文摘

Magnetic-driven胶囊机器人已被广泛研究由于其安全性和可靠性的优势。然而,当医生进行临床检查,胶囊机器人不能达到理想的控制效果,由于外部气隙磁场的影响。本文是基于动能定理,结合螺旋机制的原理在机械设计基础构造能量利用率的计算方法,提高胶囊机器人的控制效果,适合人类胃肠道胶囊机器人的精确控制来执行各种复杂的任务。通过计算的能源利用率胶囊机器人外部磁场的控制下,该方法可以提高能源利用率提高方程参数,以便胶囊机器人可以根据医生的理想运行性能在实际应用。基于磁驱动螺旋胶囊机器人的分析,模型的外部磁场的利用率胶囊机器人,建立了流体模拟的胶囊机器人是由使用计算流体动力学的方法。仿真结果和实验结果表明,胶囊机器人的控制效果的分析计算,可以提高能源利用率的机器人,这是人类的临床检查和治疗具有重要意义。

1。介绍

胃镜检查是一个重要的内部胃肠疾病的诊断方法。传统的胃肠内镜需要人工操作,很容易导致胃肠组织损伤。它甚至可能导致感染或胃肠道出血,导致许多人放弃传统的胃肠道内镜的诊断和治疗(1- - - - - -3]。胃肠疾病的治愈率是密切相关的发现:越早发现,越有利于疾病的治疗和恢复。胶囊机器人已被广泛研究,因为他们的优势,比如更安全,舒适,和无痛4- - - - - -6]。与传统的电子内窥镜插件相比,避免了胶囊机器人隐患等相互传染传统管式内视镜和二次创伤,减少疼痛在检验过程中,检验领域扩大和检测范围(7- - - - - -9]。

胶囊机器人探测技术发展迅速;以色列医疗技术开创了“M2A”胶囊机器人胃肠检查(10- - - - - -12]。重庆金山科技和日本奥林巴斯发动了胶囊机器人“OMOM”[13)和“Endo胶囊”(14]。然而,这些胶囊机器人只能依靠体内肠道蠕动改变位置(15- - - - - -17),这种被动运动模式不能准确检测病变,容易漏诊和误诊。因此,胶囊机器人可以实现主动运动已经成为了不可避免的肠道检测的发展趋势。

福等人研究了外部field-driven cable-free仿生游泳特色微型机扑。通过改变驱动频率的时变振荡磁场,这部电影的尾鳍,波动实现更灵活的运动肠胃的体液(18]。福等人提出了一种软胶囊机器人的连续和稳定控制胶囊机器人在人体内。在外部磁场的控制下,运动是在滚动模式,以便进行运动是稳定的,连续的,在胃肠道和控制(19]。福等人提出了一种磁驱动微型机扑了螺旋桨结构,提高了有效推进胶囊机器人的性能和减少伤害胃20.]。此外,一种新型的旋转磁场混合微型机扑提出相结合的螺旋结构仿生鱼鳍的尾巴,所以这两个动作都可以单独控制而不受干扰,和灵活的运动与多个自由度的实现(21]。然而,上述文献并不考虑胶囊机器人能否始终保持准确和有效控制在复杂的环境中充满了液体。

解决上述问题,本文提出一种计算方法改善magnetic-driven螺旋胶囊机器人的控制,用于胶囊机器人控制的可视化研究,提高了胶囊机器人的控制效果。根据动能定理和螺旋机制机械设计的原则,构建能源利用方程计算的实际能量利用率胶囊机器人。结果是用来反映和分析胶囊机器人的运动控制效果。这种方法可以验证胶囊机器人在实际医疗过程的控制效果和适应复杂的胃肠道环境。

本文的结构如下:首先,介绍了磁驱动胶囊机器人的结构。然后,建立了机器人的动力学模型,提高机器人的运动性能的方法进行了分析。然后,通过仿真和实验验证了方法的可行性。最后,本文总结了,看着未来。

2。系统配置

综合控制台、显示器、三轴亥姆霍兹线圈 磁传感器阵列构成的遥控系统胶囊机器人(图1(一))[22]。三轴亥姆霍兹线圈传感器阵列驱动和定位胶囊机器人。综合控制台和显示用于实时图像反馈的胶囊机器人在人体工作。

2.1。工作原理

当病人吞下胶囊机器人的单个模块或多个模块,胶囊机器人到达起始位置通过肠胃蠕动。在这一点上,医生可以观察到在胃肠道的实时图像显示和控制三轴亥姆霍兹线圈通过综合控制台生成外部旋转磁场驱动单个或多个胶囊机器人向前或向后在病人23- - - - - -25]。综合控制台控制三轴亥姆霍兹线圈产生一个外部旋转磁场,推动胶囊机器人向前或向后。

此外,使用一个 磁传感器阵列的定位系统,实时定位胶囊机器人的位置和姿态,达到精确控制胃肠胶囊的复杂环境,完整的检查,治疗,和其他任务。

2.2。机器人结构

胶囊机器人由聚乙烯外壳和一个o形环磁铁模块。当吞咽multimodule胶囊机器人,基于之前的研究multimodule胶囊机器人的运动特性,开始和截止频率的差异每个模块可以用来实现其分离或整个运动(26- - - - - -28]。胶囊机器人的参数A、B和C使用摘要(表1)。胶囊机器人的总体结构(图所示1 (b)),它的内部结构(图所示1 (c))。如果胶囊机器人在病人的身体旋转,它必须获得一个轴向积极的三轴亥姆霍兹线圈产生的磁矩。当胶囊机器人内部的o类型永磁旋转,产生的磁矩克服阻力矩,导致积极的磁矩启动机器人。胶囊机器人的运动状态由驱动转矩可以表示在以下方程: 在哪里是生成的磁矩胶囊机器人和产生的阻力矩。

当 ,它表明,胶囊机器人在启动或加速。当 ,这意味着胶囊机器人在静态或统一的状态。当 ,它表明,胶囊机器人在减速或停止状态(29日]。

3所示。动态模型

3.1。力的分析

胶囊机器人的动力学模型是建立在肠道(图2)。笛卡儿坐标建立了轴被定义为圆周速度和轴向速度。和分别是,线程间间距和宽度的胶囊机器人,然后呢和是表面胶囊机器人的旋转半径。胶囊机器人的长度,的音高胶囊机器人(30.]。胶囊机器人的受力分析如下:

胶囊机器人的运动状态由以下方程: 在哪里推进力,是阻力,重力作用于微型机扑,重力加速度,是排水体积。

的阻力方程表示如下: 在哪里阻力系数,胶囊机器人的速度,模拟管的横截面积,是运动粘度系数,是正常的力量。

胶囊机器人旋转时,圆周速度的投影和轴向速度在和方向被定义为以下方程: 在哪里和代表投影胶囊机器人的速度分量相对于流体和方向,分别代表了螺旋角。

为了方便计算,基于之前的研究结果胶囊机器人运动学(18- - - - - -22),方程(6)和(7)的轴向推进力和阻力来自方程(4)和(5): 在哪里代表了轴向运动和推进力量代表运动的轴向阻力。

在动态分析,轴向推力随速度增大而减小。当轴向推进力等于轴向阻力,胶囊机器人的加速度是0,和速度最大,它在这个速度稳定。

3.2。能量转换公式

根据能量守恒定律,胶囊机器人在各种复杂环境下的运动性能。当点的胶囊机器人的移动对点 ,的总能量等于动能的变化 ,点在哪里和点是两个均匀点,如下:

根据能量守恒定律,动能在理想的方程和实际条件被定义为方程(9)和(10)。由此可见,速度影响动能的变化。并不是所有的能量转化为动能在实际过程中,和能源的一部分将转化为热能由于电阻(31日]:

实际能源利用的百分比胶囊机器人在运动过程中所示以下方程:

胶囊机器人的外壳采用螺旋结构(图3(一个))。所以,螺杆机制在机械设计基础的原则可以用来分析胶囊机器人(32]。螺旋结构(图的一部分3 (b))和受力分析进行斜面的螺纹(数字3 (c)和3 (d))。工作所需的胶囊机器人前进所示如下方程: 在哪里是实际的水平运动胶囊机器人的距离。

做的功使胶囊机器人前进所示如下方程: 在哪里是理想的水平运动胶囊机器人的距离是动态摩擦角。

因此,能量利用率的胶囊机器人可以推导出以下方程:

根据方程(14),能源利用的百分比胶囊机器人在实际运动等于实际和理想的移动距离的百分比。的实际距离是水平移动距离胶囊机器人,和理想的移动距离是球场的倍数,见以下方程: 在哪里胶囊机器人的速度,是频率,的音高胶囊机器人。

4所示。动态分析

当胶囊机器人在一个充满液体的管道,因为许多变量是影响运动,为了准确模拟胶囊机器人的运动在最优状态,单变量控制方法用于模拟胶囊机器人的流体。胶囊机器人模型动态网状。既然人类的肠类似于一个圆柱体,我们构建了一个缸的长度一样实际的模拟实验的肠,约500毫米。小肠的进口和出口,设置转发流速的方向。在流体模拟,研究了胶囊机器人的水平运动。为了减少其他因素的影响,忽略重力和浮力等垂直力。

在流体模拟,动态模型的转速范围0 - 150 rad / s和几何参数建立了10 rad / s进行整个流体模拟标准大气压力。流体仿真进行了胶囊机器人,B和C表1分别与这三个胶囊机器人的运动状态的管道从动力学进行了分析。由于不同的音高的三个胶囊机器人,其截面形状是不同的。考虑到胶囊机器人的位置不变,在仿真过程中,电阻的影响可以忽略。

胶囊机器人集A, B, C以同样的速度,观察他们的进水口表面,得到仿真图(图速度4)。当三个胶囊机器人以同样的速度旋转,音调越短,越快周围的液体胶囊机器人。观察胶囊机器人的仿真速度,B和C在中间平面(图5)。可以看出,在相同的速度,三个胶囊机器人的速度大于进口表面,和短距越大,流体速度的中间部分胶囊机器人。通过观察他们的出口表面以同样的速度,速度模拟图(图6),可以看出颜色分布的胶囊机器人的出口表面胶囊机器人并不均匀,表明液体胶囊机器人的不同部分的增长率不是统一的以同样的速度。通过比较三个不同部分的流体云映像的胶囊机器人,可以看出胶囊机器人的不同部位受到不同的流体速度和有不同的对周围环境的影响。这也对后续的实验奠定了基础,特别是对于选择胶囊机器人,可以根据不同的医疗任务(选择对应的音高33]。

5。实验结果

实验平台被用来测试胶囊机器人的性能(图7)。胶囊机器人的运动方向和转速的液体管控制通过调整的频率和方向的磁场。上计算机输出驱动信号时,三轴亥姆霍兹线圈产生一个均匀的旋转磁场,和胶囊机器人放置在中间的磁场能量驱动旋转。

5.1。机器人运动学特性实验

通过观察胶囊机器人,A、B和C(图8),可以看出三个差异只有躺在球场上,这是10毫米,7毫米和5毫米。胶囊机器人放入丙烯酸管装满水,分别进行特征运动实验,和胶囊机器人的启动和截止频率,B和C在不同电流测量(数字9和10)。实验结果表明,胶囊机器人的启动和截止频率随当前。在相同的电流,音高胶囊机器人的越短,启动频率越低,截止频率越高。启动和截止频率之间的差异同时控制多个胶囊机器人在相同的环境中或单独控制。这是实现multimodular胶囊机器人的运动控制肠道更好地完成任务的治疗。

调整输入电流为0.5 A,胶囊机器人的速度,B和C测量在不同的频率。外部控制信号调整频率从0赫兹到25 Hz(图11)。实验结果表明,随着频率的增加速度增加。在同一频率,胶囊机器人距越大,速度越快,更多的能量转化为动能,克服阻力的能量消耗越少。

5.2。能源利用率胶囊机器人的实验

建立了胶囊机器人模型放置在实验的仿真环境。参数设定在标准大气压力模拟胶囊机器人的运动,运动的速度在不同的频率是收集并放入方程(15)来计算能源利用率胶囊机器人的仿真环境。而获得的能源利用率在实际运动特性实验中,能量利用率曲线的胶囊机器人在运动的过程中获得(图12)。两条曲线的仿真实验和实际实验起始频率波动,但总体趋势是一致的。随着频率的增加,能量利用率增加,表明胶囊机器人的控制效果更好。然后,B和C胶囊机器人的速度收集运动特性的实验被替换成以下。

方程(15)被用来获得胶囊机器人的能源利用曲线,B和C(图13)。当频率是恒定的,胶囊机器人间距越小,能量利用率越高,能量利用率的可行性验证方程。

能源效率方程反映了胶囊机器人的运动控制效果的准确性,也是相关胶囊机器人的运动控制的灵活性。胶囊机器人控制的灵活性时,速度是更精确的测量和计算能量利用率更准确。因此,往返运动试验和多维空间运动试验应进行验证胶囊机器人在人体可以灵活控制。

往返运动的实验(图14),控制磁场的顺时针旋转架飞机,直到它停在4 s的280毫米。反时针旋转磁场返回胶囊机器人的110毫米。实验结果表明,该胶囊机器人可以启动和停止灵活地根据不同的医疗任务。在多维空间中运动(图15),胶囊机器人朝着多维空间的可行性需要验证了横向运动,垂直运动,和70°水平 - - - - - -分别轴运动,由于复杂的实际人体的肠道环境。结果表明,胶囊机器人可以获得推进力通过调整旋转磁场,可以灵活控制验证胶囊机器人在多个方向的三轴亥姆霍兹线圈。

6。结论

本文提出一种方法来提高磁驱动螺旋胶囊机器人的控制效果。胶囊机器人,测试的方法是由一个聚乙烯塑料制成的外壳和一个o形环磁铁。通过测量胶囊机器人的启动和截止频率,确定单个或整体运动的频率控制范围的胶囊机器人。通过比较胶囊机器人的仿真和实际实验用同样的音调和胶囊机器人的实际实验有三个不同的音高,获得的曲线尽显上升趋势,验证不同的能量利用率结果与不同的参数方程,表明了该方法的可行性。根据实验结果,胶囊机器人的能源效率将提高胶囊机器人的大小的变化。然而,胶囊机器人的节距的增加会影响稳定的运动,因此将来胶囊机器人的精确控制,能源利用方程可以被认为是提高胶囊机器人的控制,同时考虑到运动的稳定性,以达到理想的控制效果。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

本文没有利益冲突的出版。

确认

这项工作的部分支持由天津科技创新合作项目的支持(18 ptzwhz00090),天津市自然科学基金(18 jcybjc43200),和天津重点实验室在复杂系统控制理论及应用(tjkl - ctacs - 201903)。