在具有褶皱的小肠内壁中振动驱动型胶囊机器人的动力学建模与分析.pdfVIP

摘要

自推进胶囊机器人在胃肠检测领域应用前景广泛，尤其在胃部检查中，目前市

面上已经出现了能代替胃镜进入胃部的胶囊内镜。但与胃中的凸起不同，小肠内丰

富的环状褶皱是永久性的，在肠道蠕动时不会消失。毫无疑问，这样的褶皱会提供

很大一部分阻力来阻止胶囊的运动，是自推进胶囊在小肠中行进的主要障碍。然而

许多的相关研究并未将该问题纳入考虑。

为此，本文提出并验证了一个新的阻力模型，该模型在胶囊翻越过褶皱的整个

过程中都适用。此模型能够计算在不同尺寸褶皱下所反馈的胶囊阻力。结果表明，

在胶囊刚一碰到褶皱时，阻力会立即达到最大值，并在翻越过程中逐渐下降。除此

之外，对单一参数变量的影响以及最大阻力的变化情况也都做了讨论。随后，本文

研究了以振动来驱动胶囊在肠道组织上移动的动力学，驱动方式包括方波和正弦

驱动。

在方波驱动下，基于数值模拟和分岔分析发现，当驱动力较小时，胶囊的运动

总是周期一的；而翻越褶皱则需要较大的激励幅值，尤其是当占空比较小时。相比

之下，驱动周期对胶囊翻越的影响不大。但内部质量块的质量、胶囊质量、摩擦系

数和褶皱高度对胶囊翻越所需的驱动力存在很大影响。同时，组织的杨氏模量是决

定非线性胶囊动力学分岔模式的关键因素，更硬的组织会导致3个不同的吸引子

共存。而胶囊的长度和弹簧的刚度则影响不大。

而将驱动方式改为正弦激励后，为了加快计算效率，采用了多项式近似的方法

来代替复杂的阻力积分。与方波激励类似，也做了胶囊在三种频率驱动力作用下的

仿真及分岔分析。在结果中发现，驱动力的频率和振幅对胶囊的响应和运动有至关

重要的作用。由于正弦信号本身的特性，受此驱动力激励的胶囊，其运动方式会更

多样，包括：远离褶皱后退、向前推进被褶皱阻挡、向前推进翻越褶皱并继续前进、

向前推进翻越褶皱后反向运动被其阻挡，共计四种。值得一提的是，褶皱的几何形

状对分岔模式没有显著影响，但有无褶皱会明显改变胶囊的运动情况。

总体而言，本文针对自推进胶囊机器人在小肠中行进这一场景，提出并验证了

一个适用胶囊翻越褶皱的整个过程阻力模型。同时利用该模型研究了包括方波和

正弦两种驱动方式在内的振动胶囊在肠道组织上移动的动力学机制，并通过仿真

及分析得到了一系列结果。在实际应用中，最优的驱动方式应是二者的有机结合。

关键词：小肠褶皱，胶囊机器人，阻力模型，振动驱动，分岔分析

ABSTRACT

Self-propelledcapsulerobotshaveawiderangeofpromisingapplicationsin

gastrointestinaltesting,particularlyinthecaseofgastricexaminations,capsule

endoscopesthatcanenterthestomachinsteadofagastroscopearenowavailableonthe

market.However,unlikethebulgeinthestomach,theabundantcircularfoldsinthesmall

intestinearepermanentanddonotdisappearduringperistalticmovementofthebowel.

Thereisnodoubtthatsuchfoldsprovideasignificantportionofresistancetocapsule

movementandareamajorobstacletoself-propelledcapsuletravelinthesmallintestine.

However,thisissuehasnotbeentakenintoaccountinmanyrelevantstudies.

Forthisreason,thethesisproposesandvalidatesanewresistancemodelthatis

applicablethroughoutthecapsulescl