随着生活节奏的加快和生活压力的增加,人们的饮食趋于不规律化,导致胃肠道疾病的发生率逐年攀升,为此胃肠道疾病的微创诊查成为了生物医学工程领域的研究热点。由于胃肠道机器人能够实现全消化道主动诊查、病灶处定点驻留等功能,已经成为下一代胃肠道疾病诊查技术的发展方向。本文依托国家自然科学基金项目与上海市科研计划项目,对胃肠道机器人系统和无线能量传输技术开展深入地研究,通过实验验证胃肠道机器人诊查的有效性、可靠性和安全性。运动机构方面:本文基于肠道湿滑、黏弹的生理特性,设计了仿尺蠖式胃肠道机器人,采用了微电机驱动。考虑到机器人的运动效率、安全性等要求,径向扩张机构采用双层叠线腿式设计,由互成120°的扩张臂组成,利用5级行星齿轮减速器来保证径向扩张机构获得足够的驱动力,减速器减速比为1024。轴向伸缩机构采用丝杆螺母传动,利用3级行星齿轮减速器来保证轴向伸缩机构获得足够的驱动力,减速器减速比为64。无线能量传输系统方面:为了解决机器人在人体内姿态随机变化带来的弱耦合问题,本文基于电磁感应原理设计了单维发射-三维接收模式的无线能量传输系统,包括能量发射电路和能量接收电路。另外,提出了一种新颖的三维接收线圈,从磁芯直径、线圈匝数与线径三个方面完成了该接收线圈参数的优化。实验结果表明,优化的接收线圈结构在任何姿态下都能满足肠道机器人的能量需求,其最小输出功率约为527m W,此时传输效率为6.64%。通信控制系统方面:为了有效控制胃肠道机器人的运动状态,本文设计了具备双向通信功能的通信控制系统,包括体内无线通信模块、体外无线通信模块和体内控制模块等。另外,在MPLAB IDE开发环境下,完成了通信系统程序和控制系统程序设计。视频图像系统方面:为了满足现代医学需求,本文研究了胃肠道机器人视频图像系统,包括体内视频图像模块和体外视频图像模块。其中,视频采集子模块采用基于NTSC视频输出制式的OV6922图像传感器,视频控制子模块采用PIC12F509作为控制单元。系统集成与离体实验方面:对系统各个模块开展性能测试,并测试了胃肠道机器人在硬质管道和离体肠道中的驻留能力和行进速度,验证了机器人系统的稳定性和有效性。最后,本文总结了胃肠道机器人的研究成果和创新点,指出了机器人的设计缺陷,展望了下一步机器人的研究方向,为胃肠道疾病的诊查提供了有效的实施方案。