胃腸道微型仿生機(jī)器人診查系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)相容性研究.pdf

1、目前，國內(nèi)外對(duì)胃腸道疾病的診斷和治療主要采用胃腸道內(nèi)窺鏡。因此，研究機(jī)器人系統(tǒng)來診查胃腸道疾病是國際生物醫(yī)療器械研究的前沿和重點(diǎn)之一。本研究在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的資助下，利用微加工技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微電子技術(shù)、無線通信和能量傳輸技術(shù)以及臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)，開展了胃腸道微型仿生機(jī)器人診查系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)相容性研究。 在對(duì)人體胃腸道的生理特征進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，研制成胃腸道微型仿生機(jī)器人診查系統(tǒng)。組裝完成的第一代胃腸道診查微型機(jī)器人樣機(jī)實(shí)

2、現(xiàn)了無纜化要求，其外徑12.1mm，長165.5mm。由1個(gè)頭艙、3個(gè)驅(qū)動(dòng)單元、1個(gè)尾艙共五個(gè)運(yùn)動(dòng)單元組成，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止等功能。位于頭艙中的視頻攝像模塊采集到的胃腸道內(nèi)部圖像經(jīng)無線通信模塊發(fā)送至體外，視頻傳輸約3幀/秒，功耗約120mW。無線能量接收模塊為機(jī)器人的各個(gè)部分提供能量。第二代全覆膜式胃腸道診查微型機(jī)器人樣機(jī)在第一代樣機(jī)的基礎(chǔ)上研制而成。硅膠波紋管覆蓋在整個(gè)機(jī)器人樣機(jī)的外表，在保護(hù)機(jī)器人的同時(shí)減少了胃腸道黏彈性對(duì)機(jī)

3、器人運(yùn)動(dòng)的負(fù)面影響。 利用電磁耦合原理設(shè)計(jì)并研制了無線能量傳輸系統(tǒng)。這種無線能量傳輸方式需要兩個(gè)線圈。其中發(fā)射線圈為螺線管線圈，布置在人體表面，由E類放大器或開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)。接收線圈安放于機(jī)器人的頭艙。為提高無線能量傳輸電路的電磁耦合能效，發(fā)射和接收回路均采用諧振補(bǔ)償技術(shù)，即在發(fā)射和接收回路串聯(lián)或者并聯(lián)諧振電容。通過調(diào)節(jié)諧振電容使發(fā)射端諧振，產(chǎn)生一定頻率的正弦波激勵(lì)電流，形成一個(gè)交變磁場(chǎng)。此時(shí)，處于交變磁場(chǎng)中的接收端線圈感生電動(dòng)勢(shì)

4、。經(jīng)過后續(xù)整流穩(wěn)壓電路，轉(zhuǎn)換成直流電壓為胃腸道診查微型機(jī)器人提供穩(wěn)定能量。在將無線能量傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于胃腸道微型仿生機(jī)器人診查系統(tǒng)的同時(shí)，人體也將暴露于無線能量傳輸系統(tǒng)的電磁場(chǎng)當(dāng)中。為此，建立了一個(gè)有限長密繞螺線管電磁場(chǎng)模型，推導(dǎo)了電場(chǎng)強(qiáng)度和生物組織中SAR值以及電流密度值之間的關(guān)系。并進(jìn)行了SAR值和電流密度值的仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，供能480mW、工作頻率36 kHz的無線能量傳輸系統(tǒng)對(duì)人體的電磁影響非常小，屬安全范圍內(nèi)。 研制

5、成基于直流電動(dòng)機(jī)的微型直線驅(qū)動(dòng)器，具有體積小、體重輕、功重比高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了微型直線驅(qū)動(dòng)器的有限元模型，根據(jù)有限元模態(tài)分析結(jié)果設(shè)計(jì)并優(yōu)化了微型直線驅(qū)動(dòng)器，避免了系統(tǒng)共振的產(chǎn)生。并建立了該微型直線驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。仿真和試驗(yàn)表明，該微型直線驅(qū)動(dòng)器的階躍響應(yīng)時(shí)間短，受負(fù)載變化影響小，在額定電壓工作時(shí)驅(qū)動(dòng)力達(dá)可到2.55N，溫升在36℃以下。該研究為胃腸道診查微型機(jī)器人在人體胃腸道運(yùn)行的安全性和

6、可行性提供了保障。 研究了胃腸道生物組織的黏彈性力學(xué)行為，提出了一般三維情況的準(zhǔn)線性黏彈性模型。引入了擬應(yīng)變能函數(shù)的指數(shù)形式，并利用最小平方的方法擬合試驗(yàn)曲線得到了待定的材料常數(shù)C1和C2。為了得到最低階應(yīng)變，利用應(yīng)變能函數(shù)指數(shù)的二次方程形式推導(dǎo)出了黏彈性體的一般表達(dá)式。對(duì)于單軸拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，推導(dǎo)了黏彈性體一般表達(dá)式中各個(gè)部分的具體形式，并引用了fung的連續(xù)譜歸一化松弛函數(shù)表達(dá)式，將準(zhǔn)線性黏彈性模型簡化成一維模型。利用一維黏彈

7、性簡化模型，結(jié)合兩個(gè)模擬腸道應(yīng)變情況的應(yīng)變變形函數(shù)，求出了黏彈性組織變形時(shí)的應(yīng)力.時(shí)間關(guān)系和應(yīng)變.應(yīng)力關(guān)系，并分析了不同參數(shù)的松弛函數(shù)對(duì)模型的影響。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)效性分析中，得到了在一定的應(yīng)變率范圍內(nèi)，加載時(shí)應(yīng)力響應(yīng)對(duì)加載速度的不敏感性這一重要結(jié)論。從牽引效率的角度出發(fā)，分析了機(jī)器人臨界步距和機(jī)器人的質(zhì)量、摩擦系數(shù)、直徑、初始接觸長度之間的關(guān)系，得到了胃腸道診查微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元需要具有較輕的重量、光滑的表面和較大的直徑以及較小的接觸

8、長度的結(jié)論。根據(jù)這些結(jié)論研制成的全覆膜式胃腸道診查微型機(jī)器人的理論臨界步距由原先的6.45mm減小到了1.6mm。機(jī)器人外表覆蓋的波紋管能夠起到減黏降阻的作用，是依據(jù)仿生學(xué)的原理設(shè)計(jì)并加工制造。通過測(cè)試波紋管變形-力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波紋管產(chǎn)生的彈性力最大不會(huì)超過0.12N，很容易被微型直線驅(qū)動(dòng)器所克服。當(dāng)微型直線驅(qū)動(dòng)器伸長時(shí)，波紋管因自身的彈性恢復(fù)功能，將會(huì)助推動(dòng)微型直線驅(qū)動(dòng)器的擋板做伸長運(yùn)動(dòng)。 研究比較了本文研制的兩種胃腸道診

9、查機(jī)器人樣機(jī)的牽引力、運(yùn)動(dòng)性能和離體腸道試驗(yàn)結(jié)果。通過牽引力和運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)，分別測(cè)量了兩種機(jī)器人在不同環(huán)境中的牽引力和運(yùn)動(dòng)速度，驗(yàn)證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型和驅(qū)動(dòng)原理。進(jìn)行了離體腸道爬行試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)器人模型，并對(duì)比了這兩種機(jī)器人離體試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)將硅膠波紋管應(yīng)用于胃腸道診查機(jī)器人之后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率得到了明顯的提高。 本文對(duì)胃腸道微型仿生機(jī)器人診查系統(tǒng)的樣機(jī)集成、無線能量傳輸、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、模型建立和離體試驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入的研