結(jié)腸鏡機(jī)器人力感知與柔順控制研究.pdf

1、由于現(xiàn)今社會(huì)污染的加重以及人們飲食結(jié)構(gòu)的改變，目前，全球結(jié)直腸癌發(fā)病率已位于男性癌癥的第三位，女性癌癥的第二位，其中我國(guó)的腸癌發(fā)病率增速達(dá)年均4％，是世界水平的兩倍。而目前常規(guī)結(jié)腸內(nèi)窺鏡在檢查過(guò)程中主動(dòng)彎曲能力不足從而易引起病人嚴(yán)重不適和痛苦，甚至導(dǎo)致腸道穿孔，所以越來(lái)越多的學(xué)者嘗試將機(jī)器人技術(shù)引入結(jié)直腸鏡檢查過(guò)程中。由于人體腸道具有相對(duì)浮動(dòng)性，形狀及位置不完全固定，為了提高結(jié)腸鏡機(jī)器人進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查時(shí)的安全性以及可靠性，本文研究了結(jié)腸

2、鏡機(jī)器人力感知系統(tǒng)以及基于力感知的結(jié)腸鏡機(jī)器人柔順控制系統(tǒng)和柔順控制算法。通過(guò)力感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人與腸道壁的接觸壓力，機(jī)器人采用柔順控制算法使得機(jī)器人與腸道壁的接觸壓力始終保持在安全閾值之內(nèi)，提高結(jié)腸鏡機(jī)器人腸道檢查過(guò)程中的安全性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴力感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其參數(shù)標(biāo)定。通過(guò)對(duì)結(jié)腸鏡機(jī)器人蛇形本體部分表面受力變形的建模與仿真分析設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求的壓力傳感器結(jié)構(gòu)以及壓力傳感器的信號(hào)采集系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)傳感器

3、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行力感知系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定。⑵基于力感知的柔順控制算法研究。首先分析機(jī)器人各關(guān)節(jié)段運(yùn)動(dòng)姿態(tài)特點(diǎn)與相互關(guān)系，得到基于人工導(dǎo)向的主動(dòng)彎曲控制方法；隨后針對(duì)結(jié)腸鏡機(jī)器人密閉的人體腸腔工作環(huán)境，對(duì)腸腔組織進(jìn)行力學(xué)分析，并在機(jī)器人連續(xù)體各關(guān)節(jié)段之間串聯(lián)耦合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，建立關(guān)節(jié)段與腸道的接觸模型，研究基于接觸力的機(jī)器人姿態(tài)修正算法；最后，融合力感知控制系統(tǒng)，基于以上人工導(dǎo)向控制算法和機(jī)器人姿態(tài)修正算法得到機(jī)器人最終的柔順控制方法。⑶控制

4、系統(tǒng)搭建和實(shí)驗(yàn)研究。控制系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：彎曲控制系統(tǒng)、前進(jìn)控制系統(tǒng)以及力感知系統(tǒng)，分別對(duì)該三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展機(jī)器人彎曲實(shí)驗(yàn)以及模擬結(jié)腸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于力感知的柔順控制方法的正確性和可行性。⑷實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：所設(shè)計(jì)的力感知系統(tǒng)能夠在結(jié)腸鏡機(jī)器人彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)在結(jié)腸鏡機(jī)器人本體部分施加的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，可以滿(mǎn)足結(jié)腸鏡機(jī)器人柔順控制的需要。另外模擬結(jié)腸實(shí)驗(yàn)也證明基于力感知的結(jié)腸鏡機(jī)器人柔順控制算法可以有效地實(shí)