呼吸參數(shù)直接監(jiān)測仿生微型機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實驗研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展,應(yīng)用仿生學(xué)原理和MEMS技術(shù)研究自主進入人體腔道進行"微創(chuàng)/無創(chuàng)"診查的微機器人系統(tǒng)倍受關(guān)注.本論文以國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)"人體腔道診療微系統(tǒng)實用化研究"項目(2004AA404013)為依托,研究適于在人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)主動移動,能對肺內(nèi)微環(huán)境進行直接連續(xù)監(jiān)測的微型機器人系統(tǒng).根據(jù)人體呼吸系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和維持正常呼吸功能的要求,研究了仿生微型機器人系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)組成、運動機理、機器人的運動特性、機器人控制以及

2、機器人與呼吸道內(nèi)環(huán)境之間的相容性等關(guān)鍵技術(shù)問題,并進行相應(yīng)的試驗研究.力圖探索一種新的用于人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)自主移動實現(xiàn)呼吸生理參數(shù)連續(xù)監(jiān)測及微創(chuàng)輔助診療系統(tǒng),為人體腔道檢查機器人的研究設(shè)計提供新的思路和理論基礎(chǔ).論文主要進行以下幾個方面的研究: 1、論文在分析研究了國內(nèi)外關(guān)于呼吸生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)、支氣管鏡診療技術(shù)及醫(yī)用微創(chuàng)/無創(chuàng)診查微型機器人技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)呼吸系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和功能特性,應(yīng)用仿生學(xué)原理,給出了適用于人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)

3、主動移動進行呼吸生理參數(shù)連續(xù)監(jiān)測的微型機器人系統(tǒng). (1)移動機理與人體直接接觸的機器人系統(tǒng)要求具有安全、柔性的特性.通過分析尺蠖生物體的運動特性,抽象出仿生尺蠖生物體的移動機理,基于仿生尺蠖的移動機理,設(shè)計了具有柔性移動機構(gòu)的機器人本體結(jié)構(gòu),機器人本體結(jié)構(gòu)由前、后兩個支撐鉗位單元和中間一個伸縮驅(qū)動單元構(gòu)成. (2) 驅(qū)動器分析比較了電磁式、電磁與壓電結(jié)合式、微型電機式及氣動式等驅(qū)動器的驅(qū)動原理、控制方式及其性能試驗,選

4、擇以空氣動力作為機器人系統(tǒng)的驅(qū)動動力源,設(shè)計了全氣動驅(qū)動的機器人系統(tǒng).研制了具有柔性性能的空氣壓人工筋驅(qū)動器,該人工筋驅(qū)動器為增強纖維型人工筋驅(qū)動器,具有三個等扇形截面內(nèi)腔,可實現(xiàn)直線運動和任意方向的彎曲轉(zhuǎn)向運動.機器人的鉗位單元為塑料圓筒外覆具有一定彈性的氣囊,每個支撐單元通過鉗位氣囊充氣加壓膨脹壓緊管壁來實現(xiàn)鉗位功能. (3) 信息傳感微型傳感器及攝像、診療等微型執(zhí)行機構(gòu)等可集成于前支撐單元內(nèi),進行呼吸參數(shù)監(jiān)測、直接診查等.

5、 (4) 控制系統(tǒng)設(shè)計體外電-氣控制系統(tǒng),通過體外電-氣控制系統(tǒng)控制機器人移動及實現(xiàn)信息的采集與處理.電-氣系統(tǒng)主要由計算機、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動電路、繼電器/電磁閥、壓力傳感器、高壓氣源,壓力調(diào)節(jié)閥等組成.通過人-機界面控制機器人移動和實現(xiàn)信息傳感及直接診療等功能. 論文基于上述方案加工研制了機器人樣機,設(shè)計了具有人機界面的體外電一氣實驗控制系統(tǒng),并對樣機運動性能進行了管內(nèi)實驗研究.研究結(jié)果表明所設(shè)計的機器人能進行穩(wěn)定平滑

6、移動,機器人具有較大的運動速度和較大驅(qū)動力. 2、為進一步研究機器人系統(tǒng)的運動性能,詳細分析了移動機器人系統(tǒng)的驅(qū)動力學(xué)特性. (1)人工筋驅(qū)動器的驅(qū)動力學(xué)特性建立了人工筋驅(qū)動器的驅(qū)動力學(xué)模型,并進行了實驗研究.論文基于能量守恒與轉(zhuǎn)換定律及最小形變原理建立了空氣壓人工筋驅(qū)動器的軸向驅(qū)動力學(xué)模型及彎曲轉(zhuǎn)向特性模型,仿真計算了人工筋驅(qū)動器的驅(qū)動力學(xué)特性及彎曲轉(zhuǎn)響特性,通過實驗研究對理論模型進行了實驗驗證. (2)鉗位氣

7、囊的鉗位壓力特性機器人的移動過程中需進行牢固的鉗位,鉗位氣囊內(nèi)的壓力及作用于管內(nèi)壁的鉗位力必須足夠大,鉗位壓力太小則無法實現(xiàn)有效的鉗位功能.另一方面,由于鉗位氣囊緊壓管腔內(nèi)壁,過大的鉗位壓力將損傷氣管內(nèi)壁組織,因此對于人體腔道內(nèi)壁組織而言,鉗位壓力不能太大.論文在分析了呼吸道內(nèi)壁組織生理特性及分析氣管插管鉗位壓力特性的基礎(chǔ)上,分析了作用于管內(nèi)壁壓力特性,確定了合適的鉗位氣囊工作壓力. (3)阻尼力 機器人系統(tǒng)在有呼吸氣流

8、流動的呼吸系統(tǒng)內(nèi)移動,因此其移動過程中將受到氣流阻尼力的影響,另外,機器人系統(tǒng)是拖線式的,拖線的阻尼力必然影響后支撐單元的移動.因此,文中分析了拖線及氣流的阻尼力對移動機器人系統(tǒng)運動性能的影響,為機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計、及進行體內(nèi)移動實現(xiàn)直接呼吸監(jiān)測奠定了基礎(chǔ). 通過上述力學(xué)分析建立了移動機器人的運動學(xué)模型,分析了機器人系統(tǒng)驅(qū)動負載的能力.3、機器人系統(tǒng)移動控制特性研究. (1)機器人移動控制基于有限狀態(tài)機理論分析

9、并定義了單步距一個循環(huán)周期內(nèi)機器人的運動狀態(tài),并基于有限狀態(tài)機理論編制了機器人運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制算法程序,實現(xiàn)高效率控制. (2)機器人系統(tǒng)控制特性研究分析了氣動機器人系統(tǒng)的非線性特性,研究了建立了機器人系統(tǒng)氣壓一位置伺服控制的非線性系統(tǒng)模型.基于模糊自適應(yīng)PID控制理論研究了機器人系統(tǒng)的控制特性,仿真實驗結(jié)果表明基于模糊自適應(yīng)PID控制的機器人系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)特性.為實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的更高精度控制,提出一種模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

10、,并應(yīng)用于機器人系統(tǒng)的控制.仿真控制實驗結(jié)果表明基于該模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的機器人系統(tǒng)具有更好的動、靜態(tài)特性,并具有抗干擾能力. 4、在機械通氣情況下,氣道阻力是重要的監(jiān)測參數(shù)之一,氣道阻力過大將影響正常的通氣功能.內(nèi)置機器人系統(tǒng)必然存在一定的流動阻力,論文應(yīng)用流體力學(xué)理論分析了在不同呼吸氣流的流態(tài)下的微機器人系統(tǒng)在氣道內(nèi)的阻力特性.仿真計算結(jié)果表明相對于整個氣道阻力而言,所設(shè)計的機器人系統(tǒng)具有很小的流動阻力. 5、豬呼

11、吸系統(tǒng)與人體呼吸系統(tǒng)最為接近,因此,在機械通氣情況下,對機器人系統(tǒng)在正?；顚嶒炟i氣管內(nèi)進行了實驗.機器人系統(tǒng)可在實驗豬氣管內(nèi)進行平滑移動,通過微機器人系統(tǒng)攜帶的傳感器對豬氣管末端的呼吸壓力和溫度進行了連續(xù)監(jiān)測.呼吸參數(shù)測量結(jié)果表明內(nèi)置機器人系統(tǒng)的呼吸阻力處于正常狀態(tài),體內(nèi)直接監(jiān)測的結(jié)果與體外呼吸機顯示的結(jié)果相符合理論和實驗研究結(jié)果表明所設(shè)計的仿生微機器人系統(tǒng)能適應(yīng)人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境,能在呼吸系統(tǒng)內(nèi)進行柔性平滑穩(wěn)定的移動,實現(xiàn)呼吸生理參數(shù)