半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會工業(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，其余部分通過利用與腸道壁接觸所產(chǎn)生的擠壓力而被動彎曲，故容易在腸道彎曲部位發(fā)生鏡體“堆積”和“結(jié)襻”現(xiàn)象而無法通過、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。
　　針對傳統(tǒng)結(jié)腸內(nèi)窺鏡的缺點，本文研制了一種新型的結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人。該內(nèi)窺鏡機器人采用多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型仿生結(jié)構(gòu)，具有10自由度主動彎曲能力。在由操作者控制其前進(jìn)運動的同時，內(nèi)窺鏡機器人根據(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而柔順地改變自身的形狀以適應(yīng)結(jié)腸的彎曲狀況，實現(xiàn)在腸腔非結(jié)構(gòu)環(huán)境內(nèi)的半自主運動。本文主要在半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析、在結(jié)腸腸腔環(huán)境下的通過性和柔順控制方

3、面開展研究。
　　在對人體結(jié)腸的解剖學(xué)特征和連續(xù)體型機器人的仿生原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型結(jié)構(gòu)的結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人。機器人分為5段，每段各具有2個自由度，通過繩索驅(qū)動方式實現(xiàn)對各關(guān)節(jié)段的運動控制。針對傳統(tǒng) D-H方法不適用于連續(xù)體型機器人運動學(xué)分析的問題，提出了一種高效并具有良好實時性的連續(xù)體型機器人運動學(xué)分析方法，利用該分析方法對內(nèi)窺鏡機器人單關(guān)節(jié)段和多關(guān)節(jié)段的驅(qū)動空間、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)行了運動學(xué)仿真分析。在機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)層面為內(nèi)窺鏡機器人的通過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，該模型具有簡練而不失一般性的特點。為了使內(nèi)窺鏡機器人在工作空間受限的腸腔環(huán)境內(nèi)具有良好的通過性，針對結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人的多關(guān)節(jié)段連續(xù)體型結(jié)構(gòu)，提出了一種基于端點重合思想的多關(guān)節(jié)段結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人腸腔環(huán)境下的半自主通過控制策略。研究了結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人在乙狀結(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)境下半自主通過控制策略的實現(xiàn)方法，并進(jìn)行了通過性仿真分析，驗證了通過控制策略和實現(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)窺鏡機器人對結(jié)腸腸腔環(huán)境的柔順控制研究提供了依據(jù)。設(shè)計了用于測量機器人關(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。針對半自主式結(jié)腸內(nèi)窺鏡機器人在腸腔內(nèi)部非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的適應(yīng)性問題，提出

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