上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240
为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输，减小接收线圈的绕制维度、体积与产热，设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向，同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯，其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整，减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型，通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高，最后通过搭建实验平台进行测试，优化了单维接收线圈的参数，同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明，在线径为0.05 mm的条件下，所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12，优化后的匝数为120。当发射电压为15 V，发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1 578 mW，能量传输效率为3.85%。该系统在300~500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。
无线能量传输 胶囊机器人 发射线圈 接收线圈 wireless power transmission capsule robot transmitting coil receiving coil 光学 精密工程
2023, 31(15): 2218
1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240
2 上海交通大学 医疗机器人研究院，上海0040
针对现有人工肛门括约肌夹持机构存在生物相容性低、响应时间长的缺点，本文基于排便机制及力学特点，设计了一种新型封闭连杆式人工肛门括约肌（Novel Closed-link Artificial Anal Sphincter，NCAAS）的夹持机构。NCAAS夹持机构由基于沟槽凸轮摆杆的传动机构的三组交错叠放的夹持臂组成。为研究生物相容性与响应时间，本文根据虚功原理推导夹持臂的夹持力方程，并通过有限元分析夹持臂与肠道的力学特性。仿真所得机构控便时最大夹持力为1.6 N，肛肠角为62.2°~95.2°，满足人体日常控便需求。所制得NCAAS原型机质量55.19 g、高度42.7 mm、机构总长度不大于68.2 mm，平均响应时长为7.25 s。本文还通过猪大肠离体实验验证了NCAAS夹持肠道的生物相容性，最终控便量达700 g、肛肠角小于90°。NCAAS小型轻巧，生物相容性良好，响应时间较传统人工肛门括约肌大幅度缩短。
人工肛门括约肌 虚功原理 有限元分析 夹持机构 凸轮传动 离体实验 artificial anal sphincter virtual work principle finite element analysis clamping mechanism cam drive in vitro experiment 光学 精密工程
2021, 29(11): 2640
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
目前国内出现了一种新型云轨, 云轨有着造价低、能耗小以及施工周期较短等优点。然而云轨的各项指标要求很高, 其中轨道定位尤为重要。为了实现了云轨检测的精确定位, 本文设计了一种新型轨道检测车, 并开发了基于双层双向长短期记忆模型(LSTM)的云轨SIN-GPS定位算法。首先, 介绍了轨道检测车的机械结构和各项传感器参数。接着, 分析了传统的SIN-GPS定位算法及其缺点, 在GPS信号消失后会出现误差积累。然后, 引出双层双向长短期记忆模型, 说明了该模型对GPS信号消失时的误差动态学习和补偿。最后, 通过3组实验分析算法在云轨检测车的不同运动状态下的准确率。证明了长短期记忆模型均优于传统算法模型和其他智能算法模型。实验结果表明: 在运动状态下LSTM算法比SINS误差小79.8%, 静止状态下SINS误差最小。设定速度阈值为0.2 m/s, 大于此阈值采用LSTM算法, 小于此阈值直接用SINS的数据, 可以得到最准确的位置预测结果。
捷联惯性导航/全球定位系统 信号丢失 长短期记忆模型 神经网络 Strapdown Inertial Navigation System(SINS)/Global (Global Positioning System)GPS outages (Long Short Term Memory)LSTM neural network
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为了满足肠道机器人在肠道中运动和驻留的要求, 设计了一种大变径比的新型扩张机构。该机构通过采用双层叠腿式设计, 增大了与肠道的接触面积, 最大扩张半径达到24.5 mm, 变径比增加到3.27。为了进一步研究该扩张机构的性能, 建立了扩张臂的数学模型, 对扩张臂的力学与运动学特性进行了理论分析。然后通过有限元分析, 对扩张臂运动过程进行了动力学仿真, 研究了不同扩张半径下, 扩张臂的应力分布和变化趋势, 基于有限元分析结果, 对扩张臂进行了优化设计, 优化后的等效应力最大值比优化前减小了12.89%。之后通过ADAMS对扩张臂进行运动学仿真, 以验证其运动学模型的准确性。最后搭建了力学性能实验台, 对其扩张力进行了测试, 以验证其力学模型的准确性。实验结果显示: 实验值与理论值的变化趋势基本一致, 而且实验值小于理论值; 机构扩张初始阶段误差较大, 扩张半径为7.5 mm时, 实验值仅为理论值的14.30%; 之后误差急剧减小并趋于稳定, 扩张半径为10 ~23 mm时, 实验值平均为理论值的73.64%; 扩张臂1、2、3的实际扩张半径分别为24.5、24和23 mm。结果显示本文设计的肠道扩张机构基本满足肠道安全性和大变径比的设计要求, 而且结构优化效果明显。
肠道机器人 扩张机构 有限元 优化设计 Intestinal robot expanding mechanism finite elements analysis optimization design
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
实时跌倒检测能有效降低老人因跌倒导致的身心伤害, 提高老人的独居能力和健康水平。为提高基于惯性传感器的跌倒检测系统的准确率, 降低系统误报率和漏报率, 提出了应用基于径向基函数的支持向量机算法实现跌倒判定。首先, 应用佩戴在人体腰间的便携式跌倒检测系统完成数据的采集; 然后, 利用基于径向基函数(RBF)的SVM分类器标记疑似跌倒行为, 并利用粒子群算法完成分类算法中惩罚因子C和RBF参数g的优化。结果表明, 在区分跌倒与类似跌倒的日常活动时, 基于SVM算法的跌倒检测系统准确率、误报率和漏报率分别为97.67%, 4.0%和0.67%。与传统的阈值方法相比, 跌倒检测性能有很大提高, 从而加强了该系统在老人跌倒检测中的应用。
跌倒检测 惯性传感器 机器学习 支持向量机 粒子群优化 径向基函数 fall detection inertial sensor machine learning SVM Particle Swarm Optimization RBF
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
针对目前临床上应用的便秘诊断措施有创且诊断效果不理想的问题, 开展了基于无创检测设备获得胃肠道生理信息的研究。利用非线性分析方法分析人体结肠动力并找出正常人和便秘病人之间的区别, 为临床诊断便秘提供参考。对8个正常人和10个便秘病人的结肠压力数据进行了分析。首先, 通过阈值和集合经验模态分解(EEMD)有效滤除了结肠压力数据中的呼吸, 咳嗽, 电磁干扰等噪声; 然后, 提取了表征结肠动力的特征参数如结肠收缩频率, 动力指数, 平均收缩波峰值; 最后, 通过t检验比较了正常人和便秘病人结肠特征参数。结果显示: 正常人和便秘病人的收缩频率, 动力指数有明显统计不同 (p<0.05); 然而, 正常人和便秘病人的平均收缩波峰值没有明显统计差别。分析表明, 收缩频率、动力指数可以区分正常人和便秘病人。
无线胶囊 无线传感器 慢传输型便秘 结肠动力学 集合经验模态分解 wireless capsule wireless sensor slow transit constipation human colonic motility Ensemble Empirical Mode Decomposition(EEMD)
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
研究并设计了一种微型肠道驻留机构以实现胃肠道机器人在人体肠道特殊环境下的有效驻留。该驻留机构采用径向伸出三组腿的方式实现扩张, 扩张后三组腿仍然处于封闭状态, 从而有效降低了肠道组织被夹住的风险。对驻留机构与肠道之间的相互作用进行了建模分析, 并将驻留机构的驻留力分为库伦摩擦力和边缘阻力两部分, 分析了其产生机理。通过实验测试了驻留机构的扩张力以及驻留力。实验结果表明: 驻留机构的扩张力与理论分析较为接近, 驻留力大小与肠道直径、驻留腿扩张直径以及驻留机构速度有关。当驻留腿的扩张直径为20~26 mm时, 驻留力大小为015~0.4 N;当驻留腿扩张直径大于26 mm时, 驻留力迅速增加, 为0.5~1.8 N。设计的肠道驻留机构体积小、安全, 可较好地适应肠道的生理环境, 并为肠道诊疗微型机器人驻留机构的设计提供了一种新的思路。
胃肠道机器人 驻留机构 边缘阻力 内窥镜 gastrointestinal tract robot anchoring mechanism marginal resistance endoscope
