微型腸道機器人診查系統(tǒng)及其運動相容性研究.pdf

1、微型腸道機器人診查系統(tǒng)具有重要的應用價值和廣闊的應用前景，是傳統(tǒng)消化道內窺鏡最具前景的替代方式之一，已成為國內外醫(yī)療器械領域的研究熱點。本文以國家自然科學基金項目（31170968）以及上海市科委項目（14Z111220025）為依托，結合微型機器人運動學、無線能量傳輸技術、微型系統(tǒng)的通信與控制技術、以及腸道組織生物力學，對微型腸道機器人診查系統(tǒng)及其與腸道之間的運動相容性進行詳細研究和實驗驗證，力圖探索一種微創(chuàng)/無創(chuàng)的腸道疾病診療新途徑

2、。
　　人體腸道環(huán)境是一種非結構性的生理環(huán)境，具有非線性的生物力學特性。為了適應腸道的這種特殊環(huán)境，本文提出了一種微型腸道機器人診查系統(tǒng)的解決方案。機器人采用擴張-伸縮式的運動原理，其運動系統(tǒng)中包含三個運動機構：前后兩端的徑向運動機構以及中部的軸向運動機構。設計了一種具有大伸縮直徑比的旋轉打開式徑向運動機構，機構在縮回時的直徑為14mm、最大可擴張直徑為32mm、伸縮直徑比為2.29、撐開腸道的力為0.9~2.55N；設計了一種結

3、構緊湊的軸向運動機構，在機器人的中段為無線供能模塊預留出了安裝空間，軸向運動機構的設計行程為10.5mm，可產生2.97N的推力。
　　為了研究機器人與腸道之間的運動相容性，對擴張-伸縮式機器人在腸道中的運動進行了力學分析。文中分別建立了機器人駐留機構擴張腸道的模型以及機器人機身擴張腸道的模型，并通過模型分析了駐留機構和機器人機身擴張腸道后受到的軸向作用力。通過實驗平臺研究了機器人駐留機構和機器人機身在離體腸道內運動時的力學特性，

4、實驗結果表明，當機器人駐留機構的直徑小于等于26mm時，駐留機構在腸道內受到的駐留力為0.1N~0.4N；當駐留機構的直徑大于26mm時，駐留力迅速增加；機器人機身在腸道內受到的軸向作用力為0.1N~0.4N。
　　通過對擴張-伸縮式機器人在腸道中運動效率的分析，得出導致機器人運動效率降低的原因有以下幾點：機器人駐留機構駐留失效導致的步距損失、腸道壓縮與拉伸導致的步距損失。文中建立了模型分析駐留失效導致步距損失出現(xiàn)的原因；建立了腸

5、道壓縮與拉伸的模型，并分別計算了由于腸道壓縮與拉伸導致的步距損失。通過實驗平臺研究了機器人在離體腸道內的運動效率，水平平臺實驗結果表明，機器人在離體腸道內的運動效率在34.2％至63.7%之間，實際運行速度在0.62mm/s至1.29m m/s之間；斜坡實驗平臺結果表明，提高機器人徑向運動機構的駐留能力有助于增強機器人的爬坡能力。
　　為了解決機器人的供能問題，設計了機器人的無線供能模塊，其鑲嵌式的接收線圈結構，既保證了線圈的放置

6、空間，又不會增加機器人的機身直徑和機身長度。設計了采用霍爾姆茲線圈結構作為發(fā)射線圈的無線能量發(fā)射模塊；設計了無線能量接收模塊，并采用高磁導率的鐵氧體環(huán)形磁芯用于增強接收線圈附近的磁場。結合腸道機器人的特點以及通信要求，設計了具備雙向通信能力的通信模塊，通信模塊由上位機、體外通信模塊和體內通信模塊組成。根據(jù)腸道機器人的控制任務要求，設計了機器人的控制模塊，控制模塊中，基于腸道機器人運動機構的特點設計了對微型電機的雙信號反饋控制：電流信號反

7、饋加位置信號反饋，這種控制方式提高了機器人的穩(wěn)定性。
　　設計、加工并裝配了機器人樣機，樣機直徑14mm、長度45m m、重量22.43g?；跈C器人樣機對機器人運動機構進行了力學測試，測試結果表明，機器人樣機運動機構的力學特性與設計指標基本一致；測試了機器人樣機的運動性能：機器人樣機在垂直的柔性管道中上升速度為2.9mm/s、下降速度為3.3mm/s，機器人在剛性彎曲管道中的爬行速度為1.5mm/s，機器人在離體腸道下坡段、水平

8、段、上坡段的爬行速度分別為1.2mm/s、0.7mm/s、和0.3mm/s；通過實驗提出了機器人應對功率峰值的方案，并對機器人在無線供能環(huán)境下的無線通信模塊性能、控制模塊性能、運動機構性能以及視頻模塊性能進行了測試；測試結果表明，機器人的性能滿足設計要求。
　　本文對微型腸道機器人診查系統(tǒng)的運動原理與機構設計、機器人與腸道之間的運動相容性、無線能量傳輸技術、微型機電系統(tǒng)的通信與控制技術、微型系統(tǒng)的集成與測試等方面進行了深入研究，這