谐振式纤毛结构肠道内窥机器人运动机理研究与实现

面向肠道疾病诊疗对主动式胶囊内窥镜的需求，结合该领域的研究现状，本项目针对肠道内窥机器人展开研究。首先进行肠道环境下纤毛结构非对称摩擦特性与内窥机器人驱动方法研究，建立肠道内壁与微尺度纤毛间的三维接触-滑移模型，研究基于纤毛往复振动的内窥镜机器人驱动方法。然后提出一种压电驱动的谐振式纤毛结构内窥机器人构型，建立压电振子、外壳、微纤毛在肠道环境非线性约束下的系统本构模型，以能量传动效率为指标，对压电振子的拓扑结构、纤毛的刚度、长度、开合角等结构参数进行优化，并综合考虑相关制造工艺，设计谐振式纤毛结构内窥机器人的结构。其次，把机器人机构与嵌入式低能耗微型控制系统、能量供给和无线通信单元等集成，研制内窥机器人样机。最后建立离体实验平台，对样机的运动速度、能耗等指标进行测试，验证理论分析的正确性与设计、优化的有效性，并搭建体外人机交互终端及动物活体实验平台，进行活体实验。

主动式肠道内窥镜可解决被动胶囊内窥镜检查过程缓慢且不可控的问题。根据肠道环境的特点，本项目提出了一种谐振式纤毛结构肠道内窥机器人。首先进行了肠道环境下纤毛结构非对称摩擦特性与内窥镜机器人驱动方法研究，建立了肠道内壁与纤毛间的三维接触-滑移模型，研究了纤毛往复振动的内窥机器人驱动方法。然后，建立了压电振子、外壳、纤毛在肠道环境下的系统本构模型，对压电振子的拓扑结构，纤毛的结构参数等进行了优化。最后，建立了机器人实验样机与离体实验平台，对样机的运动速度、能耗等指标进行了测试。实验结果表明在激励电压为8V，柔性足夹角为60度时，机器人在直径为20mm的PVC塑料软管内移动速率可以达到12mm/s，在离体肠道内的可缓慢移动，上述实验结果证明了理论分析的正确性。