微型小腸機器人運動系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn).pdf

1、多發(fā)性的消化道疾病對人體健康造成了很大隱患,消化道疾病的診斷目前通常采用機械式插入的內(nèi)窺鏡進行檢查。由于人體小腸特性的限制,傳統(tǒng)檢查無法實現(xiàn)小腸段的全腸道檢測。隨著科學技術(shù)的進步,無線膠囊內(nèi)鏡的誕生,將消化道內(nèi)窺鏡的診療技術(shù)帶入一個新的發(fā)展階段,實現(xiàn)了對胃腸道的無創(chuàng)檢查,也為小腸的疾病診療提供了新的解決方案。但由于膠囊內(nèi)鏡的非主動性運動和診療手段的欠缺,在進一步的研究中提出了主動運動的內(nèi)窺鏡機器人系統(tǒng)的概念。一種能夠安全、有效地對胃腸道

2、進行無創(chuàng)診療的主動型內(nèi)窺鏡機器人系統(tǒng),已成為具有重要應(yīng)用前景的一個研究熱點。
　　本課題在國家自然科學基金資助項目(No.31170968)、載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項目(No.010203)與上海市科委項目(No.09DZ1907400)的資助下,從人體小腸的特殊環(huán)境出發(fā)考慮,研究并設(shè)計了一種可以在離體豬小腸腸道內(nèi)實現(xiàn)有效爬行的微型小腸機器人運動系統(tǒng)。
　　本文首先對微型小腸機器人的研究背景和意義進行了介紹,并對國內(nèi)外就這一課

3、題研究已經(jīng)取得的成果進行了分析。根據(jù)驅(qū)動方式的不同,將近年來的國內(nèi)外研究機構(gòu)的新型胃腸道內(nèi)窺鏡機器人系統(tǒng)分為了三類:體內(nèi)驅(qū)動,體外驅(qū)動和綜合驅(qū)動,分析了典型機構(gòu)的優(yōu)點和不足,作為設(shè)計的理論參考。
　　人體腸道是非常特殊的運動環(huán)境,從小腸的解剖學、組織學、運動特性和生物力學特性等四個方面出發(fā),對小腸腸道的生物特性進行分析。根據(jù)小腸特殊的生理特性,提出了對腸道內(nèi)小腸機器人運動的要求,確定了尺蠖伸縮式的仿生運動方式。尺蠖伸縮式運動憑借無

4、肢運動,脫離了對輪式運動的限制,運動穩(wěn)定性更好。前后兩端對稱的結(jié)構(gòu),更容易實現(xiàn)前進和后退。結(jié)合模塊化的設(shè)計將機構(gòu)微型化,更利于適應(yīng)腸道內(nèi)的狹小作業(yè)環(huán)境。結(jié)合描述腸道應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的超彈性本構(gòu)方程,推導(dǎo)出機器人參數(shù)與臨界步距之間關(guān)系的數(shù)學模型。根據(jù)實際應(yīng)用要求討論了機器人的主要設(shè)計要求,提出機器人的總體設(shè)計思路。確定其驅(qū)動原理后,選擇了微型直流電機作為驅(qū)動器,提出機械機構(gòu)的設(shè)計以及控制電路部分的設(shè)計。
　　機械機構(gòu)的運動單元分為徑向

5、駐留單元和軸向伸縮單元兩類,整個機器人由3個運動單元構(gòu)成,依次為徑向駐留單元-軸向伸縮單元-徑向駐留單元。經(jīng)過氣囊式、液充式和機械式駐留機構(gòu)的比較,為了更有效的實現(xiàn)運動,選擇了機械式駐留方式。機械式駐留機構(gòu)的基礎(chǔ)運動件為雙螺桿、雙螺母和三對足,一起構(gòu)成了非典型的曲柄滑塊機械結(jié)構(gòu)。軸向伸縮單元的基礎(chǔ)運動件為螺桿與螺母構(gòu)成的傳動副。在第一代機器人軸向單向伸縮的基礎(chǔ)上,第二代機器人樣機改為軸向雙向伸縮單元。第一代機器人的機體外徑為14mm,第

6、二代機器人的機體外徑為12.8mm。
　　控制系統(tǒng)部分主要分為硬件電路系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件電路包括機器人體內(nèi)控制電路系統(tǒng)、體內(nèi)體外通訊電路和體外控制電路系統(tǒng)。第二代機器人在第一代的基礎(chǔ)上增加了電磁感應(yīng)限位電路,并將微控制器PIC16F690更換為PIC24FJ64GA002,以滿足新增功能電路的通訊口要求。軟件系統(tǒng)包括體內(nèi)控制程序、體外控制程序、上位機的控制界面程序和無線遙控器程序。對電機控制模塊、無線通信模塊、非易失性存儲模塊、

7、A/D轉(zhuǎn)換模塊分別進行闡述。
　　針對第一代微型小腸機器人樣機進行了模擬腸道與離體腸道實驗。通過水平與垂直模擬管道爬行測試,進一步了解機器人在特殊環(huán)境中的作業(yè)能力。采用離體豬小腸為實驗對象搭建實驗臺測試了機器人運動能力。離體實驗說明機器人在小腸直徑適應(yīng)性上與設(shè)計一致,且機器人能夠有效地運動在模擬腸系膜支持良好的離體腸道模型中。最后總結(jié)了整個設(shè)計方案及研究成果,分析了存在的一些不完善的問題,對進一步的研究進行了展望。
　　綜上