呼吸參數(shù)直接監(jiān)測仿生微型機器人系統(tǒng)關鍵技術與實驗研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展,應用仿生學原理和MEMS技術研究自主進入人體腔道進行"微創(chuàng)/無創(chuàng)"診查的微機器人系統(tǒng)倍受關注.本論文以國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)"人體腔道診療微系統(tǒng)實用化研究"項目(2004AA404013)為依托,研究適于在人體呼吸系統(tǒng)內主動移動,能對肺內微環(huán)境進行直接連續(xù)監(jiān)測的微型機器人系統(tǒng).根據(jù)人體呼吸系統(tǒng)物理結構和維持正常呼吸功能的要求,研究了仿生微型機器人系統(tǒng)的本體結構組成、運動機理、機器人的運動特性、機器人控制以及

2、機器人與呼吸道內環(huán)境之間的相容性等關鍵技術問題,并進行相應的試驗研究.力圖探索一種新的用于人體呼吸系統(tǒng)內自主移動實現(xiàn)呼吸生理參數(shù)連續(xù)監(jiān)測及微創(chuàng)輔助診療系統(tǒng),為人體腔道檢查機器人的研究設計提供新的思路和理論基礎.論文主要進行以下幾個方面的研究: 1、論文在分析研究了國內外關于呼吸生理參數(shù)監(jiān)測技術、支氣管鏡診療技術及醫(yī)用微創(chuàng)/無創(chuàng)診查微型機器人技術的基礎上,根據(jù)呼吸系統(tǒng)的物理結構和功能特性,應用仿生學原理,給出了適用于人體呼吸系統(tǒng)內

3、主動移動進行呼吸生理參數(shù)連續(xù)監(jiān)測的微型機器人系統(tǒng). (1)移動機理與人體直接接觸的機器人系統(tǒng)要求具有安全、柔性的特性.通過分析尺蠖生物體的運動特性,抽象出仿生尺蠖生物體的移動機理,基于仿生尺蠖的移動機理,設計了具有柔性移動機構的機器人本體結構,機器人本體結構由前、后兩個支撐鉗位單元和中間一個伸縮驅動單元構成. (2) 驅動器分析比較了電磁式、電磁與壓電結合式、微型電機式及氣動式等驅動器的驅動原理、控制方式及其性能試驗,選

4、擇以空氣動力作為機器人系統(tǒng)的驅動動力源,設計了全氣動驅動的機器人系統(tǒng).研制了具有柔性性能的空氣壓人工筋驅動器,該人工筋驅動器為增強纖維型人工筋驅動器,具有三個等扇形截面內腔,可實現(xiàn)直線運動和任意方向的彎曲轉向運動.機器人的鉗位單元為塑料圓筒外覆具有一定彈性的氣囊,每個支撐單元通過鉗位氣囊充氣加壓膨脹壓緊管壁來實現(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)行機構等可集成于前支撐單元內,進行呼吸參數(shù)監(jiān)測、直接診查等.

5、 (4) 控制系統(tǒng)設計體外電-氣控制系統(tǒng),通過體外電-氣控制系統(tǒng)控制機器人移動及實現(xiàn)信息的采集與處理.電-氣系統(tǒng)主要由計算機、數(shù)據(jù)采集卡、驅動電路、繼電器/電磁閥、壓力傳感器、高壓氣源,壓力調節(jié)閥等組成.通過人-機界面控制機器人移動和實現(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器人樣機,設計了具有人機界面的體外電一氣實驗控制系統(tǒng),并對樣機運動性能進行了管內實驗研究.研究結果表明所設計的機器人能進行穩(wěn)定平滑

6、移動,機器人具有較大的運動速度和較大驅動力. 2、為進一步研究機器人系統(tǒng)的運動性能,詳細分析了移動機器人系統(tǒng)的驅動力學特性. (1)人工筋驅動器的驅動力學特性建立了人工筋驅動器的驅動力學模型,并進行了實驗研究.論文基于能量守恒與轉換定律及最小形變原理建立了空氣壓人工筋驅動器的軸向驅動力學模型及彎曲轉向特性模型,仿真計算了人工筋驅動器的驅動力學特性及彎曲轉響特性,通過實驗研究對理論模型進行了實驗驗證. (2)鉗位氣

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

8、流動的呼吸系統(tǒng)內移動,因此其移動過程中將受到氣流阻尼力的影響,另外,機器人系統(tǒng)是拖線式的,拖線的阻尼力必然影響后支撐單元的移動.因此,文中分析了拖線及氣流的阻尼力對移動機器人系統(tǒng)運動性能的影響,為機器人系統(tǒng)結構參數(shù)的優(yōu)化設計、及進行體內移動實現(xiàn)直接呼吸監(jiān)測奠定了基礎. 通過上述力學分析建立了移動機器人的運動學模型,分析了機器人系統(tǒng)驅動負載的能力.3、機器人系統(tǒng)移動控制特性研究. (1)機器人移動控制基于有限狀態(tài)機理論分析

9、并定義了單步距一個循環(huán)周期內機器人的運動狀態(tài),并基于有限狀態(tài)機理論編制了機器人運動狀態(tài)轉換的控制算法程序,實現(xiàn)高效率控制. (2)機器人系統(tǒng)控制特性研究分析了氣動機器人系統(tǒng)的非線性特性,研究了建立了機器人系統(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PID控制理論研究了機器人系統(tǒng)的控制特性,仿真實驗結果表明基于模糊自適應PID控制的機器人系統(tǒng)具有較好的響應特性.為實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的更高精度控制,提出一種模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡結構

10、,并應用于機器人系統(tǒng)的控制.仿真控制實驗結果表明基于該模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡控制的機器人系統(tǒng)具有更好的動、靜態(tài)特性,并具有抗干擾能力. 4、在機械通氣情況下,氣道阻力是重要的監(jiān)測參數(shù)之一,氣道阻力過大將影響正常的通氣功能.內置機器人系統(tǒng)必然存在一定的流動阻力,論文應用流體力學理論分析了在不同呼吸氣流的流態(tài)下的微機器人系統(tǒng)在氣道內的阻力特性.仿真計算結果表明相對于整個氣道阻力而言,所設計的機器人系統(tǒng)具有很小的流動阻力. 5、豬呼

11、吸系統(tǒng)與人體呼吸系統(tǒng)最為接近,因此,在機械通氣情況下,對機器人系統(tǒng)在正?；顚嶒炟i氣管內進行了實驗.機器人系統(tǒng)可在實驗豬氣管內進行平滑移動,通過微機器人系統(tǒng)攜帶的傳感器對豬氣管末端的呼吸壓力和溫度進行了連續(xù)監(jiān)測.呼吸參數(shù)測量結果表明內置機器人系統(tǒng)的呼吸阻力處于正常狀態(tài),體內直接監(jiān)測的結果與體外呼吸機顯示的結果相符合理論和實驗研究結果表明所設計的仿生微機器人系統(tǒng)能適應人體呼吸系統(tǒng)內環(huán)境,能在呼吸系統(tǒng)內進行柔性平滑穩(wěn)定的移動,實現(xiàn)呼吸生理參數(shù)