论文总字数：32255字

摘 要

关键词：气动；柔软；人造胃；3D打印；注塑成型；有限元分析

DESIGN OF PNEUMATIC SOFT ARTIFICIAL STOMACH

02011205 Wang Ya

Supervised by Tian Mengqian

Abstract：There are many soft and muscular systems in nature, such as the stomach, esophagus, and heart. It is a great challenge to use the traditional robot technology to make such soft system come true. Because this involves a very complicated mechanical structure and needs a lot of sensors. Because of the inspiration from the soft animals in nature, then the pneumatic soft artificial stomach was designed. Firstly, study the development of the technology of the software robot, pneumatic control technology and silicone rubber. What’s more, learn the characteristics of the silicone rubber. Secondly, find out the shape, location, size and movement of our stomach from kinds of books, academic journals and human body painting map. Then build up the intuitive understanding of our stomach. And the essential thing which should be done first was to teach the pneumatic soft artificial stomach the movement of contraction. Thirdly, build up the three-dimensional shape of the stomach and designed the mold by SolidWorks. 3D printing technology was used to produce the mold. Then the simple sample of people’s stomach was fabricated by the mold using injection molding technology. Finally, carry on the physical experiment, the relationship between the pressure and deformation was obtained by the finite element analysis using Workbench ANSYS as well. Based on all of the work had been done, the structure design of the whole pneumatic soft artificial stomach have been accomplished. But because of the cost, the whole modules can’t be made out. Finally, the process of gastric motility was simulated by MATLAB.

Key words：pneumatic；soft； artificial stomach； 3D printing； injection molding technology； finite element analysis

目录

1、绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2研究现状 2

1.2.1软体机器人研究现状 2

1.2.2气动技术研究现状 6

2、胃的形态和运动 8

2.1胃的形态 8

2.2胃的分部 8

2.3胃壁的结构 9

2.4胃的运动^[10] 9

3、总体方案 14

3.1 初步分析确定材料 14

3.2 SolidWorks三维建模 15

3.3 收缩运动实现方式 15

3.4 致动方式的确定 18

4、制作工艺 22

4.1模具设计 22

4.2模具制作 26

4.3软体胃圆环样本制作 29

4.3.1制作原理简图 29

4.3.2制作详细流程 29

5、有限元分析 33

5.1有限元分析简介 33

5.2 Workbench 有限元分析 33

5.2.1模型建立 33

5.2.2 材料属性设置 33

5.2.3添加约束与载荷 34

5.3数据处理 35

6、整体模具设计 39

7、MATLAB 胃的蠕动收缩三维模拟^[10] 43

7.1 MATLAB简介 43

7.2 三维静态胃的MATLAB模拟 43

7.3 蠕动收缩胃的MATLAB模拟 47

8、总结与展望 49

致谢 49

参考文献（References） 50

气动软体人造胃设计

1、绪论

1.1课题研究背景及意义

迄今为止，机器人技术已广泛应用于诸多领域。而传统意义上的机器人通常由刚性结构经过运动副相联结组成，各个运动副产生一个或者多个转动自由度或平动自由度来完成机器人的动作。全体运动副存在差异的动作组合构成了机器人末端执行器所必需的最小作用维度，这种机器人的运动非常准确而且可操纵性优势突出，但其构造的刚性却极大地限制了其环境适应能力，尤其体现在：一是狭小空间内动作姿势遭到重大制约；二是顺利穿过尺寸小于机器人尺寸或者形态复杂的通道将存在困难。以上存在的种种缺陷无可置疑的限制了刚性机器人在多种领域范畴内的使用，比方说军事侦查活动中考虑到隐蔽性的需求希望侦查机器人能通过尺寸小，形态不很简单的通道如墙缝、门缝等；煤矿安全事故、地震泥石流、洪水等自然灾害以及火灾、爆炸等人为灾害救援中要求机器人能够深入废墟进行生命体征探测救援受灾群众；科学勘测时时常要求机器人钻进通道狭窄、路线曲折的复杂空间中；在核工业或者对人体存在高辐射、致毒、致死等危险工业中对核废料、剧毒物质存储罐进行视觉检察、焊缝探测、以及厚度测量；石化工业对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查；对一些构造繁杂的高精密装置，内径窄小的各式输气、输油管路的维修和保护；人造器官研制时要求能完全复现机体生理运动方式，医疗救助中要求身体容易弯曲变形的软体机器人能够钻进人的身体从而提供医学影像或精准散布药物等。

从“民以食为天”这句俗语中，我们就能看出中国普通民众从古至今对饮食的重视。食物的消化与吸收为机体维持正常生理活动的新陈代谢提供源源不断的养料和能量，对维持机体的生命具有至关重要的意义。消化系统的最基本作用是消化食物和吸收营养物质，还能排泄某些代谢产物。机体需要从外界摄入蛋白质、脂肪、糖类、维生素、无机盐、水等六大类物质；其中前三类是通常所说的营养物质，属于天然的大分子物质，不能被机体直接利用，需要经过消化后才能被机体吸收。后三种为小分子物质因此不需要经过消化就可以被机体吸收利用。食物在消化道内被分解为可被人体直接吸收的小分子物质的进程称作消化。胃是机体消化道中最膨大的器官，成年人胃的容量为1至1.5L，能够贮存和初步消化食物。胃内食团通过胃的化学性消化逐步被胃液分解，机械性消化即就是胃运动碾磨最终成为食糜。胃的运动同时令食糜分批次、少量地经过幽门，进到十二指肠中^[1]。

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