胶囊机器人是用于人体胃肠道疾病检测的新兴手段,结合近年来迅速发展的计算机和传感器技术进一步研究和开发,实现其主动控制和安全驱动以提高诊疗精度,降低手术风险,胶囊机器人的临床应用对现代医疗领域发展具有重大意义。胃肠道环境曲折复杂,胶囊机器人在重力等因素作用下贴底运行,从而产生扭伤肠道的风险,为提高复杂环境内通过性与安全性,本文介绍一种在流体管内具有自定心性的花瓣型胶囊机器人,启动后在一定偏心距处实现全悬浮稳定游动,并对偏心运行时的游动性能进行分析。首先,对花瓣型胶囊机器人的结构进行说明,它由四片表面覆有螺旋肋的偏心瓦片构成,与管道内壁形成收敛楔形区域,产生多楔形效应增大流体动压力;简要阐述驱动原理,利用空间万向磁场技术实现任意方向运动,适应胃肠道复杂环境。然后,从启动特性和稳定游动性能两方面对花瓣型胶囊机器人驱动性能进行分析。建立机器人在充满粘液管道内受自身重力作用偏心运行时表面间隙和流体动压模型,推导启动时刻悬浮动力学方程,分析启动特性可知花瓣型胶囊机器人具有自定心性,启动后迅速悬浮至一定偏心距处稳定游动,能够实现管内非接触游动,增强复杂环境的通过性。以库埃特流动理论和牛顿内摩擦定律为理论基础,建立偏心运行时胶囊机器人的轴向力及周向力平衡方程,以稳定游动速度和液体扭转力矩为标准衡量其稳定游动性能,研究表明,花瓣型机器人游动速度快,液体扭转力矩小,稳定游动性能好。并分析瓦片偏心量、驱动频率、流体粘度等参数对胶囊机器人驱动性能的影响,合理确定各项参数,以提高诊断效率,减弱对肠道的扭伤,降低磁场线圈功耗,保证安全运行。最后,研制四种廓形机器人,并以硅油为流体环境在透明玻璃管中进行试验,验证了理论模型的正确性。通过花瓣型胶囊机器人在离体猪大肠中的运行现象可知其在非结构化环境内仍具有良好的驱动性能,为胃肠道复杂环境内驱动与临床应用奠定基础。