主動(dòng)可控式內(nèi)窺鏡膠囊機(jī)器人的研究.pdf

1、針對(duì)臨床上傳統(tǒng)消化道內(nèi)窺鏡和膠囊內(nèi)鏡存在的主要問(wèn)題,研究了一種用于人體腸道診查的微型膠囊機(jī)器人系統(tǒng),試圖探索一種腸道微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)診療的新途徑。本文針對(duì)腸道內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)了高效的微型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),使膠囊機(jī)器人的可吞服性成為可能,并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室其他科研成果——無(wú)線通訊與供能技術(shù)——解決機(jī)器人由于拖纜不能深入人體的問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)方式的選擇是研制人體腸道診療機(jī)器人首要問(wèn)題。本文在對(duì)人體腸道環(huán)境特點(diǎn)做了深入研究的基礎(chǔ)上,首先介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)胃腸道機(jī)器人的現(xiàn)狀,

2、分析并對(duì)比了其中主要幾種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及其未能繼續(xù)深入研究的原因。然后從動(dòng)力學(xué)和人體安全性角度,對(duì)足式運(yùn)動(dòng)—蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng),氣壓驅(qū)動(dòng)—機(jī)械驅(qū)動(dòng),摩擦力驅(qū)動(dòng)—反沖力驅(qū)動(dòng)等方式進(jìn)行了對(duì)比分析,得出了結(jié)構(gòu)緊湊,驅(qū)動(dòng)力較大,穩(wěn)定性最好的運(yùn)動(dòng)方式——基于液壓驅(qū)動(dòng)的雙電機(jī)仿尺蠖運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器利用兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源,經(jīng)過(guò)減速器和絲桿螺母機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),而后輸出油囊的徑向擴(kuò)張和收縮、膠囊的伸長(zhǎng)和縮短,并按照一定的時(shí)序配合實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人

3、的運(yùn)動(dòng)步態(tài),驅(qū)動(dòng)器可以執(zhí)行前進(jìn)、后退、停止等動(dòng)作。為了克服液壓驅(qū)動(dòng)與“無(wú)線”的沖突,本文研制了機(jī)器人采用油泵單次沖壓實(shí)現(xiàn)油囊徑向伸縮的方式,并特別設(shè)計(jì)了油泵和油囊。在油囊的設(shè)計(jì)中,兼顧油囊和油泵的體積比例1:2,充分考慮油囊與腸道組織的摩擦力,粘合度等因素,最大限度增加油囊與腸壁在壓合時(shí)的壓力以及摩擦力。與實(shí)驗(yàn)室其他項(xiàng)目組合作,設(shè)計(jì)了適應(yīng)本系統(tǒng)的無(wú)線通訊子模塊和無(wú)線供能子模塊。獨(dú)立設(shè)計(jì)完成了包含無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)在內(nèi)的控制模塊。通過(guò)

4、這三個(gè)模塊和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了膠囊機(jī)器人的信息采集與運(yùn)動(dòng)控制從“有線”到“無(wú)線”的跨越,并保證了對(duì)其不間斷的供能。組裝完成的機(jī)器人樣機(jī)在收縮狀態(tài)下,外徑為Φ13mm,長(zhǎng)度40mm,滿(mǎn)足可吞服的基本要求。為了驗(yàn)證膠囊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的有效性和能量傳輸?shù)目煽啃?我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膠囊機(jī)器人在直徑為Φ15mm~Φ20mm的橡膠軟管中輸出較大的前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度約為45mm/min,任意方向均無(wú)明顯步距損失;膠囊機(jī)器人在豬