微型胃腸道疾病診療機器人系統(tǒng)及其實驗研究.pdf

1、消化道疾病已經開始成為威脅國民身體健康的重要問題。目前，微型胃腸道疾病診療機器人系統(tǒng)的研究處于國際生物醫(yī)療器械的研究前沿。在國家和省部級科研計劃的資助下，利用微機械加工、微執(zhí)行器、微傳感與微電子等技術，開展了面向臨床應用的微型胃腸道疾病診療機器人系統(tǒng)的研究。
　　 由于微型胃腸道疾病診療機器人運行在人體的胃腸道中，因此本文首先從胃腸道環(huán)境著手，依據(jù)其特殊的生理環(huán)境與生物力學特性，提出駐留-伸縮的主動運動方式。該機器人的動作主要由

2、軸向伸縮與徑向駐留兩種方式組成。為獲得機器人設計參數(shù)，對機器人的運動進行了以下幾個方面的力學分析:機器人艙體運動時其外表面與腸道內壁在機器人軸線方向上的粘滯阻尼與摩擦損耗;靜止時駐留艙體在徑向上因支撐而帶來的軸向駐留力;機器人整機在腸道中的運動條件;與腸道組織自身的彈性特性密切相關的運動效率。在上述力學分析的基礎上，結合描述腸道應力-應變關系的超彈性本構方程，建立了描述機器人參數(shù)與臨界步距之間關系的數(shù)學模型。通過離體腸道的物理模型實驗測

3、得模型在腸道中的運動速度與阻力等主要曲線，并將測試數(shù)據(jù)返回到臨界步距數(shù)學模型中，推出了機器人參數(shù)的設計范圍與基本設計準則。
　　 在已優(yōu)化的機器人參數(shù)范圍內，選擇了微型直流電機作為機器人驅動器，并分別設計與實現(xiàn)了機器人的機械機構與控制系統(tǒng)。針對機器人機械系統(tǒng)，分別采用了三種方式實現(xiàn)了駐留機構，兩種方式實現(xiàn)了伸縮機構，并分析了各機構的主要力學特性;機器人的控制系統(tǒng)分為嵌入式本體運動控制系統(tǒng)與體外控制臺兩部分，并通過具體的微電子電路

4、實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的硬件，并編寫了控制算法與人機界面;完成的第三代機器人樣機直徑為13mm，長度為90mm，質量為22g，并以該參數(shù)為例，分析了機器人整機的運動特性，得到其運動時的負載曲線。
　　 為提高機器人在胃腸道中的運動效率，降低機器人對胃腸道損傷的可能性，提出并研究了基于視覺導航的機器人主動轉向系統(tǒng)。針對實際內窺鏡圖像，提出了暗區(qū)導航方法。該導航方法的核心算法可分為亮度提取、圖像分割以及暗區(qū)中心計算三個部分。該核心算法得到

5、的轉向矢量位于圖像空間中，通過將該矢量映射到被控參數(shù)空間中，實現(xiàn)視覺導航系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為驗證算法的有效性并研究算法細節(jié)，采用了實際的小腸內窺鏡圖像進行實驗，最終通過小腸內窺鏡圖片庫測試了整個導航算法的精度及計算速度。
　　 針對微型胃腸道疾病診療機器人樣機進行了力學性能測試與離體腸道實驗。測試了各樣機的兩組力學曲線，分別是足伸出長度與支撐力關系曲線，與其軸向伸縮速度與輸出力關系曲線，以驗證整機的設計;在樣機滿足性能要求的基礎上

6、，進行了整機的水平與垂直模擬管道爬行測試，進一步測試了整機負載能力與運動速度之間的關系;最后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。在模擬腸系膜支持良好的直徑為18mm的離體腸道模型中，機器人能夠有效地運動。通過離體實驗說明，機器人在小腸直徑適應性上與設計一致，驗證了駐留-伸縮的運動方式。綜上所述，為了使機器人安全有效地運動在胃腸道環(huán)境中，本文從機器人運動方式入手建立了基于超彈性本構方程的臨界步距數(shù)學模型，并在該模型的指