微型腸道機(jī)器人診查系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)相容性研究.pdf

1、微型腸道機(jī)器人診查系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，是傳統(tǒng)消化道內(nèi)窺鏡最具前景的替代方式之一，已成為國(guó)內(nèi)外醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170968）以及上海市科委項(xiàng)目（14Z111220025）為依托，結(jié)合微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、無(wú)線能量傳輸技術(shù)、微型系統(tǒng)的通信與控制技術(shù)、以及腸道組織生物力學(xué)，對(duì)微型腸道機(jī)器人診查系統(tǒng)及其與腸道之間的運(yùn)動(dòng)相容性進(jìn)行詳細(xì)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，力圖探索一種微創(chuàng)/無(wú)創(chuàng)的腸道疾病診療新途徑

2、。
　　人體腸道環(huán)境是一種非結(jié)構(gòu)性的生理環(huán)境，具有非線性的生物力學(xué)特性。為了適應(yīng)腸道的這種特殊環(huán)境，本文提出了一種微型腸道機(jī)器人診查系統(tǒng)的解決方案。機(jī)器人采用擴(kuò)張-伸縮式的運(yùn)動(dòng)原理，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中包含三個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：前后兩端的徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及中部的軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一種具有大伸縮直徑比的旋轉(zhuǎn)打開(kāi)式徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)在縮回時(shí)的直徑為14mm、最大可擴(kuò)張直徑為32mm、伸縮直徑比為2.29、撐開(kāi)腸道的力為0.9~2.55N；設(shè)計(jì)了一種結(jié)

3、構(gòu)緊湊的軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的中段為無(wú)線供能模塊預(yù)留出了安裝空間，軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)行程為10.5mm，可產(chǎn)生2.97N的推力。
　　為了研究機(jī)器人與腸道之間的運(yùn)動(dòng)相容性，對(duì)擴(kuò)張-伸縮式機(jī)器人在腸道中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了力學(xué)分析。文中分別建立了機(jī)器人駐留機(jī)構(gòu)擴(kuò)張腸道的模型以及機(jī)器人機(jī)身擴(kuò)張腸道的模型，并通過(guò)模型分析了駐留機(jī)構(gòu)和機(jī)器人機(jī)身擴(kuò)張腸道后受到的軸向作用力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了機(jī)器人駐留機(jī)構(gòu)和機(jī)器人機(jī)身在離體腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的力學(xué)特性，

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)器人駐留機(jī)構(gòu)的直徑小于等于26mm時(shí)，駐留機(jī)構(gòu)在腸道內(nèi)受到的駐留力為0.1N~0.4N；當(dāng)駐留機(jī)構(gòu)的直徑大于26mm時(shí)，駐留力迅速增加；機(jī)器人機(jī)身在腸道內(nèi)受到的軸向作用力為0.1N~0.4N。
　　通過(guò)對(duì)擴(kuò)張-伸縮式機(jī)器人在腸道中運(yùn)動(dòng)效率的分析，得出導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率降低的原因有以下幾點(diǎn)：機(jī)器人駐留機(jī)構(gòu)駐留失效導(dǎo)致的步距損失、腸道壓縮與拉伸導(dǎo)致的步距損失。文中建立了模型分析駐留失效導(dǎo)致步距損失出現(xiàn)的原因；建立了腸

5、道壓縮與拉伸的模型，并分別計(jì)算了由于腸道壓縮與拉伸導(dǎo)致的步距損失。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了機(jī)器人在離體腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)效率，水平平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人在離體腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)效率在34.2％至63.7%之間，實(shí)際運(yùn)行速度在0.62mm/s至1.29m m/s之間；斜坡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)果表明，提高機(jī)器人徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的駐留能力有助于增強(qiáng)機(jī)器人的爬坡能力。
　　為了解決機(jī)器人的供能問(wèn)題，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的無(wú)線供能模塊，其鑲嵌式的接收線圈結(jié)構(gòu)，既保證了線圈的放置

6、空間，又不會(huì)增加機(jī)器人的機(jī)身直徑和機(jī)身長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)了采用霍爾姆茲線圈結(jié)構(gòu)作為發(fā)射線圈的無(wú)線能量發(fā)射模塊；設(shè)計(jì)了無(wú)線能量接收模塊，并采用高磁導(dǎo)率的鐵氧體環(huán)形磁芯用于增強(qiáng)接收線圈附近的磁場(chǎng)。結(jié)合腸道機(jī)器人的特點(diǎn)以及通信要求，設(shè)計(jì)了具備雙向通信能力的通信模塊，通信模塊由上位機(jī)、體外通信模塊和體內(nèi)通信模塊組成。根據(jù)腸道機(jī)器人的控制任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制模塊，控制模塊中，基于腸道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了對(duì)微型電機(jī)的雙信號(hào)反饋控制：電流信號(hào)反

7、饋加位置信號(hào)反饋，這種控制方式提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。
　　設(shè)計(jì)、加工并裝配了機(jī)器人樣機(jī)，樣機(jī)直徑14mm、長(zhǎng)度45m m、重量22.43g?；跈C(jī)器人樣機(jī)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本一致；測(cè)試了機(jī)器人樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能：機(jī)器人樣機(jī)在垂直的柔性管道中上升速度為2.9mm/s、下降速度為3.3mm/s，機(jī)器人在剛性彎曲管道中的爬行速度為1.5mm/s，機(jī)器人在離體腸道下坡段、水平

8、段、上坡段的爬行速度分別為1.2mm/s、0.7mm/s、和0.3mm/s；通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了機(jī)器人應(yīng)對(duì)功率峰值的方案，并對(duì)機(jī)器人在無(wú)線供能環(huán)境下的無(wú)線通信模塊性能、控制模塊性能、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能以及視頻模塊性能進(jìn)行了測(cè)試；測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人的性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
　　本文對(duì)微型腸道機(jī)器人診查系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人與腸道之間的運(yùn)動(dòng)相容性、無(wú)線能量傳輸技術(shù)、微型機(jī)電系統(tǒng)的通信與控制技術(shù)、微型系統(tǒng)的集成與測(cè)試等方面進(jìn)行了深入研究，這