疾病的死亡率很高，所以针对胃肠道疾病的早期诊查显得尤为重要。为了避免传统内窥镜检查过程复杂，给病人带来不适，检查范围受限的不足，以及胶囊内窥镜检查无法主动诊查，工作时间有限，诊查存在盲区的缺陷，本文针对面向胃肠道疾病无创诊查的微型机器人系统，以及相应的无线能量传输技术展开了研究。本文首先从国内外有关胃肠道诊查的研究出发，分析总结了不同诊查方式的优缺点，阐述了本文提出的面向胃肠道疾病

6、无创诊查的微型机器人系统的设计目的及该系统的合理性。选用了仿尺蠖的运动方式，并在满足微型化要求的前提下，设计了使用螺线腿的径向钳位机构以及使用螺杆螺母的轴向伸缩机构，使微型机器人既能够在胃肠道内有效运动，又能够满足生物组织安全性的要求。为了实时控制胃肠道微型机器人，设计了以微控制器为核心的控制电路，包括无线通信收发模块、电机驱动模块、运动检测模块、电流检测模块。完成了机构控制程序、无线通信程序、动作检测程序的编写，实现了仿尺蠖的运动方式，保证了微型机器人在胃肠道内的稳定运行。无线能量传输技术是保障胃肠道微型机

7、器人摆脱工作时间限制、实现无缆化的关键技术。本文在回顾了当今主要的无线能量传输方式后，选择了感应耦合的无线能量传输方式，并分析了其能量传输效率。为了提高能量传输效率，对无线能量发射线圈的交流电阻进行了深入的分析。根据趋肤效应以及邻近效应相应理论，结合利兹线的特殊结构，提出了发射线圈交流电阻的计算模型，并通过实验验证了准确性。为针对于胃肠道微型机器人的无线能量传输系统的进一步优化提供了I上海交通大学硕士学位论文理论基础。本文设计了能适应胃肠道环境的机械结构，以及涵盖软硬件的控制系统。在完成了胃肠道微型机器人诊查

8、系统各部分的制作与调试后，开展了各功能的测试实验，以及在模拟管道内和离体小肠内的运动性能实验。实验过程中，微型机器人能够在管道和离体小肠内有效运动，验证了仿尺蠖运动的合理性，机械结构运动的可靠性与安全性，无线能量传输的有效性。关键词：微型机器人，胃肠道诊查，无线能量传输，交流电阻II上海交通大学硕士学位论文RESEARCHONAMICROROBOTSYSTEMANDWIRELESSPOWERTRAN