結(jié)腸診查微型仿生機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實驗研究.pdf

1、臨床上,出于早期診斷、精確治療之新理念,主動式無創(chuàng)、微創(chuàng)消化道診查機器人的研究倍受國內(nèi)外醫(yī)療器械工作者矚目,而且隨著微機械、微電子、微傳感和微執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)能自主進入腸道進行工作的微型機器人診查系統(tǒng)亦已成為可能.基于此,本研究在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的資助下,開展了用于結(jié)腸疾病診查的微型機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實驗研究. 進行了機器人與腸道的運動相容性分析,系統(tǒng)設(shè)計,運動模型建立,以及腸道摩擦特性的測試研究.考慮到人體結(jié)腸的

2、空間幾何形狀、腸壁表面狀況及其解剖微結(jié)構(gòu),機器人要有效安全運動,一方面需要克服腸道的柔軟、易于變形、粘彈性、彎曲和缺少支撐等困難,另一方面要避免對薄而易于損傷的結(jié)腸粘膜組織的創(chuàng)傷.為此,基于仿生學(xué)原理,提出了適合腸道非結(jié)構(gòu)環(huán)境的仿蚯蚓和仿尺蠖牽引方式.綜合考慮牽引方式和腸道組織生理特性,建立了徑向擴張模型和軸向牽引模型,發(fā)現(xiàn)在機器人設(shè)計時,要重點考慮結(jié)腸與機器人之間的摩擦學(xué)問題和臨界步距國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2004AA404

3、013)問題.利用電動機拖動金屬滑塊在結(jié)腸表面上運動時,電動機電流與摩擦力之間的關(guān)系,提出了一種摩擦系數(shù)的測試方法.測定了四種不同表面形狀的銅摩擦試塊與結(jié)腸的摩擦系數(shù),結(jié)果表明摩擦系數(shù)按照三角形表面、矩形表面、圓形表面和平面依次遞減.進行了具有相同表面的鋁試塊與結(jié)腸的摩擦系數(shù)測試,并與銅試塊的測試結(jié)果進行了對比.對結(jié)腸的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系進行了分析,在此基礎(chǔ)上,使用一維簡化模型進行了臨界步距的求解及其影響因素的分析. 研究了微小型仿蚯

4、蚓機器人的驅(qū)動技術(shù)和樣機集成,進行了實驗研究.設(shè)計出兩種電磁直線驅(qū)動器,即回轉(zhuǎn)線圈型與平板線圈型.回轉(zhuǎn)線圈型使用8個長方永磁體拼接成正八邊形來近似全徑向極化管狀磁鐵,在氣隙中獲得的磁場近似垂直于回轉(zhuǎn)線圈導(dǎo)線中的電流方向,提高了線圈的利用率.平板線圈型使用永磁體的開放磁場和平面線圈,結(jié)構(gòu)簡潔,利于進一步微型化.以最大電磁推力為目標,利用有限元軟件對兩種驅(qū)動器的空氣隙厚度進行了優(yōu)化,結(jié)果表明回轉(zhuǎn)線圈型最優(yōu)氣隙厚度為2.2mm,而平板線圈型的

5、最優(yōu)氣隙厚度為2.6mm.利用這兩種直線電磁驅(qū)動器開發(fā)出兩種規(guī)格的微型仿蚯蚓蠕動機器人,分別為φ10x130mm,φ6×59mm.機器人包含四個運動單元,即三個驅(qū)動器單元和一個處于最前端的頭艙.各個運動單元之間使用十字萬向節(jié)連接,可適應(yīng)彎曲的管道,機器人整體具有一定的靈活性.機器人關(guān)節(jié)處使用乳膠膜密封,可在半流體或者流體環(huán)境下安全運行.機器人采取了不同的驅(qū)動器連接方式.一種連接方式,是將后一個驅(qū)動器動圈通過十字萬向節(jié)與前一個驅(qū)動器的定子

6、連接,稱為動圈一定子式.一種將驅(qū)動器所有的動圈通過十字萬向節(jié)串接在一起,稱為動圈串聯(lián)式.建立了機器人的力控制模型,得到了機器人驅(qū)動條件的一組輸出力約束方程.給出了機器人的爬坡模型,討論了機器人爬坡能力與摩擦系數(shù)、機器人運動單元節(jié)數(shù)的關(guān)系.進行了機器人牽引力、運動速度以及爬坡能力的測試,結(jié)果與爬坡模型仿真結(jié)果一致. 進行了仿尺蠖蠕動機器人驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計、樣機裝配、運動建模和實驗等研究.徑向變形和軸向牽引機構(gòu)使用絲杠螺母機構(gòu)進行運動轉(zhuǎn)

7、換.徑向變形使用了曲柄滑塊機構(gòu)來獲得徑向尺寸變形.使用了步進電動機和有刷直流電動機.前者結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,但是能夠獲得的驅(qū)動力有限,后者需要裝配減速器和位置檢測裝置,因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較長,但是能夠得到較大的輸出力.對徑向支撐機構(gòu)的進行了受力分析,以發(fā)生同樣變形需要電動機輸出力最小為目標,進行了計算得到了一系列結(jié)構(gòu)尺寸和電動機輸出力之間的關(guān)系曲線,確定了最優(yōu)參數(shù).對尺蠖型機器人的運動進行了控制,得到了控制信號序列.對機器人的爬坡和牽引能

8、力進行了模型分析,得到了機器人爬坡與壓力、摩擦系數(shù)間的關(guān)系和牽引力的表達式.最后進行了模擬實驗,結(jié)果表明仿尺蠖蠕動微型機器人具有較強的爬坡能力. 研制了結(jié)腸模擬器,其幾何尺寸和空間形態(tài)模擬了在人體腹腔中真實的結(jié)腸.在模擬器中進行了機器人的爬行實驗,結(jié)果表明在彎曲部分機器人具有良好的通過性.在豬結(jié)腸中,進行了離體腸道實驗,主要研究了機器人的爬行能力.實驗結(jié)果表明,機器人能夠順利的通過部分腸道,可以自主改變前進方向,能夠自適應(yīng)彎曲的