本文以国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划（863计划）、载人航天领域预先研究和上海市科委资助项目为依托，对结肠微型机器人进行详细研究和实验验证，力图探索出结肠主动微创诊疗的新途径。结肠主动微创诊疗对结肠微型机器人提出“动”、“能”、“诊”、“控”四项基本功能，它们分别对应于运动技术、供能技术、诊疗技术和通讯控制技术的研究。结肠微型机器人运动技术研究，以人体结肠的生理特性为出发点，详细分析了结肠的基本形态及生物力学特性，并通过综合分析确定了仿尺蠖运动方式和微型电机驱动方式。仿尺蠖运动机构主要包括两端径向钳位机构和中部轴向伸缩机构。径向钳位机构利用连杆机构伸缩腿实现60mm的钳位直径，轴向伸缩机构采用双向直线驱动机构实现45mm的轴向行程。通过力学特性分析，径向机构的理论最大输出为1.7N，轴向机构的理论最大输出为4.5N，它们都可以在无驱动下实现状态保持。结肠具有复杂的表面形态和粘弹的组织特性，使得结肠微型机器人的钳位接触效率较低，因此为了提高肠道接触效率和安全性，以肠道摩擦力模型为基础，通过实验验证和分析，设计并制造了适合肠道表面的接触装置。运动学、动力学、临界步距和运动效率的综合分析，进一步明确了结肠微型机器人的运动性能，为结肠微型机器人运动技术的发展提供了重要参考。结肠微型机器人的供能技术研究，以电磁感应原理为基础，通过无线方式来实现持续高功率能量供给。在无线供能系统中，Helmholtz发射线圈激励出均匀交变磁场从而提高了位置稳定性，三维接收线圈改进了姿态稳定性，并通过为发射线圈匹配补偿电容和可调电感解决频率稳定性。无线供能效率由发射系统、线圈耦合和接收系统共同影响，其深入研究为结肠微型机器人无线供能系统研制提供宝贵参考。本文研制出适合结肠微型机器人的无线供能系统，当系统输入功率为14.7W时，可以为结肠微型机器人提供最小378mW、最大705mW的能量。结肠微型机器人的诊疗技术研究，从临床诊疗需求出发对无线图像诊断和热疗进行详细研究。无线图像诊断借鉴胶囊内窥镜研究成果，并结合结肠诊疗需要，设计出双图像采集系统，可以实现30fps的连续图像采集，图像尺寸为320×240像素。热疗研究以肿瘤加热技术发展为出发点，并结合肠道生物组织导热特性，设计出了结肠腔内局部热疗线圈，并通过热疗线圈表面温度的详细实验，选择出了最优的线圈结构。热疗线圈装配了温度检测电路以实现41~45℃的结肠肿瘤热疗温域的精确控制。结肠微型机器人的通讯控制技术研究，以无线通讯为基础实现了医生对体内结肠微型机器人的实时监控。利用两块Si4420收发芯片并结合特定的通讯程序，在体内同体外间实现了半双工无线通讯。此外，为了提高结肠微型机器人对多任务和外设的管理能力，利用两片微控制器实现双硬核系统的同时，并为每个微控制器装配了具有四层优先级的软核程序构架。结肠微型机器人硬件电路和软件程序的设计，使其具有完备的协同运作和同步控制能力。结肠微型机器人关键技术研究同微机电系统加工的有机结合，研制出了结肠微型机器人样机，其直径17mm，收缩后轴向长度128mm，轴向行程44mm，最大径向钳位外径60mm。考虑到同结肠的生物相容性，结肠微型机器人样机壳体采用医用聚丙烯棒，利用数控机床加工而成，前后腔体间利用食品医用硅胶波纹管连接密封。为了降低样机重量，样机机架采用轻质航空铝材，并利用高精度线切割加工而成，最终样机净重53.5g。以结肠微型机器人样机作为实验对象，本文通过实验研究对结肠微型机器人关键技术给予充分评测。机器人样机的仿尺蠖运动机构具有简洁有效的运动步态，径向钳位机构的实际最大输出为1.5N，轴向伸缩机构的实际最大输出为4.2N，接近其理论输出值；此外，运动机构的运动过程符合结肠内主动运动需求。接触装置不仅使机器人样机的摩擦系数提高65%，而且使其在结肠中具有较为安全的主动接触特性。无线图像系统能够为医生提供连续而清晰的图像，便于结肠病灶点的诊出。机器人样机可在不同倾斜角度的刚性管道和柔性管道中有效运动，当随着运动环境的稳定性降低和倾斜角度的提高，机器人样机的运动速度也随之降低，但运动过程仍然连续平稳；机器人样机在离体肠道中具有复杂的运动特性，主要受到肠道形态和粘弹组织特性影响。在无线供能系统中，接收线圈会产生电热效应可能会提高结肠的局部温度，发射线圈激励谐振磁场也会影响人体的特定比吸收率和电流密度，而通过温度测定和人体数字模型分析，证明了无线供能系统对人体是相对安全的。最后，本文对机器人样机开展了活体实验，进一步验证了结肠微型机器人关键技术的应用价值，为实际临床应用提供了宝贵参考。