主动可控式内窥镜胶囊机器人的研究

论文摘要

针对临床上传统消化道内窥镜和胶囊内镜存在的主要问题,研究了一种用于人体肠道诊查的微型胶囊机器人系统,试图探索一种肠道微创、无创诊疗的新途径。本文针对肠道内环境设计了高效的微型驱动机构,使胶囊机器人的可吞服性成为可能,并结合本实验室其他科研成果——无线通讯与供能技术——解决机器人由于拖缆不能深入人体的问题。驱动方式的选择是研制人体肠道诊疗机器人首要问题。本文在对人体肠道环境特点做了深入研究的基础上,首先介绍了国内外有关胃肠道机器人的现状,分析并对比了其中主要几种驱动方式的优缺点以及其未能继续深入研究的原因。然后从动力学和人体安全性角度,对足式运动—蠕动运动,气压驱动—机械驱动,摩擦力驱动—反冲力驱动等方式进行了对比分析,得出了结构紧凑,驱动力较大,稳定性最好的运动方式——基于液压驱动的双电机仿尺蠖运动。该驱动器利用两个直流无刷电机作为动力源,经过减速器和丝杆螺母机构把旋转运动转化为直线运动,而后输出油囊的径向扩张和收缩、胶囊的伸长和缩短,并按照一定的时序配合实现了机器人的运动步态,驱动器可以执行前进、后退、停止等动作。为了克服液压驱动与“无线”的冲突,本文研制了机器人采用油泵单次冲压实现油囊径向伸缩的方式,并特别设计了油泵和油囊。在油囊的设计中,兼顾油囊和油泵的体积比例1:2,充分考虑油囊与肠道组织的摩擦力,粘合度等因素,最大限度增加油囊与肠壁在压合时的压力以及摩擦力。与实验室其他项目组合作,设计了适应本系统的无线通讯子模块和无线供能子模块。独立设计完成了包含无刷电机驱动器和单片机在内的控制模块。通过这三个模块和驱动机构结合,实现了胶囊机器人的信息采集与运动控制从“有线”到“无线”的跨越,并保证了对其不间断的供能。组装完成的机器人样机在收缩状态下,外径为Φ13mm,长度40mm,满足可吞服的基本要求。为了验证胶囊机器人运动的有效性和能量传输的可靠性,我们设计了一系列实验。实验结果表明,胶囊机器人在直径为Φ15mm～Φ20mm的橡胶软管中输出较大的前进驱动力,机器人运动速度约为45mm/min,任意方向均无明显步距损失;胶囊机器人在猪小肠离体实验中,实验结果显示,胶囊机器人可以在新鲜猪小肠内有效运动,运动速度达10～30mm/min。除此之外,胶囊机器人的重量与肠道内运动可靠性关系实验也在文中阐述,结果表明,随着机器人的重量增加,穿过肠道的成功率会明显降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 胃肠道诊疗系统的研究现状
• 1.2.1 被动无创式诊疗系统
• 1.2.2 主动无创式诊疗系统
• 1.3 课题的研究意义
• 1.4 本文的主要研究内容及创新点
• 第二章 运动环境分析与驱动方式选择
• 2.1 人体肠道的形态及解剖特征
• 2.1.1 小肠
• 2.1.2 大肠
• 2.2 机器人设计要求
• 2.3 各种运动方式分析
• 2.3.1 仿尺蠖运动
• 2.3.2 仿蛇的运动
• 2.3.3 仿千足虫的运动
• 2.3.4 仿蜥蜴和蚂蚁的运动
• 2.3.5 仿章鱼的运动
• 2.3.6 使用伸缩技术的运动
• 2.3.7 使用反作用力的运动
• 2.4 运动方式的比较和选择
• 2.4.1 运动方式的选择
• 2.4.2 驱动器的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 胶囊机器人的设计
• 3.1 胶囊机器人的整体结构设计
• 3.2 驱动机构的设计
• 3.2.1 驱动机构的结构设计
• 3.2.2 Namiki 直流无刷电机
• 3.2.3 丝杆螺母副的设计
• 3.2.4 波纹管泵的设计
• 3.2.5 油囊的设计
• 3.2.6 外壳的设计
• 3.3 机器人步态
• 3.4 驱动机构的动力学分析
• 3.4.1 传动效率与最大输出力的计算
• 3.4.2 导向杆的位置尺寸的确定
• 3.5 无线通讯子系统
• 3.6 图像子系统
• 3.7 胶囊机器人的系统控制
• 3.8 本章小结
• 第四章 无线供能模块设计及综合实验
• 4.1 胶囊机器人各组件能耗分析
• 4.2 无线能量传输的原理
• 4.3 实验与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 胶囊机器人的实验研究
• 5.1 驱动机构驱动能力实验
• 5.2 机器人的装配与调试
• 5.3 胶囊机器人基本参数的测量
• 5.4 离体实验
• 5.4.1 爬坡能力实验
• 5.4.2 猪小肠离体实验
• 5.4.3 机器人重量与运动可行性关系实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参与课题、发表学术论文及专利