呼吸參數(shù)直接監(jiān)測(cè)仿生微型機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展,應(yīng)用仿生學(xué)原理和MEMS技術(shù)研究自主進(jìn)入人體腔道進(jìn)行"微創(chuàng)/無(wú)創(chuàng)"診查的微機(jī)器人系統(tǒng)倍受關(guān)注.本論文以國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)"人體腔道診療微系統(tǒng)實(shí)用化研究"項(xiàng)目(2004AA404013)為依托,研究適于在人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)主動(dòng)移動(dòng),能對(duì)肺內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行直接連續(xù)監(jiān)測(cè)的微型機(jī)器人系統(tǒng).根據(jù)人體呼吸系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和維持正常呼吸功能的要求,研究了仿生微型機(jī)器人系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)機(jī)理、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性、機(jī)器人控制以及

2、機(jī)器人與呼吸道內(nèi)環(huán)境之間的相容性等關(guān)鍵技術(shù)問題,并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究.力圖探索一種新的用于人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)自主移動(dòng)實(shí)現(xiàn)呼吸生理參數(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)及微創(chuàng)輔助診療系統(tǒng),為人體腔道檢查機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)提供新的思路和理論基礎(chǔ).論文主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究: 1、論文在分析研究了國(guó)內(nèi)外關(guān)于呼吸生理參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)、支氣管鏡診療技術(shù)及醫(yī)用微創(chuàng)/無(wú)創(chuàng)診查微型機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)呼吸系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和功能特性,應(yīng)用仿生學(xué)原理,給出了適用于人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)

3、主動(dòng)移動(dòng)進(jìn)行呼吸生理參數(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)的微型機(jī)器人系統(tǒng). (1)移動(dòng)機(jī)理與人體直接接觸的機(jī)器人系統(tǒng)要求具有安全、柔性的特性.通過分析尺蠖生物體的運(yùn)動(dòng)特性,抽象出仿生尺蠖生物體的移動(dòng)機(jī)理,基于仿生尺蠖的移動(dòng)機(jī)理,設(shè)計(jì)了具有柔性移動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu),機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)由前、后兩個(gè)支撐鉗位單元和中間一個(gè)伸縮驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成. (2) 驅(qū)動(dòng)器分析比較了電磁式、電磁與壓電結(jié)合式、微型電機(jī)式及氣動(dòng)式等驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理、控制方式及其性能試驗(yàn),選

4、擇以空氣動(dòng)力作為機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源,設(shè)計(jì)了全氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng).研制了具有柔性性能的空氣壓人工筋驅(qū)動(dòng)器,該人工筋驅(qū)動(dòng)器為增強(qiáng)纖維型人工筋驅(qū)動(dòng)器,具有三個(gè)等扇形截面內(nèi)腔,可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和任意方向的彎曲轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng).機(jī)器人的鉗位單元為塑料圓筒外覆具有一定彈性的氣囊,每個(gè)支撐單元通過鉗位氣囊充氣加壓膨脹壓緊管壁來(lái)實(shí)現(xiàn)鉗位功能. (3) 信息傳感微型傳感器及攝像、診療等微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)等可集成于前支撐單元內(nèi),進(jìn)行呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)、直接診查等.

5、 (4) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)體外電-氣控制系統(tǒng),通過體外電-氣控制系統(tǒng)控制機(jī)器人移動(dòng)及實(shí)現(xiàn)信息的采集與處理.電-氣系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器/電磁閥、壓力傳感器、高壓氣源,壓力調(diào)節(jié)閥等組成.通過人-機(jī)界面控制機(jī)器人移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)信息傳感及直接診療等功能. 論文基于上述方案加工研制了機(jī)器人樣機(jī),設(shè)計(jì)了具有人機(jī)界面的體外電一氣實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng),并對(duì)樣機(jī)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了管內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究.研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能進(jìn)行穩(wěn)定平滑

6、移動(dòng),機(jī)器人具有較大的運(yùn)動(dòng)速度和較大驅(qū)動(dòng)力. 2、為進(jìn)一步研究機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能,詳細(xì)分析了移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力學(xué)特性. (1)人工筋驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力學(xué)特性建立了人工筋驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.論文基于能量守恒與轉(zhuǎn)換定律及最小形變?cè)斫⒘丝諝鈮喝斯そ铗?qū)動(dòng)器的軸向驅(qū)動(dòng)力學(xué)模型及彎曲轉(zhuǎn)向特性模型,仿真計(jì)算了人工筋驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力學(xué)特性及彎曲轉(zhuǎn)響特性,通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. (2)鉗位氣

7、囊的鉗位壓力特性機(jī)器人的移動(dòng)過程中需進(jìn)行牢固的鉗位,鉗位氣囊內(nèi)的壓力及作用于管內(nèi)壁的鉗位力必須足夠大,鉗位壓力太小則無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的鉗位功能.另一方面,由于鉗位氣囊緊壓管腔內(nèi)壁,過大的鉗位壓力將損傷氣管內(nèi)壁組織,因此對(duì)于人體腔道內(nèi)壁組織而言,鉗位壓力不能太大.論文在分析了呼吸道內(nèi)壁組織生理特性及分析氣管插管鉗位壓力特性的基礎(chǔ)上,分析了作用于管內(nèi)壁壓力特性,確定了合適的鉗位氣囊工作壓力. (3)阻尼力 機(jī)器人系統(tǒng)在有呼吸氣流

8、流動(dòng)的呼吸系統(tǒng)內(nèi)移動(dòng),因此其移動(dòng)過程中將受到氣流阻尼力的影響,另外,機(jī)器人系統(tǒng)是拖線式的,拖線的阻尼力必然影響后支撐單元的移動(dòng).因此,文中分析了拖線及氣流的阻尼力對(duì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響,為機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、及進(jìn)行體內(nèi)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)直接呼吸監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ). 通過上述力學(xué)分析建立了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了機(jī)器人系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力.3、機(jī)器人系統(tǒng)移動(dòng)控制特性研究. (1)機(jī)器人移動(dòng)控制基于有限狀態(tài)機(jī)理論分析

9、并定義了單步距一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并基于有限狀態(tài)機(jī)理論編制了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制算法程序,實(shí)現(xiàn)高效率控制. (2)機(jī)器人系統(tǒng)控制特性研究分析了氣動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的非線性特性,研究了建立了機(jī)器人系統(tǒng)氣壓一位置伺服控制的非線性系統(tǒng)模型.基于模糊自適應(yīng)PID控制理論研究了機(jī)器人系統(tǒng)的控制特性,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于模糊自適應(yīng)PID控制的機(jī)器人系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)特性.為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的更高精度控制,提出一種模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

10、,并應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)的控制.仿真控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于該模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)器人系統(tǒng)具有更好的動(dòng)、靜態(tài)特性,并具有抗干擾能力. 4、在機(jī)械通氣情況下,氣道阻力是重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)之一,氣道阻力過大將影響正常的通氣功能.內(nèi)置機(jī)器人系統(tǒng)必然存在一定的流動(dòng)阻力,論文應(yīng)用流體力學(xué)理論分析了在不同呼吸氣流的流態(tài)下的微機(jī)器人系統(tǒng)在氣道內(nèi)的阻力特性.仿真計(jì)算結(jié)果表明相對(duì)于整個(gè)氣道阻力而言,所設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)具有很小的流動(dòng)阻力. 5、豬呼

11、吸系統(tǒng)與人體呼吸系統(tǒng)最為接近,因此,在機(jī)械通氣情況下,對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)在正?；顚?shí)驗(yàn)豬氣管內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).機(jī)器人系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)豬氣管內(nèi)進(jìn)行平滑移動(dòng),通過微機(jī)器人系統(tǒng)攜帶的傳感器對(duì)豬氣管末端的呼吸壓力和溫度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè).呼吸參數(shù)測(cè)量結(jié)果表明內(nèi)置機(jī)器人系統(tǒng)的呼吸阻力處于正常狀態(tài),體內(nèi)直接監(jiān)測(cè)的結(jié)果與體外呼吸機(jī)顯示的結(jié)果相符合理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的仿生微機(jī)器人系統(tǒng)能適應(yīng)人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境,能在呼吸系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行柔性平滑穩(wěn)定的移動(dòng),實(shí)現(xiàn)呼吸生理參數(shù)