半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境污染、飲食結(jié)構(gòu)改變、精神壓力等因素對(duì)人類的健康產(chǎn)生了消極影響，許多人遭受腸道炎、腸道腫瘤以及腸道癌等腸道疾病的困擾。作為定性診斷和治療結(jié)腸疾病的醫(yī)療器械，結(jié)腸內(nèi)窺鏡在人體結(jié)腸腫瘤性病變的診斷方面具有重要價(jià)值。然而，傳統(tǒng)結(jié)腸內(nèi)窺鏡只有其前端的導(dǎo)向段具有可控轉(zhuǎn)向功能，其余部分通過(guò)利用與腸道壁接觸所產(chǎn)生的擠壓力而被動(dòng)彎曲，故容易在腸道彎曲部位發(fā)生鏡體“堆積”和“結(jié)襻”現(xiàn)象而無(wú)法通過(guò)、損傷腸道組織甚至出現(xiàn)“穿孔”事故，

2、造成病人不適和痛苦。
　　針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)腸內(nèi)窺鏡的缺點(diǎn)，本文研制了一種新型的結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人。該內(nèi)窺鏡機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型仿生結(jié)構(gòu)，具有10自由度主動(dòng)彎曲能力。在由操作者控制其前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，內(nèi)窺鏡機(jī)器人根據(jù)所建立的成人結(jié)腸彎曲模型和傳感器力反饋信息主動(dòng)而柔順地改變自身的形狀以適應(yīng)結(jié)腸的彎曲狀況，實(shí)現(xiàn)在腸腔非結(jié)構(gòu)環(huán)境內(nèi)的半自主運(yùn)動(dòng)。本文主要在半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、在結(jié)腸腸腔環(huán)境下的通過(guò)性和柔順控制方

3、面開展研究。
　　在對(duì)人體結(jié)腸的解剖學(xué)特征和連續(xù)體型機(jī)器人的仿生原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型結(jié)構(gòu)的結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人。機(jī)器人分為5段，每段各具有2個(gè)自由度，通過(guò)繩索驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)控制。針對(duì)傳統(tǒng) D-H方法不適用于連續(xù)體型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的問(wèn)題，提出了一種高效并具有良好實(shí)時(shí)性的連續(xù)體型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，利用該分析方法對(duì)內(nèi)窺鏡機(jī)器人單關(guān)節(jié)段和多關(guān)節(jié)段的驅(qū)動(dòng)空間、關(guān)節(jié)空間以及操作空間三者的位置映射關(guān)系

4、進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。在機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)層面為內(nèi)窺鏡機(jī)器人的通過(guò)性和柔順控制研究奠定了基礎(chǔ)。
　　根據(jù)成人結(jié)腸解剖學(xué)彎曲特征，構(gòu)建了人體結(jié)腸的三維彎曲模型，該模型具有簡(jiǎn)練而不失一般性的特點(diǎn)。為了使內(nèi)窺鏡機(jī)器人在工作空間受限的腸腔環(huán)境內(nèi)具有良好的通過(guò)性，針對(duì)結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人的多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型結(jié)構(gòu)，提出了一種基于端點(diǎn)重合思想的多關(guān)節(jié)段結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人腸腔環(huán)境下的半自主通過(guò)控制策略。研究了結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人在乙狀結(jié)腸段和降結(jié)

5、腸段二維結(jié)腸環(huán)境下以及橫結(jié)腸段三維結(jié)腸環(huán)境下半自主通過(guò)控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行了通過(guò)性仿真分析，驗(yàn)證了通過(guò)控制策略和實(shí)現(xiàn)方法的可行性。
　　研究了人體結(jié)腸組織的生物力學(xué)特性，確立了結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人與結(jié)腸壁接觸壓力的安全閾值，為半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人對(duì)結(jié)腸腸腔環(huán)境的柔順控制研究提供了依據(jù)。設(shè)計(jì)了用于測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)段與腸道壁接觸壓力的壓力傳感器，并分析其力學(xué)特性。針對(duì)半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人在腸腔內(nèi)部非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的適應(yīng)性問(wèn)題，提出

6、了一種基于腸腔環(huán)境生物力學(xué)特性的內(nèi)窺鏡機(jī)器人柔順控制策略。該控制策略不需要對(duì)機(jī)器人復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解，因而具有較高的實(shí)時(shí)性和可行性。
　　最后搭建了半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，介紹了原理樣機(jī)所采用的兩級(jí)分布式控制系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成，對(duì)內(nèi)窺鏡機(jī)器人單關(guān)節(jié)段和多關(guān)節(jié)段的彎曲能力分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的正確性。開展了剛性模擬腸道環(huán)境下機(jī)器人的通過(guò)性實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了半自主通過(guò)控制