1、臨床上,出于早期診斷、精確治療之新理念,主動(dòng)式無創(chuàng)、微創(chuàng)消化道診查機(jī)器人的研究倍受國(guó)內(nèi)外醫(yī)療器械工作者矚目,而且隨著微機(jī)械、微電子、微傳感和微執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)能自主進(jìn)入腸道進(jìn)行工作的微型機(jī)器人診查系統(tǒng)亦已成為可能.基于此,本研究在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的資助下,開展了用于結(jié)腸疾病診查的微型機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究. 進(jìn)行了機(jī)器人與腸道的運(yùn)動(dòng)相容性分析,系統(tǒng)設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)模型建立,以及腸道摩擦特性的測(cè)試研究.考慮到人體結(jié)腸的

2、空間幾何形狀、腸壁表面狀況及其解剖微結(jié)構(gòu),機(jī)器人要有效安全運(yùn)動(dòng),一方面需要克服腸道的柔軟、易于變形、粘彈性、彎曲和缺少支撐等困難,另一方面要避免對(duì)薄而易于損傷的結(jié)腸粘膜組織的創(chuàng)傷.為此,基于仿生學(xué)原理,提出了適合腸道非結(jié)構(gòu)環(huán)境的仿蚯蚓和仿尺蠖牽引方式.綜合考慮牽引方式和腸道組織生理特性,建立了徑向擴(kuò)張模型和軸向牽引模型,發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí),要重點(diǎn)考慮結(jié)腸與機(jī)器人之間的摩擦學(xué)問題和臨界步距國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2004AA404

3、013)問題.利用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)金屬滑塊在結(jié)腸表面上運(yùn)動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)電流與摩擦力之間的關(guān)系,提出了一種摩擦系數(shù)的測(cè)試方法.測(cè)定了四種不同表面形狀的銅摩擦試塊與結(jié)腸的摩擦系數(shù),結(jié)果表明摩擦系數(shù)按照三角形表面、矩形表面、圓形表面和平面依次遞減.進(jìn)行了具有相同表面的鋁試塊與結(jié)腸的摩擦系數(shù)測(cè)試,并與銅試塊的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.對(duì)結(jié)腸的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,使用一維簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了臨界步距的求解及其影響因素的分析. 研究了微小型仿蚯

4、蚓機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和樣機(jī)集成,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.設(shè)計(jì)出兩種電磁直線驅(qū)動(dòng)器,即回轉(zhuǎn)線圈型與平板線圈型.回轉(zhuǎn)線圈型使用8個(gè)長(zhǎng)方永磁體拼接成正八邊形來近似全徑向極化管狀磁鐵,在氣隙中獲得的磁場(chǎng)近似垂直于回轉(zhuǎn)線圈導(dǎo)線中的電流方向,提高了線圈的利用率.平板線圈型使用永磁體的開放磁場(chǎng)和平面線圈,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,利于進(jìn)一步微型化.以最大電磁推力為目標(biāo),利用有限元軟件對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)器的空氣隙厚度進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明回轉(zhuǎn)線圈型最優(yōu)氣隙厚度為2.2mm,而平板線圈型的

5、最優(yōu)氣隙厚度為2.6mm.利用這兩種直線電磁驅(qū)動(dòng)器開發(fā)出兩種規(guī)格的微型仿蚯蚓蠕動(dòng)機(jī)器人,分別為φ10x130mm,φ6×59mm.機(jī)器人包含四個(gè)運(yùn)動(dòng)單元,即三個(gè)驅(qū)動(dòng)器單元和一個(gè)處于最前端的頭艙.各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元之間使用十字萬向節(jié)連接,可適應(yīng)彎曲的管道,機(jī)器人整體具有一定的靈活性.機(jī)器人關(guān)節(jié)處使用乳膠膜密封,可在半流體或者流體環(huán)境下安全運(yùn)行.機(jī)器人采取了不同的驅(qū)動(dòng)器連接方式.一種連接方式,是將后一個(gè)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)圈通過十字萬向節(jié)與前一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的定子

6、連接,稱為動(dòng)圈一定子式.一種將驅(qū)動(dòng)器所有的動(dòng)圈通過十字萬向節(jié)串接在一起,稱為動(dòng)圈串聯(lián)式.建立了機(jī)器人的力控制模型,得到了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)條件的一組輸出力約束方程.給出了機(jī)器人的爬坡模型,討論了機(jī)器人爬坡能力與摩擦系數(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元節(jié)數(shù)的關(guān)系.進(jìn)行了機(jī)器人牽引力、運(yùn)動(dòng)速度以及爬坡能力的測(cè)試,結(jié)果與爬坡模型仿真結(jié)果一致. 進(jìn)行了仿尺蠖蠕動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)裝配、運(yùn)動(dòng)建模和實(shí)驗(yàn)等研究.徑向變形和軸向牽引機(jī)構(gòu)使用絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)

7、換.徑向變形使用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來獲得徑向尺寸變形.使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī).前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,但是能夠獲得的驅(qū)動(dòng)力有限,后者需要裝配減速器和位置檢測(cè)裝置,因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較長(zhǎng),但是能夠得到較大的輸出力.對(duì)徑向支撐機(jī)構(gòu)的進(jìn)行了受力分析,以發(fā)生同樣變形需要電動(dòng)機(jī)輸出力最小為目標(biāo),進(jìn)行了計(jì)算得到了一系列結(jié)構(gòu)尺寸和電動(dòng)機(jī)輸出力之間的關(guān)系曲線,確定了最優(yōu)參數(shù).對(duì)尺蠖型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了控制,得到了控制信號(hào)序列.對(duì)機(jī)器人的爬坡和牽引能

8、力進(jìn)行了模型分析,得到了機(jī)器人爬坡與壓力、摩擦系數(shù)間的關(guān)系和牽引力的表達(dá)式.最后進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明仿尺蠖蠕動(dòng)微型機(jī)器人具有較強(qiáng)的爬坡能力. 研制了結(jié)腸模擬器,其幾何尺寸和空間形態(tài)模擬了在人體腹腔中真實(shí)的結(jié)腸.在模擬器中進(jìn)行了機(jī)器人的爬行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明在彎曲部分機(jī)器人具有良好的通過性.在豬結(jié)腸中,進(jìn)行了離體腸道實(shí)驗(yàn),主要研究了機(jī)器人的爬行能力.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)器人能夠順利的通過部分腸道,可以自主改變前進(jìn)方向,能夠自適應(yīng)彎曲的