半自主式結腸內窺鏡機器人系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境污染、飲食結構改變、精神壓力等因素對人類的健康產生了消極影響，許多人遭受腸道炎、腸道腫瘤以及腸道癌等腸道疾病的困擾。作為定性診斷和治療結腸疾病的醫(yī)療器械，結腸內窺鏡在人體結腸腫瘤性病變的診斷方面具有重要價值。然而，傳統(tǒng)結腸內窺鏡只有其前端的導向段具有可控轉向功能，其余部分通過利用與腸道壁接觸所產生的擠壓力而被動彎曲，故容易在腸道彎曲部位發(fā)生鏡體“堆積”和“結襻”現(xiàn)象而無法通過、損傷腸道組織甚至出現(xiàn)“穿孔”事故，

2、造成病人不適和痛苦。
　　針對傳統(tǒng)結腸內窺鏡的缺點，本文研制了一種新型的結腸內窺鏡機器人。該內窺鏡機器人采用多關節(jié)段連續(xù)體型仿生結構，具有10自由度主動彎曲能力。在由操作者控制其前進運動的同時，內窺鏡機器人根據(jù)所建立的成人結腸彎曲模型和傳感器力反饋信息主動而柔順地改變自身的形狀以適應結腸的彎曲狀況，實現(xiàn)在腸腔非結構環(huán)境內的半自主運動。本文主要在半自主式結腸內窺鏡機器人的仿生結構設計、運動學分析、在結腸腸腔環(huán)境下的通過性和柔順控制方

3、面開展研究。
　　在對人體結腸的解剖學特征和連續(xù)體型機器人的仿生原理進行分析的基礎上，設計了具有多關節(jié)段連續(xù)體型結構的結腸內窺鏡機器人。機器人分為5段，每段各具有2個自由度，通過繩索驅動方式實現(xiàn)對各關節(jié)段的運動控制。針對傳統(tǒng) D-H方法不適用于連續(xù)體型機器人運動學分析的問題，提出了一種高效并具有良好實時性的連續(xù)體型機器人運動學分析方法，利用該分析方法對內窺鏡機器人單關節(jié)段和多關節(jié)段的驅動空間、關節(jié)空間以及操作空間三者的位置映射關系

4、進行了研究，并進行了運動學仿真分析。在機械結構和運動學層面為內窺鏡機器人的通過性和柔順控制研究奠定了基礎。
　　根據(jù)成人結腸解剖學彎曲特征，構建了人體結腸的三維彎曲模型，該模型具有簡練而不失一般性的特點。為了使內窺鏡機器人在工作空間受限的腸腔環(huán)境內具有良好的通過性，針對結腸內窺鏡機器人的多關節(jié)段連續(xù)體型結構，提出了一種基于端點重合思想的多關節(jié)段結腸內窺鏡機器人腸腔環(huán)境下的半自主通過控制策略。研究了結腸內窺鏡機器人在乙狀結腸段和降結

5、腸段二維結腸環(huán)境下以及橫結腸段三維結腸環(huán)境下半自主通過控制策略的實現(xiàn)方法，并進行了通過性仿真分析，驗證了通過控制策略和實現(xiàn)方法的可行性。
　　研究了人體結腸組織的生物力學特性，確立了結腸內窺鏡機器人與結腸壁接觸壓力的安全閾值，為半自主式結腸內窺鏡機器人對結腸腸腔環(huán)境的柔順控制研究提供了依據(jù)。設計了用于測量機器人關節(jié)段與腸道壁接觸壓力的壓力傳感器，并分析其力學特性。針對半自主式結腸內窺鏡機器人在腸腔內部非結構環(huán)境下的適應性問題，提出

6、了一種基于腸腔環(huán)境生物力學特性的內窺鏡機器人柔順控制策略。該控制策略不需要對機器人復雜動力學模型進行求解，因而具有較高的實時性和可行性。
　　最后搭建了半自主式結腸內窺鏡機器人原理樣機實驗系統(tǒng)，介紹了原理樣機所采用的兩級分布式控制系統(tǒng)的硬件和軟件構成，對內窺鏡機器人單關節(jié)段和多關節(jié)段的彎曲能力分別進行了實驗，驗證了所提出的多關節(jié)段連續(xù)體型機器人運動學算法的正確性。開展了剛性模擬腸道環(huán)境下機器人的通過性實驗研究，驗證了半自主通過控制