結(jié)腸鏡機器人力感知與柔順控制研究.pdf

1、由于現(xiàn)今社會污染的加重以及人們飲食結(jié)構(gòu)的改變，目前，全球結(jié)直腸癌發(fā)病率已位于男性癌癥的第三位，女性癌癥的第二位，其中我國的腸癌發(fā)病率增速達(dá)年均4％，是世界水平的兩倍。而目前常規(guī)結(jié)腸內(nèi)窺鏡在檢查過程中主動彎曲能力不足從而易引起病人嚴(yán)重不適和痛苦，甚至導(dǎo)致腸道穿孔，所以越來越多的學(xué)者嘗試將機器人技術(shù)引入結(jié)直腸鏡檢查過程中。由于人體腸道具有相對浮動性，形狀及位置不完全固定，為了提高結(jié)腸鏡機器人進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查時的安全性以及可靠性，本文研究了結(jié)腸

2、鏡機器人力感知系統(tǒng)以及基于力感知的結(jié)腸鏡機器人柔順控制系統(tǒng)和柔順控制算法。通過力感知系統(tǒng)實時監(jiān)測機器人與腸道壁的接觸壓力，機器人采用柔順控制算法使得機器人與腸道壁的接觸壓力始終保持在安全閾值之內(nèi)，提高結(jié)腸鏡機器人腸道檢查過程中的安全性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴力感知系統(tǒng)設(shè)計及其參數(shù)標(biāo)定。通過對結(jié)腸鏡機器人蛇形本體部分表面受力變形的建模與仿真分析設(shè)計符合系統(tǒng)要求的壓力傳感器結(jié)構(gòu)以及壓力傳感器的信號采集系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上針對傳感器

3、結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行力感知系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定。⑵基于力感知的柔順控制算法研究。首先分析機器人各關(guān)節(jié)段運動姿態(tài)特點與相互關(guān)系，得到基于人工導(dǎo)向的主動彎曲控制方法；隨后針對結(jié)腸鏡機器人密閉的人體腸腔工作環(huán)境，對腸腔組織進(jìn)行力學(xué)分析，并在機器人連續(xù)體各關(guān)節(jié)段之間串聯(lián)耦合的結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，建立關(guān)節(jié)段與腸道的接觸模型，研究基于接觸力的機器人姿態(tài)修正算法；最后，融合力感知控制系統(tǒng)，基于以上人工導(dǎo)向控制算法和機器人姿態(tài)修正算法得到機器人最終的柔順控制方法。⑶控制

4、系統(tǒng)搭建和實驗研究。控制系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)構(gòu)成：彎曲控制系統(tǒng)、前進(jìn)控制系統(tǒng)以及力感知系統(tǒng)，分別對該三個系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計與調(diào)試。在此基礎(chǔ)上開展機器人彎曲實驗以及模擬結(jié)腸實驗，驗證基于力感知的柔順控制方法的正確性和可行性。⑷實驗結(jié)果證明：所設(shè)計的力感知系統(tǒng)能夠在結(jié)腸鏡機器人彎曲運動時對在結(jié)腸鏡機器人本體部分施加的壓力進(jìn)行實時感知，可以滿足結(jié)腸鏡機器人柔順控制的需要。另外模擬結(jié)腸實驗也證明基于力感知的結(jié)腸鏡機器人柔順控制算法可以有效地實