微型小腸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn).pdf

1、多發(fā)性的消化道疾病對(duì)人體健康造成了很大隱患,消化道疾病的診斷目前通常采用機(jī)械式插入的內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查。由于人體小腸特性的限制,傳統(tǒng)檢查無(wú)法實(shí)現(xiàn)小腸段的全腸道檢測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,無(wú)線膠囊內(nèi)鏡的誕生,將消化道內(nèi)窺鏡的診療技術(shù)帶入一個(gè)新的發(fā)展階段,實(shí)現(xiàn)了對(duì)胃腸道的無(wú)創(chuàng)檢查,也為小腸的疾病診療提供了新的解決方案。但由于膠囊內(nèi)鏡的非主動(dòng)性運(yùn)動(dòng)和診療手段的欠缺,在進(jìn)一步的研究中提出了主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的概念。一種能夠安全、有效地對(duì)胃腸道

2、進(jìn)行無(wú)創(chuàng)診療的主動(dòng)型內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng),已成為具有重要應(yīng)用前景的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　本課題在國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.31170968)、載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目(No.010203)與上海市科委項(xiàng)目(No.09DZ1907400)的資助下,從人體小腸的特殊環(huán)境出發(fā)考慮,研究并設(shè)計(jì)了一種可以在離體豬小腸腸道內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效爬行的微型小腸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
　　本文首先對(duì)微型小腸機(jī)器人的研究背景和意義進(jìn)行了介紹,并對(duì)國(guó)內(nèi)外就這一課

3、題研究已經(jīng)取得的成果進(jìn)行了分析。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同,將近年來(lái)的國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的新型胃腸道內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)分為了三類:體內(nèi)驅(qū)動(dòng),體外驅(qū)動(dòng)和綜合驅(qū)動(dòng),分析了典型機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和不足,作為設(shè)計(jì)的理論參考。
　　人體腸道是非常特殊的運(yùn)動(dòng)環(huán)境,從小腸的解剖學(xué)、組織學(xué)、運(yùn)動(dòng)特性和生物力學(xué)特性等四個(gè)方面出發(fā),對(duì)小腸腸道的生物特性進(jìn)行分析。根據(jù)小腸特殊的生理特性,提出了對(duì)腸道內(nèi)小腸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的要求,確定了尺蠖伸縮式的仿生運(yùn)動(dòng)方式。尺蠖伸縮式運(yùn)動(dòng)憑借無(wú)

4、肢運(yùn)動(dòng),脫離了對(duì)輪式運(yùn)動(dòng)的限制,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更好。前后兩端對(duì)稱的結(jié)構(gòu),更容易實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退。結(jié)合模塊化的設(shè)計(jì)將機(jī)構(gòu)微型化,更利于適應(yīng)腸道內(nèi)的狹小作業(yè)環(huán)境。結(jié)合描述腸道應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的超彈性本構(gòu)方程,推導(dǎo)出機(jī)器人參數(shù)與臨界步距之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求討論了機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)要求,提出機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)思路。確定其驅(qū)動(dòng)原理后,選擇了微型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器,提出機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及控制電路部分的設(shè)計(jì)。
　　機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)單元分為徑向

5、駐留單元和軸向伸縮單元兩類,整個(gè)機(jī)器人由3個(gè)運(yùn)動(dòng)單元構(gòu)成,依次為徑向駐留單元-軸向伸縮單元-徑向駐留單元。經(jīng)過(guò)氣囊式、液充式和機(jī)械式駐留機(jī)構(gòu)的比較,為了更有效的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),選擇了機(jī)械式駐留方式。機(jī)械式駐留機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)件為雙螺桿、雙螺母和三對(duì)足,一起構(gòu)成了非典型的曲柄滑塊機(jī)械結(jié)構(gòu)。軸向伸縮單元的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)件為螺桿與螺母構(gòu)成的傳動(dòng)副。在第一代機(jī)器人軸向單向伸縮的基礎(chǔ)上,第二代機(jī)器人樣機(jī)改為軸向雙向伸縮單元。第一代機(jī)器人的機(jī)體外徑為14mm,第

6、二代機(jī)器人的機(jī)體外徑為12.8mm。
　　控制系統(tǒng)部分主要分為硬件電路系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件電路包括機(jī)器人體內(nèi)控制電路系統(tǒng)、體內(nèi)體外通訊電路和體外控制電路系統(tǒng)。第二代機(jī)器人在第一代的基礎(chǔ)上增加了電磁感應(yīng)限位電路,并將微控制器PIC16F690更換為PIC24FJ64GA002,以滿足新增功能電路的通訊口要求。軟件系統(tǒng)包括體內(nèi)控制程序、體外控制程序、上位機(jī)的控制界面程序和無(wú)線遙控器程序。對(duì)電機(jī)控制模塊、無(wú)線通信模塊、非易失性存儲(chǔ)模塊、

7、A/D轉(zhuǎn)換模塊分別進(jìn)行闡述。
　　針對(duì)第一代微型小腸機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了模擬腸道與離體腸道實(shí)驗(yàn)。通過(guò)水平與垂直模擬管道爬行測(cè)試,進(jìn)一步了解機(jī)器人在特殊環(huán)境中的作業(yè)能力。采用離體豬小腸為實(shí)驗(yàn)對(duì)象搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力。離體實(shí)驗(yàn)說(shuō)明機(jī)器人在小腸直徑適應(yīng)性上與設(shè)計(jì)一致,且機(jī)器人能夠有效地運(yùn)動(dòng)在模擬腸系膜支持良好的離體腸道模型中。最后總結(jié)了整個(gè)設(shè)計(jì)方案及研究成果,分析了存在的一些不完善的問(wèn)題,對(duì)進(jìn)一步的研究進(jìn)行了展望。
　　綜上