肠道诊查微型仿生机器人凭借能够在肠道内主动运动、可诊查部位广等优势将逐渐成为胃肠道诊查中的热门解决方案,具有重要的科学研究价值和应用前景。本文依托国家自然科学基金项目（No.81971767）、上海市科研项目（No.19441910600,No.19441913800,No.19142203800）、上海闵行区产学研合作计划项目（No.2019MHC053）、上海交通大学医疗机器人研究院项目（No.IMR2018KY05）,对肠道诊查微型仿生机器人系统进行设计集成,并针对其无线能量传输等关键技术进行深入研究优化,为建立新的肠道疾病的微创或无创诊查机器人设计提供理论指导和技术依据。肠道机器人运动系统设计:根据人体肠道的延展特性并因其生物力学呈非线性的变化,建立肠道机器人在肠道中扩张的驻留力模型,以此为基础设计研究适应人体肠道生物结构特征的微型仿生肠道机器人运动系统。采用仿尺蠖式驱动方式,通过扩张伸缩的方式来进行双向运动。设计变径比可达3.3的新型双层交错式弧形锚定机构,实现在肠道内的有效驻留并减小机器人尺寸。为使机器人结构更加紧凑,轴向运动机构采用丝杠螺母式设计并通过电机及减速器进行驱动。整个运动系统的直径为13 mm,机构完全收缩时的整体长度为29.3 mm,完全伸长时可达40.3 mm。无线能量传输系统原理分析及模块搭建:分析现有无线能量传输模式,选取基于电磁感应耦合式的无线能量传输系统,并根据肠道机器人在人体肠道内的实际工作情形,进行针对性的设计研究。分析无线供能的机器人诊查系统所需的能量功率、能量传输稳定性和人体生物电磁场安全性等方面的设计要求。基于反射负载理论,建立无线能量传输系统的等效电路模型。根据肠道机器人工作的要求,设计无线能量传输系统发射端和接收端线圈及电路。发射端无线能量传输系统优化设计:提出新的平行对置式无线能量传输系统,首次在发射线圈中嵌入磁芯。通过数学理论推导线圈产生的磁场强度并对磁场分布进行仿真模拟。实验验证磁芯对平行对置式发射线圈无线能量传输系统的影响,分析系统的传输效率、接收功率和传输稳定性。结果显示在添加磁芯后无线能量传输系统的最大能量传输效率达到8.68%,系统整体的能量传输稳定性在90%以上,最高可以达到94.24%。对比没有磁芯的情况,能量传输稳定性仅为83.06%。所提出系统发射线圈采取上下式结构,线圈的间距可以根据患者的体型调整,线圈间距的缩小可以进一步提高系统的传输效率和传输稳定性。还提出结构简单的U型发射线圈无线能量传输系统,实验与仿真结果表明加入磁芯后的U型发射线圈无线能量传输系统最大传输效率达到14.13%,最大接收功率达到3780.75 m W;平均能量传输效率为4.16%,平均接收功率为1337.24 m W。综合而言平行对置式无线能量传输系统传输稳定性较好,肠道机器人可以在较大磁场范围内稳定工作,在一次诊查中可以检测更大肠道范围。接收端的无线能量传输系统设计:根据三线圈无线能量传输系统原理,对负载线圈匝数进行优化设计,提高三线圈无线能量传输系统为肠道机器人供能的传输效率和接收功率。并提出新的类亥姆霍兹式负载线圈三线圈无线能量传输系统进一步优化系统传输效率。通过实验验证所提出的类亥姆霍兹式负载线圈三线圈无线能量传输系统改善传输效率和接收功率。实验结果显示,在60匝接收线圈情况下,类亥姆霍兹式负载线圈三线圈无线能量传输系统性能要优于常规三线圈或两线圈无线能量传输系统。系统最优能量传输效率可达6.45%,比两线圈无线能量传输系统提高21.02%,同时实现844.9 m W的接收功率。机器人系统集成及样机性能测试:样机直径为15 mm（其中运动系统直径为13 mm）,长度为45 mm（包含搭载的能量传输模块、视频图像模块）,总重量为20.84 g。研制肠道机器人诊查系统的通信、控制和视频图像模块及其电路和程序设计集成,实现肠道机器人双向无线通信与实时控制以及高清肠道内壁图像采集。对肠道机器人样机在不同管道中的运动进行实验测试和分析,并测试肠道机器人样机在无线能量传输环境下各模块性能。结果表明肠道机器人各模块能够在无线能量传输中磁场环境下正常工作。本文在系统集成设计、系统优化以及实验验证等方面进行分析与研究,提供更优的肠道诊查微型仿生机器人系统的创新研制方案,为其进一步的临床应用做出积极贡献。