微型胃腸道疾病診療機(jī)器人系統(tǒng)及其實驗研究.pdf

1、消化道疾病已經(jīng)開始成為威脅國民身體健康的重要問題。目前，微型胃腸道疾病診療機(jī)器人系統(tǒng)的研究處于國際生物醫(yī)療器械的研究前沿。在國家和省部級科研計劃的資助下，利用微機(jī)械加工、微執(zhí)行器、微傳感與微電子等技術(shù)，開展了面向臨床應(yīng)用的微型胃腸道疾病診療機(jī)器人系統(tǒng)的研究。
　　 由于微型胃腸道疾病診療機(jī)器人運(yùn)行在人體的胃腸道中，因此本文首先從胃腸道環(huán)境著手，依據(jù)其特殊的生理環(huán)境與生物力學(xué)特性，提出駐留-伸縮的主動運(yùn)動方式。該機(jī)器人的動作主要由

2、軸向伸縮與徑向駐留兩種方式組成。為獲得機(jī)器人設(shè)計參數(shù)，對機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行了以下幾個方面的力學(xué)分析:機(jī)器人艙體運(yùn)動時其外表面與腸道內(nèi)壁在機(jī)器人軸線方向上的粘滯阻尼與摩擦損耗;靜止時駐留艙體在徑向上因支撐而帶來的軸向駐留力;機(jī)器人整機(jī)在腸道中的運(yùn)動條件;與腸道組織自身的彈性特性密切相關(guān)的運(yùn)動效率。在上述力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，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，建立了描述機(jī)器人參數(shù)與臨界步距之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通過離體腸道的物理模型實驗測

3、得模型在腸道中的運(yùn)動速度與阻力等主要曲線，并將測試數(shù)據(jù)返回到臨界步距數(shù)學(xué)模型中，推出了機(jī)器人參數(shù)的設(shè)計范圍與基本設(shè)計準(zhǔn)則。
　　 在已優(yōu)化的機(jī)器人參數(shù)范圍內(nèi)，選擇了微型直流電機(jī)作為機(jī)器人驅(qū)動器，并分別設(shè)計與實現(xiàn)了機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)。針對機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，分別采用了三種方式實現(xiàn)了駐留機(jī)構(gòu)，兩種方式實現(xiàn)了伸縮機(jī)構(gòu)，并分析了各機(jī)構(gòu)的主要力學(xué)特性;機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為嵌入式本體運(yùn)動控制系統(tǒng)與體外控制臺兩部分，并通過具體的微電子電路

4、實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的硬件，并編寫了控制算法與人機(jī)界面;完成的第三代機(jī)器人樣機(jī)直徑為13mm，長度為90mm，質(zhì)量為22g，并以該參數(shù)為例，分析了機(jī)器人整機(jī)的運(yùn)動特性，得到其運(yùn)動時的負(fù)載曲線。
　　 為提高機(jī)器人在胃腸道中的運(yùn)動效率，降低機(jī)器人對胃腸道損傷的可能性，提出并研究了基于視覺導(dǎo)航的機(jī)器人主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。針對實際內(nèi)窺鏡圖像，提出了暗區(qū)導(dǎo)航方法。該導(dǎo)航方法的核心算法可分為亮度提取、圖像分割以及暗區(qū)中心計算三個部分。該核心算法得到

5、的轉(zhuǎn)向矢量位于圖像空間中，通過將該矢量映射到被控參數(shù)空間中，實現(xiàn)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為驗證算法的有效性并研究算法細(xì)節(jié)，采用了實際的小腸內(nèi)窺鏡圖像進(jìn)行實驗，最終通過小腸內(nèi)窺鏡圖片庫測試了整個導(dǎo)航算法的精度及計算速度。
　　 針對微型胃腸道疾病診療機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了力學(xué)性能測試與離體腸道實驗。測試了各樣機(jī)的兩組力學(xué)曲線，分別是足伸出長度與支撐力關(guān)系曲線，與其軸向伸縮速度與輸出力關(guān)系曲線，以驗證整機(jī)的設(shè)計;在樣機(jī)滿足性能要求的基礎(chǔ)上

6、，進(jìn)行了整機(jī)的水平與垂直模擬管道爬行測試，進(jìn)一步測試了整機(jī)負(fù)載能力與運(yùn)動速度之間的關(guān)系;最后采用離體豬小腸為實驗對象搭建實驗臺測試了機(jī)器人運(yùn)動能力。在模擬腸系膜支持良好的直徑為18mm的離體腸道模型中，機(jī)器人能夠有效地運(yùn)動。通過離體實驗說明，機(jī)器人在小腸直徑適應(yīng)性上與設(shè)計一致，驗證了駐留-伸縮的運(yùn)動方式。綜上所述，為了使機(jī)器人安全有效地運(yùn)動在胃腸道環(huán)境中，本文從機(jī)器人運(yùn)動方式入手建立了基于超彈性本構(gòu)方程的臨界步距數(shù)學(xué)模型，并在該模型的指