结肠诊查微型仿生机器人系统关键技术及实验研究

摘要

临床上,出于早期诊断、精确治疗之新理念,主动式无创、微创消化道诊查机器人的研究倍受国内外医疗器械工作者瞩目,而且随着微机械、微电子、微传感和微执行器技术的发展,开发能自主进入肠道进行工作的微型机器人诊查系统亦已成为可能.基于此,本研究在国家高技术研究发展计划的资助下,开展了用于结肠疾病诊查的微型机器人系统关键技术及实验研究. 进行了机器人与肠道的运动相容性分析,系统设计,运动模型建立,以及肠道摩擦特性的测试研究.考虑到人体结肠的空间几何形状、肠壁表面状况及其解剖微结构,机器人要有效安全运动,一方面需要克服肠道的柔软、易于变形、粘弹性、弯曲和缺少支撑等困难,另一方面要避免对薄而易于损伤的结肠粘膜组织的创伤.为此,基于仿生学原理,提出了适合肠道非结构环境的仿蚯蚓和仿尺蠖牵引方式.综合考虑牵引方式和肠道组织生理特性,建立了径向扩张模型和轴向牵引模型,发现在机器人设计时,要重点考虑结肠与机器人之间的摩擦学问题和临界步距国家高技术研究发展计划资助项目(2004AA404013)问题.利用电动机拖动金属滑块在结肠表面上运动时,电动机电流与摩擦力之间的关系,提出了一种摩擦系数的测试方法.测定了四种不同表面形状的铜摩擦试块与结肠的摩擦系数,结果表明摩擦系数按照三角形表面、矩形表面、圆形表面和平面依次递减.进行了具有相同表面的铝试块与结肠的摩擦系数测试,并与铜试块的测试结果进行了对比.对结肠的力学本构关系进行了分析,在此基础上,使用一维简化模型进行了临界步距的求解及其影响因素的分析. 研究了微小型仿蚯蚓机器人的驱动技术和样机集成,进行了实验研究.设计出两种电磁直线驱动器,即回转线圈型与平板线圈型.回转线圈型使用8个长方永磁体拼接成正八边形来近似全径向极化管状磁铁,在气隙中获得的磁场近似垂直于回转线圈导线中的电流方向,提高了线圈的利用率.平板线圈型使用永磁体的开放磁场和平面线圈,结构简洁,利于进一步微型化.以最大电磁推力为目标,利用有限元软件对两种驱动器的空气隙厚度进行了优化,结果表明回转线圈型最优气隙厚度为2.2mm,而平板线圈型的最优气隙厚度为2.6mm.利用这两种直线电磁驱动器开发出两种规格的微型仿蚯蚓蠕动机器人,分别为φ10x130mm,φ6×59mm.机器人包含四个运动单元,即三个驱动器单元和一个处于最前端的头舱.各个运动单元之间使用十字万向节连接,可适应弯曲的管道,机器人整体具有一定的灵活性.机器人关节处使用乳胶膜密封,可在半流体或者流体环境下安全运行.机器人采取了不同的驱动器连接方式.一种连接方式,是将后一个驱动器动圈通过十字万向节与前一个驱动器的定子连接,称为动圈一定子式.一种将驱动器所有的动圈通过十字万向节串接在一起,称为动圈串联式.建立了机器人的力控制模型,得到了机器人驱动条件的一组输出力约束方程.给出了机器人的爬坡模型,讨论了机器人爬坡能力与摩擦系数、机器人运动单元节数的关系.进行了机器人牵引力、运动速度以及爬坡能力的测试,结果与爬坡模型仿真结果一致. 进行了仿尺蠖蠕动机器人驱动机构设计、样机装配、运动建模和实验等研究.径向变形和轴向牵引机构使用丝杠螺母机构进行运动转换.径向变形使用了曲柄滑块机构来获得径向尺寸变形.使用了步进电动机和有刷直流电动机.前者结构简单,尺寸小,但是能够获得的驱动力有限,后者需要装配减速器和位置检测装置,因而结构复杂,尺寸较长,但是能够得到较大的输出力.对径向支撑机构的进行了受力分析,以发生同样变形需要电动机输出力最小为目标,进行了计算得到了一系列结构尺寸和电动机输出力之间的关系曲线,确定了最优参数.对尺蠖型机器人的运动进行了控制,得到了控制信号序列.对机器人的爬坡和牵引能力进行了模型分析,得到了机器人爬坡与压力、摩擦系数间的关系和牵引力的表达式.最后进行了模拟实验,结果表明仿尺蠖蠕动微型机器人具有较强的爬坡能力. 研制了结肠模拟器,其几何尺寸和空间形态模拟了在人体腹腔中真实的结肠.在模拟器中进行了机器人的爬行实验,结果表明在弯曲部分机器人具有良好的通过性.在猪结肠中,进行了离体肠道实验,主要研究了机器人的爬行能力.实验结果表明,机器人能够顺利的通过部分肠道,可以自主改变前进方向,能够自适应弯曲的肠道. 本文对微型仿生机器人运动控制密切相关的肠道摩擦特性进行了测试,并对机器人驱动技术、样机集成、模型建立、运动控制和离体实验等方面进行了深入的研究.这些工作为机器人诊查系统的实用化奠定了基础,系统的能量供应、无线通讯、机构优化等是下一步的研究方向.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1结肠诊查机器人系统的研究背景与意义

1.2结肠诊查系统的国内外研究现状

1.2.1有创主动式方案

1.2.2微创、无创被动式方案

1.2.3微创、无创主动式方案

1.3关键技术及其挑战

1.4论文的主要内容和创新点

第二章结肠生理特征分析及其摩擦特性测试

2.1人体结肠形态分析

2.1.1人体结肠空间形态特征

2.1.2人体结肠运动形态特征

2.2人体结肠的解剖结构特征

2.2.1结肠的宏观解剖结构

2.2.2结肠的解剖微观结构

2.3运动环境对微型机器人提出的一些要求

2.4肠道的摩擦特性测试

2.4.1结肠的生物摩擦特性分析

2.4.2测试原理

2.4.3测试装置搭建及试块准备

2.4.4实验及其结果分析

2.5本章小结

第三章系统总体设计及运动相容性分析

3.1结肠诊查机器人系统简介

3.1.1系统设计

3.1.2牵引原理

3.2机器人与肠道的运动相容性分析

3.2.1径向扩张

3.2.2轴向牵引

3.3机器人在肠道中的临界步距求解

3.3.1结肠的生物材料力学特性分析

3.3.2准线性粘弹性模型

3.3.3利用准线性粘弹性模型对临界步距的一维简化求解

3.4本章小结

第四章仿蚯蚓微小蠕动机器人

4.1仿蚯蚓微小型蠕动机器人驱动技术

4.1.1圆柱型回转线圈永磁直线驱动器

4.1.2圆柱型平板线圈永磁直线驱动器

4.1.3两种驱动器的比较

4.2多关节仿蚯蚓蠕动机器人样机

4.2.1动圈一定子式6mm机器人样机

4.2.2动圈串连式10mm机器人样机

4.3多关节仿蚯蚓蠕动机器人牵引模型

4.3.1力控制模型

3.3.2爬坡模型

4.4多关节仿蚯蚓蠕动机器人牵引实验

4.5本章小结

第五章尺蠖型微小蠕动机器人

5.1尺蠖型微小机器人的运动机构设计与优化

5.1.1轴向牵引机构

5.1.2径向支撑机构

5.2微型尺蠖机器人样机

5.2.1运动控制

5.2.2最大转向曲率半径

5.2.3爬坡及牵引能力

5.2.4速度与牵引力实验

5.3本章小结

第六章模拟及离体实验研究

6.1模拟实验

6.1.1模拟器研制

6.1.2模拟环境下的实验

6.2结肠诊查机器人的离体实验

6.3本章小结

第七章总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间已申请的专利