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随着生物医学工程的发展和人民生活水平的提高,人们对医疗设备的要求越来越高。近年来,提出了多种进入人体管道进行无创伤治疗的医用微机器人。该项研究是华南理工大学高水平大学建设项目:“医用人体管道微机器人的关键技术研究。”在项目基金的资助下,该文完成了以下工作:
首先,该文提出了医用管道微机器人的研究意义;介绍了近几年来国、内外医用管道微机器人方面的部分研究成果;总结了先前的研究成果;并指出存在的实际问题和需要研究的理论问题。
其次,该文介绍了人体胃肠道包括食管、胃、小肠和大肠的生理结构与运动特点及其能动性控制机制;利用弹性力学的知识,提出一些对人体胃肠道的基本假定;通过分析胃肠道蠕动时的弹性变形和受力,建立胃肠道的蠕动模型。根据胃肠道蠕动传动模型,提出了一种模拟肠道蠕动传动的方法,设计并制作了模拟胃肠道蠕动传动实验台,并对实验台机构的运动进行了理论分析。利用实验台进行了模拟医用微机器人肠道内运动实验,实验研究胃肠道蠕动和不同粘度的润滑液体对医用微机器人在软管内运动速度的影响,重量和直径对医用微机器人在软管内运动速度的影响。分析了仿胶囊形状微机器人在软管内运动的力学模型,并将理论模型与实验结果进行比较研究,研究医用微机器人在软管内的运动规律。
再次,该文设计并制作了微驱动器的模型,包括微驱动器主体结构和微传动机构的设计。建立微驱动器传动机构的运动方程,分析影响微驱动器运动稳定性的因素。对驱动轮运动进行分析,包括驱动轮的运动状态、运动速度、运动轨迹和动力学模型。进行微驱动器运动实验,研究了微驱动器的爬坡能力、工作电压与运动速度的关系和微驱动器在管道内运动速度波动的原因,等等。
然后,该文介绍了微小力实验台的设计原理;设计并制作了微小信号数据采集电路;利用数据采集电路和压力传感器研制了弹性钩杆啮合有效传动力测量实验台。利用实验台研究弹性钩杆啮合有效传动力的变化规律,包括研究主、从动钩杆在不同啮合深度的条件下,工作电压与有效传动力之间的关系;主、从动钩杆在不同啮合深度的条件下,直流电机工作电压为1.5V时,有效传动力的动态变化规律。从大扰度变形原理出发,结合传动轮结构和几何尺寸关系,分析计算了弹性钩杆啮合有效传动力的理论值。将实验研究结果与理论分析结果比较,研究有效传动力的变化规律。
最后,总结该文的内容和创新之处,并展望今后研究工作方向。