体内花瓣型全悬浮胶囊机器人的多楔形效应

以空间万向旋转磁矢量为驱动源，以生物流体力学、泛函变分原理、电磁学及控制理论为基础，研究内嵌磁体花瓣型螺旋胶囊机器人在人体柔弹性环境的多楔形效应驱动原理，建立满足花瓣型瓦片边缘和螺旋区间零压边界条件及变间隙情形的泛函变分油膜动压普遍方程和机器人控制模型，推导临界间隙关于花瓣廓形参数的数学模型，优化廓形参数与磁耦合结构参量，提高低转速胶囊机器人的表面流体动压，实现全悬浮无损伤驱动，增大临界间隙，降低启动转速与磁场能耗，突破驱动性能极限，通过仿真与实验验证，最终形成多楔形效应胶囊机器人的控制理论与设计方法，为构成集窥视、诊疗为一体的胶囊机器人系统，实现胃肠内遍历检查与医疗作业奠定基础。

为提高胶囊机器人综合驱动性能，实现肠道内的窥视与施药等医疗作业，提出一种花瓣型胶囊机器人，外表由四块偏心花瓣廓形与管壁形成四个收敛楔形空间，使流体运动路径发生改变并产生多楔形效应。应用泛函变分原理, 建立了满足机器人外螺旋肋表面边界条件的通用流体动压力模型, 研究了端部效应, 并结合端部效应建立了机器人运动方程。为了精确研究多楔形效应, 采用有限差分法对机器人表面流体雷诺方程进行了数值求解, 研究了花瓣的多楔形效应流体动力学特性；以游动速度为目标函数，通过遗传算法对花瓣廓形进行优化，优化廓形机器人表面流体动压力和游动速度均增大；提出一种采用临界耦合磁力矩进行胶囊机器人液体阻力矩的非接触在线测量方法，发现了花瓣型胶囊机器人扭转力矩效应，在流体动压油膜的隔离下，而对肠道扭曲作用显著减小；以实现临床应用为目标，结合亥姆霍兹线圈的结构特点，对线圈的电学参量进行多目标优化。研究证明花瓣型胶囊机器人的综合性好，实现机器人在管道内全悬浮式非接触游动，诊断遍历时间更短，对肠道的扭曲作用更小，安全性更高，在胃肠道诊断领域实用前景良好。