（精密仪器及机械专业论文）智能内窥镜辅助介入子系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 摘要 本课题是介入式内窥诊疗机器人关键技术研究项目( 获国家8 6 3 计划、国家 自然科学基金等的资助) 中的一个重要组成部分。主要研究设计一种内窥镜自动 介入装置，该装置能够模拟医师的介入动作来介入内窥镜，在介入的同时可以随 时检测内镜介入的长度。经调研分析，内镜介入动作主要包括介入和旋转两个动 作，设计的介入装置在能够完成基本功能的基础上，尽量减小装置体积，提高装 置智能化程度。 围绕这一主题，本文主要进行了以下研究工作：第一章主要对本课题的研究 背景以及国内外研究现状做了介绍，并对本课题研究目标和研究内容作了概述。 弟二章是系统总体方案设计，详细介绍了两种介入方案，即摩擦轮连续介入方案 和间隙式介入方案。分析比较两种方案后，根据课题要求确定选用间隙式介入方 案，随后针对确定方案制定相应的控制和传感方案。第三章对间隙式介入装置的 机构设计进行了详细分析，包括夹持手部件设计、推进部件设计和旋转部件设计 三部分内容。第四章为间隙式介入装置运动学和力学分析，包括夹持手原理分析， 推进部件和旋转部件的速度和驱动计算。第五章为控制系统设计，包括基于 a t 8 9 c 5 1 的下位控制系统设计和基于p c 的上位控制系统设计，以及上下位机串 行通信的实现。第六章为实验和分析，对介入装置的介入力大小和介入速度进行 了实验测定，实验结果表明该装置基本上能够实现内窥镜介入动作。最后，对本 课题的研究作了总结及展望。 关键词：医疗机器人内窥镜辅助介入送进机构 上海大学硕士研究生学位论文 ! 坠! 坚垒! ! ! 坚：! ! 曼! ! ! ! q ! ! ! 堡垒垒坠! ! 塑! ! ! 垦! ! ! ! a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi so n ep a r to ft h ep r o j e c t r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g yo f i n s e r t e de n d o s c o p i cr o b o t ”( s u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a ，a n dt h en a t i o n a lh i g h t e c h n o l o g yr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m ) t h e m a i n j o bo f t h i ss u b s y s t e mi st od e s i g nak i n do fa u t o m a t i ci n s e r t i o nd e v i c et oi n s e r t t h ee n d o s c o p e t h ei n s e r t i o nd i s t a n c ec a nb em e a s u r e da ta l l y t i m ew h i l ei n s e r t i n g f r o mi n v e s t i g a t i o n ，t h ei n s e r t i o no fe n d o s c o p ei n c l u d e st w om a i na c t i o n s ：i n s e r t i o n a n dr o t a t i o n t h ei n s e r t i o nd e v i c ed e s i g n e ds h o u l db es m a l la n di n t e l l i g e n to nt h eb a s e o f f u l f i l l i n gt h eb a s i cf u n c t i o n s i na c c o r d a n c ew i t lt h i st o p i c 。t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hc o n d i t i o na r e i n t r o d u c e df i r s t l y , t h er e s e a r c ha i ma n dr e s e a r c hc o n t e n ta r es u m m a r i z e da f t e r w a r d si n c h a p t e r1 c h a p t e r 2i st h es y s t e md e s i g n t w ok i n d so fi n s e r t i o nm e t h o d sa r e i n t r o d u c e di nd e t a i l ：o n ea p p l i e sf r i c t i o n a lw h e e ls t r u c t u r et oi m p l e m e n tc o n t i n u o u s i n s e r t i o na n dt h eo t h e ri m p l e m e n t sd i s c r e t ei n s e r t i o n a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g t h et w om e t h o d s ，t h el a t e ri sc o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e s e a r c h t h e nt h ec o n t r o la n ds e n s o rp a r t sa r em a d ea f t e r w a r d s t h ed i s c r e t ei n s e r t i o ns t r u c t u r e i sd e s i g n e di np a r t i c u l a ri nc h a p t e r3 ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fg r i p p e r ，p u s h i n gu n i t a n dr o t a t eu n i t c h a p t e r4i sa b o u tt h em o t i o na n df o r c ea n a l y s i so fd i s c r e t ei n s e r t i o n s t r u c t u r e ，i n c l u d i n g t h ep r i n c i p l eo ft h e g r i p p e r , v e l o c i t ya n df o r c ec a l c u l a t i o no f p u s h i n gu n i ta n dr o t a t eu n i t ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e s t r u c t u r ei si n t r o d u c e di n c h a p t e r5 t h ed e s i g n a t i o no f m i c r o c h i ps y s t e mb a s e do na t 8 9 c 5 1 ，p r o g r a m so f p c c o n t r o l p r o g r a ma n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dm i c r o c h i pa r ei n t r o d u c e di n d e t a i l c h a p t e r6 i se x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，t h ei n s e r tf o r c ea n di n s e r tv e l o c i t yo f t h e d i s c r e t ei n s e r t i o ns t r u c t u r ea r em e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n t s t h e r e s u l to ft h e e x p e r i m e n t si n d i c a t e st h a tt h ed e v i c ec a ni m p l e m e n tt h eb a s i ca c t i o no ft h ei n s e r t i o n o ft h ee n d o s c o p e f i n a l l y ，w ep r e s e n tac o n c l u s i o no fo u rr e s e a r c ha n d s u g g e s t i o nf o r 山l r cw o r k k e y w o r d s ： m e d i c a lr o b o t a u x i l i a r yi n s e r t i o n e n d o s c o p e i n s e r t i o nd e v i c e 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章绪论 1 1 引言 医疗机器人是目前国外研究最活跃、投资最多的领域之一，也是最有发展前 途的应用领域之一。近年来，医疗机器人技术引起荚、法、德、意、日等国学术 界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。美国兰德公司以及有关刊物报道，医疗用微 机器人的实用化将对生物医疗行业产生巨大的影响，可在人体血管或器官内进行 精细手术等，从而造福于人类。1 9 9 4 ，1 9 9 5 年医疗机器人被世界著名的期刊i e e e s p e c t r u m 列为十大技术预测之一【i | 2 j 。许多著名国际会议，如i e e e r o b o t i c s a n da u t o m a t i o n ，i e e ee m b s ，i e e e s y s t e m ，m a n a n d c y b e r n e t i c s ，i c a r 等都将 其单独列为一个专题p 】。在1 9 9 9 、2 0 0 0 和2 0 0 1 年国际先进机器人会议( i a r p ) 上，医疗机器人是讨论的热点之一。 “介入式机器人内窥诊疗系统”是国家自然科学基金( 编号5 0 0 7 5 0 5 0 ) 、8 6 3 计划( 编号2 0 0 l a a 4 2 2 1 8 0 ) 、上海市启明星跟踪计划资助项目。该系统将通过 对相关技术的研究，建立自动介入系统、主动避碰并实现三维重建的智能内窥镜 系统。在学术上，将探索机器人微传感器的应用、多传感信息的融合技术及微小 尺寸上的系统集成技术等技术难题，提高导管内窥系统的智能性，并在此基础上 尽量缩小其外径尺寸，对机器人学科及m e m s 学科进步具有重要意义。本系统 的进展将有效地提高检查的舒适度，减少结肠检查发生穿孔的机会，增加内窥过 程的可视性、可比性、重复性及准确性，减少对医师技术熟练程度的依赖，为无 创微创外科手术提供必要的技术手段。 1 2 课题研究背景 随着科学技术的发展与人类社会的进步，微创外科手术( m i s ) ，成为当代 临床医学最主要的发展趋势之一。它推动了医疗工程朝着高度自动化、低损伤性 诊断治疗的方向发展。m i s 是利用人体天生管腔或手术小孔来插入诊断、治疗、 检测等功能的医疗器械，以减少手术期间对病人其它组织的伤害，缩短康复时间， 减小手术引起的副作用，降低医疗费用，并减轻患者的生理和心理负担以及医疗 人员培训时间h ，卯。 目前，对m i s 的研究主要从两方面进行：一是改进传统的医用内窥镜系统， 将系统进一步微型化，合理采用各种传感器，引入各种先进的成像技术和高速计 算机图像处理技术，以增加手术过程的可视性、可比性和准确性；二是改进医用 内窥镜系统进入人体内腔的方式，以减轻病人痛苦f 6 j 。 传统的内窥镜诊疗术是微创外科的重要手段，其典型器材是内窥镜和导管 等。内窥镜以其性能的稳定性、技术的可靠性、种类的系统性、装置的小型性、 使用的方便性以及性能价格比的可接受性等诸多优势，在医学界得到普遍应用， 是内窥镜市场的主流t 7 。 消化道中使用的内窥镜是一条微小检测导管，包括成像系统、光源、手术工 具和水气通道等峭j 。内窥镜师可以通过目镜或图显系统的显示屏观察到从内窥镜 前端传出的两维图像。检查过程中，利用两维图像的色差信息和手感来控制插入。 结肠镜对病灶的诊断和治疗有极其重要的作用。以结肠癌为例，它是工业化国家 中发病率列第二位的恶性肿瘤，其中9 0 的结肠癌由良性的息肉发展而来一从 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 理论上讲，均可以在早期诊断中利用内窥镜发现和切除。但实际上由于技术的复 杂性等原因，目前条件下还无法完全做到。 现有内窥镜是利用操作人员的外部推力介入到人体被检腔道中的，带有一定 柔性的装置在腔道组织上滑行时，对腔道壁面产生压力，有可能对人体内部软组 织造成擦伤和拉伤，一旦这个压力超过一定的闽值，还可造成组织破损( 穿孔) 。 同时人体腔道结构比较复杂，以结肠为例，存在多处弯道，如图1 1 所示，仅凭 手感要把内窥镜顺利插入到深处并非易事。据统计，经过专业训练、有经验的医 务人员把内窥镜插到结肠远端( 盲肠部) 的概率仅为8 5 - 9 0 。鉴于这种情况， 内窥镜检查和手术基本上在技术水平较高的大医院中进行，而且对操作医师要求 很高，经常需要多个医师配合，一般一例检查为4 0 6 0 分钟。同时由于无法在插 入过程中了解体内的内窥镜的形状，有时会发生缠绕的情况，如图1 2 所示【9 j 。 图1 - 1 结肠的正面形状图1 - 2 内窥镜在体内缠绕的x 光照片 传统内窥镜的这些缺陷与人体内部腔道的结构有关，人体肠道直径及形状变 化很不规则，有较强的柔软性、脆弱性和滑动性，其中结肠是很有代表性的，且 又是发病率较高的部位。结肠由直肠、乙状结肠、升结肠、横结肠和降结肠组成。 最小弯曲半径位于直肠和乙状结肠的转弯处，其半径为2 3 c m 【l o 】。长约4 0 5 0 c m 的横结肠是结肠中的最长部分，且不停的蠕动。横结肠通过横结肠系膜附于后腹 壁，其运动受呼吸过程和内腔中其它运动的控制。结肠这种不停的蠕动，不利于 内窥镜的进入，且进入之后，这种运动还可能夹住内窥镜。为了推进内窥镜，需 施加更大的作用力。 根据大量的文献报道，目前医用内窥镜技术的研究工作开展得很多，也取得 了不少成果，如引入高级的计算机、图像处理等技术，同时一些复合材料的采用 及内窥镜导管前端牵引调向机构的改进，在一定程度上减轻了病人的痛苦。但是 这些新技术的采用还没有能从根本上克服传统内窥镜的缺陷，即目前的医用内窥 镜系统，其进入人体内腔是靠柔性管引导从外部人为直接插入的，这种进入方式 有二大缺点：一是人体内腔狭窄曲折，柔性管长距离插入有困难，有些死角位置 很难达到：二是在插入过程中，柔性管和内腔壁之间直接接触摩擦，有可能对人 体内部软组织造成擦伤和拉伤，并且由于内窥镜导管的左右摆动和扭曲等大幅度 体内动作使病人感受很大的痛苦1 6 j 。 目前，传统内窥镜的介入方式主要依靠操作人员的外部推力介入到人体被检 腔道中。为提高内窥镜的智能化程度，有必要研究机器人内窥镜的自动介入技术。 本研究主要从自动介入机构的机械本体设计入手，设计了两种内窥镜的自动介入 装置，在一定程度上提高了内窥镜介入方式的自动化程度。 1 3 国内外研究现状 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y 1 3 1国外研究现状 1 理想的胶囊式内窥镜 胶囊式内窥镜是能在人体血管中进行诊断、监测和治疗作业的医疗用微型机 械电子系统，它是一种直径为1m i l l 左右细长的能动型导管，通过注射针把它送 到血管里，这时便从其内部引出两个微小机器人并使机器人向血管壁靠近。然后， 在医生的监视下，机器人可使用微细的医疗机器进行触诊和注射作业。图1 。3 是 其原理简图。但是，这种系统需要在仅有几分之一毫米的狭小空间操作，还有许 多关键技术有待逐步解决”“。 疆动用参且曲并宋蘑摄取装置 图1 3 理想的血管内诊疗用能动性内窥镜原理图图卜4 日本研究的多单元内窥镜 2 d a r i o ，p a o l o 等人研制了一种英寸蠕虫驱动机构来驱动结肠镜 12 1 。 3 日本研究人员研制的一种多单元内窥镜。 该内窥镜由5 个相同单元组成，采用蛇行游动原理，如图1 - 4 所示【1 3 】。在移 动过程中，第一个单元的姿态依次传给下一个及后续单元，使整个机构以一种相 似的弯曲状态实现避障等功能。这种结构可减小结肠与内窥镜之间的相互作用 力，在一定程度上适应复杂的结肠道。中国科学技术大学也有类似研究报道 1 4 】。 4 日本东京大学提出的一种新型的微型机器人的驱动机构。 此种微型机器人能够在充满液体的弯曲的微型管道内运行。当它在充满液体 的微型管道内运行时，利用动压效应驱动。图1 5 画出了该种微型机器人的驱动 机构。它由一个带右螺旋槽的圆柱形微电动机、一个带左螺旋槽的圆柱体和个 柔性联轴器构成。当正向接通微电动机电源时，带左螺旋槽的圆柱体正转，带右 螺旋槽的微电动机外壳反转，但两者产生的轴向摩擦牵引力方向相同，带动微型 机器人前进；当反向接通微电动机电源时，则使微型机器人后退。微电动机和圆 柱体之间采用柔性联轴器联接，使微型机器人能在弯曲的管道内运行。通过控制 电动机转速控制微型机器人运行状态 i ”。 图1 - 5 日本微型机器人驱动机构示意图 图1 - 6 可变硬度的内窥镜 袖黜釉黜 1 8 0 度) 使其成为中正y 型或反y 型走向后通过。常需手法雄挤以辅助结圈，必要时改变方位和防止乙状 结肠镜身弯曲结襻。此动作的实现，在内窥镜形状重建子系统的配合下，利用基 本的进退镜以及旋镜即可以完成。 6 旋镜。旋镜主要用于通过肝曲部。内镜头部到达肝曲但不见升结肠开口 上海大学硕士研究生学位论文 1 h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 时，或者视野中虽能见到肠腔或开口，但进镜时镜身却反而倒退、退镜却前进， 这种矛盾现象说明横结肠形成下垂的弯曲，此时顺时针方向旋转镜身，助手用手 顶推内镜头端弯角处及下垂部向上，旋镜1 8 0 3 6 0 度，使肝曲由锐角转变成钝 角，则常可迅速通过。在推进后退的过程中旋转内镜即可实现此动作。 根据以上内窥镜操作手法的介绍，可以确定介入装置需要实现的两个主要动 作：推进动作和旋转镜身的动作。本课题需通过控制电路及相应机构使内窥镜可 以实现进镜、退镜、旋镜、边进镜边旋镜等一系列内窥镜检查过程中所需的操作 手法。 2 4 内窥镜介入的可行方案 根据以上内窥镜外部形态、内部结构分析以及内窥镜人工操作手法的分析， 可以提出介入内窥镜的可行方案，根据介入方式的不同，可以分为主动引导和外 力介入两种类。分别介绍如下： 一以外力介入的方式可以采用以下两种形式： 1 摩擦轮连续介入方案。该方案使用两个大小相等的摩擦轮，利用摩擦和挤压 的方式介入内窥镜。可以通过调节两个摩擦轮之间的距离来改变介入力的大 ，j 、o 2 间隙式介入方案。该方案使用两个机械抓手配合夹持内窥镜，利用滑动导轨 和丝杠螺母传动其中一个抓手推进内窥镜，内窥镜的旋转介入利用齿轮传动 实现。 二主动引导介入方式可有多种方案： 1 蛇行方案。蛇行方案的优点是有较多的自由度，避障能力较高。但是计算难 度增大，整体尺寸难以进一步缩小，且曲率变化范围小，不能完全适应结肠 结构。 2 s m a 式的蠕动方案。蠕动方案对环境有较强的顺应性，但因密封的橡胶囊直 径不能变化，应用范围受到限制，且不能解决散热问题。 3 气动式蠕动方案。该方案也具有较强的顺应性，且由于气囊直径大小可调整， 能适应直径大小不同的多种人体腔道。缺点是前端部不能上下、左右移动， 内窥镜的视角受到限制：由于引入气动环节，体积微型化困难。 4 压电元件驱动方案。该方案在刚性管道内运动，效果较理想，但在柔软弯管 内，尤其在蠕动条件下，存在不能前进，甚至被卡死的可能性。 本着安全、可行、适用的原则，结合实际分析比较后，摩擦轮连续介入方案 和间隙式介入方案在本研究中可行性最高。本章将重点分析这两种机构的实现方 案。 2 4 1 摩擦轮连续介入方案 图2 5 是摩擦轮机构的原理图。利用直流电机和减速模块，带动一列同样大 小的齿轮传动，两根齿轮轴上分别固定一个同样大小的摩擦轮，内窥镜被夹持在 两摩擦轮之间，依靠摩擦轮和内窥镜表面之间的摩擦力，实现内窥镜的连续介入。 此机构在完成内窥镜的介入上效果很好，但是实现内窥镜的旋转较困难。 通过螺杆调整两摩擦轮之间的间隙，可以改变介入力大小。在装置外壁安装 光电码盘，可以实时获取内窥镜的介入长度。 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 盘 图2 5 摩擦轮连续介入机构原理图 该介入机构介入力大小的调整，是依靠丝杠螺母传动调整两个摩擦轮之间的 距离来实现的，摩擦轮之间的距离愈小，摩擦轮和内窥镜之间的摩擦力愈大，介 入力愈大。为了得到夹紧螺栓的旋转圈数和介入力大小之间的确切关系，通过实 验测定了一组对应数据。实验数据证明，螺栓旋紧圈数愈多，介入力愈大。具体 关系如图2 6 所示，基本上呈线性关系。 图2 - 6 摩擦轮介入机构夹紧力和介入力关系图 2 4 2 问隙式介入方案 考虑到利用摩擦轮介入内窥镜的过程中，是利用内窥镜镜体直接与摩擦轮摩 擦，从而使内窥镜产生介入力，因此这种方法对内窥镜镜体存在一定损伤，设想 使用小型夹持手夹持内窥镜，模拟医生的动作实现内窥镜的介入。根据实际操作 情况，内镜在在前进后退的同时，可能需要旋转镜体，因此，需要考虑内镜绕自 身中心旋转的机构。 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s r r y 抓手i |抓手b 内窥镜 前后移动 图2 - 7 间隙式介入方案原理示意图 图2 7 为间隙式介入方案原理示意图。图中抓手b 在夹持内窥镜的同时，可 以沿移动导向装置前后移动，并且要使抓手b 能够在夹持内窥镜的同时绕内镜中 心( 即抓手b 手指中心) 旋转，实现内窥镜的旋转介入。抓手a 固定，起到支撑 和定位内窥镜的作用。图2 8 是该装置一个工作流程示意图。状态一为抓手工作 起始状态，内窥镜在前进时，抓手b 抓紧内窥镜并前进，抓手a 处于放松状态， 由于移动导向装置长度有限，当抓手b 带动内窥镜前进到移动导向装置尽头，如 状态二所示，则需要松开内窥镜并后退到初始状态。此时，抓手a 抓紧内窥镜， 是为了防止内窥镜由于肠道内部阻力或者外力干扰而后退，另外也保证了抓手不 会因为旋转或其他原因而脱离抓手有效工作范围。状态三，当抓手b 后退到初始 状态时，抓手b 抓紧，a 放松，开始进行下一个工作流程。整个工作过程中，抓 手b 根据内窥镜介入的需要，可进行不同方向，不同角度的旋转，使内窥镜镜体 绕自身中心旋转，从而实现内窥镜的进镜、退镜、旋镜、边进镜边旋镜等各种介 入动作。 状杰一 鞭悫二 状态三 图2 8 间隙式介入装置工作流程示意图 上海大学硕士研究生学位论文 n em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 2 4 3 方案确定 首先分析比较两种方案的优缺点。摩擦轮连续介入机构的优点在于可以连续 的推进内窥镜并且介入力较大。同时，该机构主要存在以下几个缺陷： 1 机构的灵敏度不高。 整个机构的移动是通过螺杆和弹簧的作用整体移动下半部分，而且下半部分 直接和地面接触，移动时要克服地面的摩擦力，灵敏度不高。 2 由于内窥镜是需要介入到人体内部的，所以，对内窥镜的外表面的光滑度要 求很高。摩擦介入时，对内窥镜外表面的伤害较严重。 3 该机构的旋转功能较难实现。 间隙式介入机构的优点在于，介入动作更类似于人的动作，对内窥镜本体的 伤害很小，实现内窥镜的旋转功能较方便。也存在一些缺点，如结构较复杂，只 能间隙式推进内窥镜等。 分析比较以上两种介入方案，间隙式介入方案能够全面实现内窥镜介入过程 中的全部动作，且对内窥镜镜体伤害小，更加符合本课题的要求，因此，间隙式 介入方案被确定为最终方案。 2 5 介入系统控制及传感方案 根据间隙式介入装置的机械结构和运动特征，提出合适的控制及传感方案。 2 5 1 控制方案 间隙式介入装置的控制，包括控制命令的发送，传感信息的获取和上下位机 的通讯三大部分。控制系统方案如图2 - 9 所示。下位控制系统以a t 8 9 c 5 1 单片机 为核心，通过命令控制介入装置的工作，包括抓手的吸合，前进后退以及旋转。 介入过程中，通过编码器或者计算步进脉冲的方式测量内窥镜介入长度。前端压 力传感器将压力信号转换为电压或电流信号，首先经过信号的预处理，再由放大 电路、a d 转换，将模拟信号转换为数字信号后送入单片机的i o 口，由软件来 实现信号的识别。上位控制系统通过串口和下位机通信，以友好的人机界面控制 系统，通过上位机设置系统参数，获取系统有关信息等。 图2 - 9 间隙式介入机构控制系统方案图 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r s1 1 伍s i so fs h a n g i a iu n i v e r s i t y 2 5 2 传感方案 当内窥镜在人体肠道内运动时，可能导致镜身多处与肠壁接触而产生较大的 阻力，使得介入装置的推力不够，无法推进内窥镜，如果介入装置介入内窥镜的 介入力过大，又可能导致结肠壁的拉伤，因此在内窥镜介入过程中，需反馈介入 力的大小。为反馈介入力的大小。可考虑方案一：在内窥镜的本体上每隔一定的 距离，安装一组压力传感器，检测运动阻力，及产生阻力的部位，将信息返回到 控制系统，由控制系统根据情况改变介入力的大小。 2 5 2 1 微型压力传感器的选型 1 医用传感器。用来测脉搏的医用传感器，在本课题的前期研究中已经使用过， 具有一定的使用经验。 2 贴片式压力传感器。通过应变片将内窥镜本体的应变变化转换成电阻变化， 再利用电桥电路转换成电压信号用于控制系统。湖南长沙索普测绘技术有限公司 新近研发成功的电阻应变纳米薄膜压力传感器也可以考虑。 3 电容式压力传感器。此类传感器必须将人体肠壁视为电容的一个电极，采用 差动形式压力传感器【2 2 ，灵敏度高，非线性误差较小。通过电容值的变化，经 测量电路转换成压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 4 自行研制压力传感器。 2 5 2 2 微型压力传感器的安装与布局 根据人体肠道的形状、弯曲部位之间的关系及其长度进行优化以确定在整个 镜身上布置传感器的组数，根据查阅的有关资料表明：一般布置8 1 0 组为最好， 每组有三或四个传感器均布在镜身圆周上。为减少布线的难度以及引线过多造成 的体积过大，初步考虑采用串联方式连接传感器组，而每组传感器之间用并联式 连接。通过对不同的传感器组反馈电压进行设置，从所获得的传感信号来识别内 窥镜的接触部位，并能通过电压和的分解来判定内窥镜有哪几个部位与结肠内壁 同时接触，根据以上分析，并运用模糊控制来动态的调整推进力。图2 1 0 为微 型压力传感器安装布置方案图。 压力信黪嚣 图2 - 1 0 内窥镜前端微型压力传感器安装布置方案图 方案- - ，在装置内部安装力觉传感器以感知内窥镜介入力的大小。 2 5 2 3 滑觉传感器的选型 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st 呱s i so f s ha _ n g h a iu n i v e r s i t y 目前，国内外对滑觉传感器的研究很多，机器人在举起物体、交换握持物体 的动作和手臂加速或减速时，由于握力不足而产生滑动，会引起动作的准确性和 精度，因此，检测滑动和控制握力成为机器人智能化作业的关键技术之一。本课 题中拟使用滑觉传感器感知抓手和内窥镜之间的摩擦力变化程度，以便测出介入 力的大小。滑觉传感器的研究种类很多，包括滚轴式滑觉传感器、光电式滑觉传 感器、光纤滑觉传感器、声学滑觉传感器等多种。根据本课题的研究方法和机械 本体结构，采用滚轴式或者光电式滑觉传感器更加合适。 如图2 1 1 所示，滚轴式滑觉传感器检测端的滚轴a 用弹簧片c 固定在手指b 上，手指在张开时突出握持面d = i m m ，手指在闭拢时握住对象物e ，簧片弯曲时 滚轴后退至手指的握持面，从而握住整个物体，这时滑动使滚轴旋转。滚轴旋转 通过安装在滚轴中的光传感器和缝隙圆板转换成脉冲信号。信号通过计数电路和 d a 变换器转换成模拟电压信号，然后加在握持力控制系统的目标信号上，控制 握持力的大小，避免滑动“。 j t 禽件幢侈 图2 1 1 滚轴式滑觉传感器图2 1 2 光电式滑觉传感器示意图 如图2 1 2 所示，光电式滑觉传感器采用光电式原理，由机座、光电元件、 弹性体和反射体组成，弹性体可以轴向伸缩，也可以摆动，它的端面与被抓取物 体的表面相接触。该滑觉传感器利用红外发射与接收器件，把机械的滑动信号转 变为光信号，再通过光电元件把光信号转变为电信号加以检测。 错_ 、 lb 口p | ：| 滑觉传 c 幂i i抓手内层 竹f 图2 - 1 3 光电式滑觉传感器原理图图2 1 4 介入力测量方案示意图 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st s i s0 fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 如图2 1 3 所示，a 为红外发光管，b 为接收管，c 为发射镜面。红外发光、 受光管a 、b 及其电路封装于滑觉传感器基座的空腔内，反射镜面c 贴于滑觉传 感器触头的空腔内侧。当物体与手爪有相对滑动时，通过物体与触头之间的摩擦 力而使触头产生运动。而弹性体产生的弹性力将阻止触头的运动，这样当物体有 滑动时，在这两个力的作用下触头发生微小震动，带动反射镜面c 一起运动， 引起镜面对a 管发射光的反射角的变化，从而导致接收管b 接收的光强发生变 化，则接收光电管b 的输出也会发生相应的变化。由此可以检测物体的相对滑 动 2 4 】。 2 s 2 4 利用弹簧变形测量介入力 自动介入装置在介入内窥镜的过程中，必须时刻监控施加于内窥镜的介入力 大小，当介入力超过一定阂值后，需要立即停止内窥镜的介入，采取退镜、旋镜 等手法，以免造成医疗事故。为了测量内窥镜介入过程中的介入力大小，设想使 用适当的机械结构配合滑觉传感器来完成。如图2 - 1 4 所示，将介入装置中的抓 手结构设计成为内外两层结构，内外层之间用压缩弹簧连接，内层和外层之间的 摩擦很小。抓手内层用于夹紧内窥镜，抓手外层用于推进内窥镜，推进过程中， 推进力f 通过压缩弹簧传递给抓手内层，在抓手内层和内窥镜之间不产生滑动的 前提下，装置对内窥镜施加的介入力大小即等于f 。力的大小可以通过测量压缩 弹簧的变形量测得。这种方法和前述安装压力传感器的方法相比，较容易实现， 拟在下一步研究工作中展开。 2 6 小结 本章在介绍自动介入系统总体概念的基础上，详细提出了两种内窥镜的介入 方案，即摩擦轮连续介入方案和间隙式介入方案。分析比较两种方案后，认为间 隙式介入机构在功能上更加健全，在原理上更加贴近人的动作，在实际工作中， 对内窥镜的本体伤害较小。因此，最终方案确定为后者。随后针对间隙式介入方 案，提出了相应的控制方案和传感方案。关于间隙式介入装置的详细设计将在后 续章节中展开。 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第三章间隙式介入装置机械本体设计 3 1 引言 本章对内窥镜间隙式介入装置的总体结构进行了设计分析，并且做了详细的 结构设计。设计该装置时的一个原则是：在完成所需动作的前提下，尽量减小机 构尺寸。该机构需要设计三个主要部分，即：夹持手部件设计、推进部件设计和 旋转部件的设计，对各部件都进行了详细设计。最后，对该机构的机械特色进行 了简单介绍。 3 2 夹持手部件设计 本课题中夹持手的主要功能是实现对内窥镜镜体的夹紧。夹持手设计过程 中，也遵循一个原则，即在保证足够夹持力以便介入内窥镜的基础上，尽量减小 夹持手总体尺寸。事实上，夹持手总体尺寸的大小，对整个机构的总体尺寸有着 决定性的影响。夹持手原理上归属于夹紧机构，因此，有必要了解夹紧机构的原 理。 3 2 1 夹紧机构原理及种类 一般夹紧装置是由动力源装置、递力机构和夹紧元件三部分组成。动力源装 置是产生夹紧作用力的装置，如气动、液动、电动等动力装置。递力机构是传力 装置，它把动力源装置的夹紧作用力传递给夹紧元件，从而完成对工件的夹紧。 夹紧元件是夹紧装置的执行元件，通过它和工作受压面的直接接触而完成夹紧作 用。通常，夹紧装置中的递力机构和夹紧元件的组合称为夹紧机构。 夹紧机构按作用原理分有以下几类汹1 ： 1 斜楔夹紧机构。斜楔夹紧机构是利用斜面移动所产生的压力夹紧工件。 在手动夹紧中，楔块往往与其它机构联合使用。斜楔夹紧机构还广泛应 用于气动和液动夹紧装置中。 2 螺旋夹紧机构。螺旋夹紧由于结构简单，夹紧可靠，通用性大，因而在 生产中使用极为普遍。但它存在着夹紧工件和松开工件时费时费力的缺 点，不适用于快速夹紧。 3 偏心夹紧机构。偏心夹紧机构是利用转动中心与几何中心便宜的圆盘或 轴作夹紧元件对工件进行夹紧。这种机构结构简单，制造方便，夹紧方 便，操作方便，在夹具中应用很广。主要的缺点是行程和增力较小，自 锁性较差，故常用于夹紧力不大的场合。 4 铰链夹紧机构。铰链夹紧机构是一种增力机构，由于机构简单，增力倍 数较大，广泛应用于气动夹具中。 5 端面凸轮夹紧机构。利用端面凸轮斜面的楔紧作用，直接或间接夹紧工 件，并具有自锁性能。 6 定心夹紧机构。这种夹紧机构是在实现准确定心或对中的同时夹紧工件 的，是机床夹具中的一种特殊夹紧机构。 7 联动夹紧机构。由一个原始作用力来完成多个夹紧动作的机构称为联动 夹紧机构。 根据以上对夹持手种类的特点以及根据本课题的实际情况，采取了机械联动 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r s1 h e s i so fs h a n g h a lu n v e r s i t y 式夹持手。 3 2 2 夹持手动力源 驱动机械联动式夹持手工作，最后都归结于直线推进动作。能够完成直线推 进动作的动力源很多，例如电力驱动、液压驱动、气动驱动等都可以实现。本课 题研究中，在保证足够推进力的前提下，要尽量减小夹持手的尺寸，正如前面所 述，夹持手的尺寸大小将直接影响整个装置的尺寸。作者总结了几种可行的动力 源方案： 1 直线步进电动机。直线步进电动机可以直接将电能转换成为直线运动机械能， 省去采用一般回转电动机方案中将回转运动转换为直线运动的传动元件，机 械系统简单，机构尺寸取决于电动机的大小。 2 微型气缸驱动。气动执行器是可以将气体压力能转换为机械能的能量转换装 置。气动系统的优点很多，例如：结构简单，易于维护：适应性好，可以在 各种环境下工作；工作寿命长，运行成本低；无污染：具有过载保护功能等。 但是，气动系统用于本课题也存在一定的缺点，例如工作稳定性较差，噪声 大，需要气源系统体积大等。 3 电磁铁驱动。电磁铁可以通过电流的通断控制吸合，由于夹持手仅需实现抓 紧与放松两个动作，因此通过电磁铁的吸合完全可以满足夹持手的动作要求。 电磁铁驱动最大的优点在于结构简单，无需任何传动和辅助机构，另外，体 积相对较小也是电磁铁在本课题研究中脱颖而出的原因。但是，电磁铁也存 在一些自身的缺陷，例如，吸引力很难控制，吸合行程短等。 本课题中，最终选用了电磁铁作为夹持手的动力源。实验结果将在后续章节 中介绍。 3 2 3 本课题所用夹持手机构分析 由于处在初步研究阶段，作者仅设计了具有夹持功能的抓手，前述方案中内 外两层式抓手将在下一步研究工作中展开。作者前后使用了两种夹持手，并进行 了性能实验。一种是连杆杠杆式夹持手，另一种是在现有小型气动抓手的基础上 改造而成。分别介绍如下： 3 2 3 1 连杆杠杆式夹持手 该夹持手的结构原理图如图3 - i 所示。 渤队 hy vy 7 n - - 4 j ，li 盯刊i 7 ￥ 卜推杆2 手腕3 一连杆 4 一手指5 - 工件 图3 - 1 连杆杠杆式夹持手结构原理图 上海大学硕士研究生学位论文 珊m a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 连杆3 的两端分别用圆柱销与手指4 和推杆l 相连，当推杆1 上下运动时， 带动连杆3 使手指4 实现对工件5 的夹紧及松开动作。当连杆3 处于水平位置时， 手指4 的闭合将达到最小的极限夹紧距离。 该机构推力p 和夹紧力n 之间的关系为：p 。2 b s i n f l s i n a 、n 。 as i n ( a + ) 据文献，内窥镜介入过程中的最大推力为4 4 k g 力1 2 6 1 。按最大介入力计算推 力p ，作者在设计该机构时，取a = 2 5 。，卢= 6 5 。根据公式计算推力p ： 尸：型竖巫竺：2 。1 5 5 x s i n 6 5 。x s i n 2 5 。4 4 0 0 = 1 1 1 汗克土 a s i n 缸- i - 仞4 6 7 s i n 9 旷 由于机构放大倍数约为3 ，为保证手抓具有5 - 6 m m 的吸合度，推杆的行程需 要1 5 m m 2 m m 。该夹持手的动力源使用电磁铁，关于电磁铁的使用将在后面章 节详细介绍。 图3 - 2 是按照上述原理设计而成的连杆杠杆式夹持手结构图。图中两个小型 电磁铁通过吸合杆带动夹持手的推杆进行工作。夹持手的连杆手臂通过销钉和推 杆相连，当电磁铁通电时，推进夹持手的连杆手臂，连杆手臂带动手指绕支点转 动，手指夹紧，同时恢复弹簧被压缩变形。反之，当电磁铁断电时，弹簧恢复原 形，推离吸合杆，吸合杆带动连杆手臂，使手指松开。为保证足够的驱动力，用 铁磁性材料加工吸合杆，增加驱动力。本设计采用的是电工纯铁。 手指避杆 螺钉支板手臂支点手指导向杆吸合杆固定支板 ￥一 图3 - 2 连杆杠杆式夹持手结构图 3 2 3 2 气动抓手夹持手 气动抓手一般属于小型操作手，市场上能够购买的气动抓手，采用的机构也 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s r e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 主要是连杆传动式，且尺寸较小，结构简单，反应灵敏。鉴于以上优点，作者在 气动抓手的基础上进行了适当的改造，用于本课题的研究中，效果还是很理想的。 作者所使用的气动抓手的结构原理如图3 - 3 所示。 图3 - 3 气动抓手结构原理图 从该机构的原理图，可以看出机构依靠连杆传动，带动手指在滚动导轨上水 平移动。与连杆杠杆式夹持手相比，手指能够水平移动是最显著的优点，另外， 机构灵敏性也胜过连杆杠杆式。 图3 - 4 是气动抓手改造夹持手结构图。此种方案中，电磁铁通过吸合板带动 气动抓手工作。当电磁铁通电时，吸合板整体垂直向下移动，气动抓手的连杆和 吸合板相连，连杆向下移动时，带动手指收拢，起到夹紧作用，同时，回复弹簧 被压缩变形。反之，电磁铁断电时，受变形的回复弹簧通过导向秆导向恢复到原 始状态，带动导向杆垂直向上移动，使夹持手放松。吸合板制作成弓形，是为了 减小夹持手的整体高度。吸合板的材料使用电工纯铁。根据夹持手指的吸合行程 要求，计算电磁铁的吸合行程，从而选用电磁铁，最终选用了南京凯宁p z t 2 5 型吸盘式电磁铁。图3 5 为该夹持手的实物图。 辅助手 图3 - 4气动抓手改造夹持手整体结构图 上海大学硕士研究生学位论文 里! 坐! 坚：! 婴墅鱼! ! 坚坐型型型幽l 图3 - 5 夹持手实物图 在经过理论分析和一定的实验基础上，比较两种抓手的性能好坏，最终选用 了气动抓手夹持手用于间隙式介入装置中。 3 3 推进部件设计 在使用小型夹持手完成内窥镜的夹持工作以后，需要直线推进内窥镜，最直 接的办法，就是推进夹持手整体前进。 3 3 1 直线传动机构种类 1 皮带传动。皮带传动是靠中问挠性件与带轮间的摩擦力传递运动和动力的， 具有结构简单、维修方便、传动平稳、吸振性好、噪音小、传动中心距较大，有 过载保护作用等优点。但其传动比不太稳定，轴上受力较大，常用于中心距较大 和传动比无严格要求的场合。 2 齿带传动。齿带传动属于一种新型的啮合传动。传动比较大且恒定不变，一 般i = 5 8 ，最大达3 0 ；结构紧凑，中心距可很小；传动速度较高，一般可达2 5 m s ， 最大达8 0 m s ：传动功率的范围也较大，通常可达4 0 k w ，最大达1 0 0 0 k w 。齿带 传动特别适合用于高速传动。 3 丝杠传动。丝杠传动主要是一种将螺旋运动转化为直线运动，同时传递能量