胃腸道微型仿生機器人診查系統(tǒng)及運動相容性研究.pdf

1、目前，國內(nèi)外對胃腸道疾病的診斷和治療主要采用胃腸道內(nèi)窺鏡。因此，研究機器人系統(tǒng)來診查胃腸道疾病是國際生物醫(yī)療器械研究的前沿和重點之一。本研究在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的資助下，利用微加工技術(shù)、微驅(qū)動技術(shù)、微電子技術(shù)、無線通信和能量傳輸技術(shù)以及臨床醫(yī)學技術(shù)，開展了胃腸道微型仿生機器人診查系統(tǒng)及運動相容性研究。 在對人體胃腸道的生理特征進行詳細分析的基礎(chǔ)上，研制成胃腸道微型仿生機器人診查系統(tǒng)。組裝完成的第一代胃腸道診查微型機器人樣機實

2、現(xiàn)了無纜化要求，其外徑12.1mm，長165.5mm。由1個頭艙、3個驅(qū)動單元、1個尾艙共五個運動單元組成，可以實現(xiàn)前進、后退、停止等功能。位于頭艙中的視頻攝像模塊采集到的胃腸道內(nèi)部圖像經(jīng)無線通信模塊發(fā)送至體外，視頻傳輸約3幀/秒，功耗約120mW。無線能量接收模塊為機器人的各個部分提供能量。第二代全覆膜式胃腸道診查微型機器人樣機在第一代樣機的基礎(chǔ)上研制而成。硅膠波紋管覆蓋在整個機器人樣機的外表，在保護機器人的同時減少了胃腸道黏彈性對機

3、器人運動的負面影響。 利用電磁耦合原理設(shè)計并研制了無線能量傳輸系統(tǒng)。這種無線能量傳輸方式需要兩個線圈。其中發(fā)射線圈為螺線管線圈，布置在人體表面，由E類放大器或開關(guān)電路驅(qū)動。接收線圈安放于機器人的頭艙。為提高無線能量傳輸電路的電磁耦合能效，發(fā)射和接收回路均采用諧振補償技術(shù)，即在發(fā)射和接收回路串聯(lián)或者并聯(lián)諧振電容。通過調(diào)節(jié)諧振電容使發(fā)射端諧振，產(chǎn)生一定頻率的正弦波激勵電流，形成一個交變磁場。此時，處于交變磁場中的接收端線圈感生電動勢

4、。經(jīng)過后續(xù)整流穩(wěn)壓電路，轉(zhuǎn)換成直流電壓為胃腸道診查微型機器人提供穩(wěn)定能量。在將無線能量傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于胃腸道微型仿生機器人診查系統(tǒng)的同時，人體也將暴露于無線能量傳輸系統(tǒng)的電磁場當中。為此，建立了一個有限長密繞螺線管電磁場模型，推導(dǎo)了電場強度和生物組織中SAR值以及電流密度值之間的關(guān)系。并進行了SAR值和電流密度值的仿真試驗。結(jié)果表明，供能480mW、工作頻率36 kHz的無線能量傳輸系統(tǒng)對人體的電磁影響非常小，屬安全范圍內(nèi)。 研制

5、成基于直流電動機的微型直線驅(qū)動器，具有體積小、體重輕、功重比高、控制簡單等優(yōu)點。考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了微型直線驅(qū)動器的有限元模型，根據(jù)有限元模態(tài)分析結(jié)果設(shè)計并優(yōu)化了微型直線驅(qū)動器，避免了系統(tǒng)共振的產(chǎn)生。并建立了該微型直線驅(qū)動器的數(shù)學模型，進行了動力學分析。仿真和試驗表明，該微型直線驅(qū)動器的階躍響應(yīng)時間短，受負載變化影響小，在額定電壓工作時驅(qū)動力達可到2.55N，溫升在36℃以下。該研究為胃腸道診查微型機器人在人體胃腸道運行的安全性和

6、可行性提供了保障。 研究了胃腸道生物組織的黏彈性力學行為，提出了一般三維情況的準線性黏彈性模型。引入了擬應(yīng)變能函數(shù)的指數(shù)形式，并利用最小平方的方法擬合試驗曲線得到了待定的材料常數(shù)C1和C2。為了得到最低階應(yīng)變，利用應(yīng)變能函數(shù)指數(shù)的二次方程形式推導(dǎo)出了黏彈性體的一般表達式。對于單軸拉伸試驗系統(tǒng)，推導(dǎo)了黏彈性體一般表達式中各個部分的具體形式，并引用了fung的連續(xù)譜歸一化松弛函數(shù)表達式，將準線性黏彈性模型簡化成一維模型。利用一維黏彈

7、性簡化模型，結(jié)合兩個模擬腸道應(yīng)變情況的應(yīng)變變形函數(shù)，求出了黏彈性組織變形時的應(yīng)力.時間關(guān)系和應(yīng)變.應(yīng)力關(guān)系，并分析了不同參數(shù)的松弛函數(shù)對模型的影響。在機器人的運動時效性分析中，得到了在一定的應(yīng)變率范圍內(nèi)，加載時應(yīng)力響應(yīng)對加載速度的不敏感性這一重要結(jié)論。從牽引效率的角度出發(fā)，分析了機器人臨界步距和機器人的質(zhì)量、摩擦系數(shù)、直徑、初始接觸長度之間的關(guān)系，得到了胃腸道診查微型機器人運動單元需要具有較輕的重量、光滑的表面和較大的直徑以及較小的接觸

8、長度的結(jié)論。根據(jù)這些結(jié)論研制成的全覆膜式胃腸道診查微型機器人的理論臨界步距由原先的6.45mm減小到了1.6mm。機器人外表覆蓋的波紋管能夠起到減黏降阻的作用，是依據(jù)仿生學的原理設(shè)計并加工制造。通過測試波紋管變形-力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波紋管產(chǎn)生的彈性力最大不會超過0.12N，很容易被微型直線驅(qū)動器所克服。當微型直線驅(qū)動器伸長時，波紋管因自身的彈性恢復(fù)功能，將會助推動微型直線驅(qū)動器的擋板做伸長運動。 研究比較了本文研制的兩種胃腸道診

9、查機器人樣機的牽引力、運動性能和離體腸道試驗結(jié)果。通過牽引力和運動性能試驗，分別測量了兩種機器人在不同環(huán)境中的牽引力和運動速度，驗證了機器人的運動模型和驅(qū)動原理。進行了離體腸道爬行試驗，進一步驗證了機器人模型，并對比了這兩種機器人離體試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)將硅膠波紋管應(yīng)用于胃腸道診查機器人之后，機器人的運動效率得到了明顯的提高。 本文對胃腸道微型仿生機器人診查系統(tǒng)的樣機集成、無線能量傳輸、驅(qū)動技術(shù)、模型建立和離體試驗等方面進行了深入的研