陈曦^1,2，俞经虎^1,2，钱善华^1,2，曹澍^1,2，胡雨农^1,2

(1.江南大学机械工程学院，江苏 无锡214122)

(2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡214122)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375209)

作者简介：陈曦（1994—），女（满族），硕士研究生，主要研究领域为现代机械设计与制造，18352560570@163.com.

通讯作者：俞经虎，男，教授，jhyu@jiangnan.edu.cn.

摘要：设计了一种新型的胶囊驱动机器人，用于控制胶囊在胃肠道内的运动和定位。首先，建立胶囊驱动机器人的三维数字化模型；其次，利用齐次变换矩阵来确定驱动机器人运动过程中的位姿，同时利用D-H坐标系法进行运动学正逆解的相关计算；最后，利用MATLAB软件完成运动学建模与仿真，进行驱动机器人的工作空间分析及运动学验证。结果表明，通过控制五自由度的驱动机器人，能在平面任何方向上引导胶囊穿过胃肠道。

关键词：胶囊机器人；运动学分析；MATLAB仿真；工作空间

中图分类号：TP242   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)06-0023-05

传统的消化道类疾病的诊疗方法多为机械侵入式，例如肠镜、胃镜等，这种方式会给患者带来不适感，使患者产生抵触情绪逃避检查，并且有可能造成新的损伤。近年来，随着科技水平的不断提高，特别是MEMS（微机电系统）技术的发展，使得无创手术与传统手术相比有着更明显的优势。胶囊内窥镜作为胃肠道疾病的新型检查方式，逐渐取代了传统的插入式胃肠镜诊疗方式，这种无创检查方式大大减轻了患者的不适感。 

2010年，意大利Gastone Ciuti等^［1］针对优化结构、精确和可靠性等目标完成了一个更紧凑的设计，使用6自由度串联机械手来支持永磁体实时控制胶囊内窥镜；2015年，意大利Gioia Lucarini等^［2］提出用一种新型的环形电磁铁作为控制和驱动系统，该系统结合了电磁铁的优点及机器人操纵的灵活性。2010年，华中科技大学的高鸣源^［3］提出了一种新型磁控导航系统，该系统共有5个联动轴，可以实现胶囊在肠道内的快速运动、缓慢运动和局部定位等；2016年，上海安翰医疗技术有限公司^［4］研发出NavicamTM胶囊内窥镜机器人系统。

医疗器械的快速发展对空间技术的要求进一步提高。本文提出了一种结构为三移两转的串联机器人来实现胶囊内窥镜对人体的诊疗。诊疗过程中，串联机器人执行末端带动磁球移动，实现胶囊内窥镜的转动、前进与转动前进复合运动，医生通过控制驱动机器人，可以实时观察胶囊内窥镜传回的图像，对病变部位进行靶向定位施药，甚至可以完成手术操作等等。驱动机器人可以在一定程度上让胶囊内窥镜的驱动方式更加高效、精准。

1驱动机器人的总体设计

1.1驱动机器人结构

在诊疗过程中，该机器人通过3个移动自由度和2个转动自由度实现对磁球的控制，进而达到对人体内具有磁性的胶囊的定位和姿态控制，完成胶囊转动、前进与转动前进复合运动等一系列运动。