（机械设计及理论专业论文）径向间隙自补偿胶囊微型机器人的研究.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 微型机器人进入人体进行微创介入治疗可减少病人的痛苦、显著缩短康复时间，因 此微创或无创诊疗技术已成为国际上的一个研究前沿与热点。 本文针对螺旋胶囊微型机器人存在的临界间隙现象，提出一种具有径向间隙自补偿 功能的胶囊式微型机器人的研究方案，旨在通过径向间隙自补偿，弥补现有胶囊机器人 的缺陷，显著提高在柔弹性环境中的驱动行走能力。 首先本文对间隙自补偿胶囊微型机器人进行了结构设计，提出由四块连接在同步离 心伸展机构的缠有螺旋肋的配重铜瓦组成胶囊机器入主体、外部包裹乳胶薄膜的技术方 案，驱动原理是在外旋转磁场的磁机耦合作用下，驱动内嵌n d f e b 永磁体内驱动器的胶 囊微型机器人旋转，在螺旋肋与液体产生的动压力作用下，形成胶囊微型机器人的推力； 配重铜瓦的离心力推动微型机器人径向伸展，减小了与管壁的间隙，提高流体动压力， 显著提高了胶囊微型机器人的推动力。 根据纳维一斯托克斯方程和雷诺方程建立了径向偏心情形下胶囊微型机器人在液体 中的运动模型，分析了径向膨胀过程，建立了间隙自补偿动态平衡方程，进而建立了具 有自补偿功能的胶囊微型机器人运动方程，对运动特性进行了计算仿真；分析讨论了螺 旋参数及乳胶薄膜厚度对胶囊微型机器人运动的影响。 然后，建立了胶囊微型机器人在柔弹性环境中行走的数学模型，并对柔弹性环境中 的运动进行了计算仿真，分析讨论了柔弹性壁对微型机器人运动的影响。 最后制作了径向间隙自补偿结构胶囊微型机器人样机，并在有机玻璃管和离体猪大 肠内进行了水平与垂直游动试验，取得了很好的效果。理论计算和试验表明，本文提出 的具有间隙自补偿结构的微型机器人有效的实现了间隙自补偿，显著提高了胶囊微型机 器人的运动效率，在介入诊疗领域具有很好的应用前景。 关键词：胶囊微型机器人；径向间隙自补偿；径向动平衡；运动特性；柔弹性壁 径向间隙自补偿胶囊微西! 机器人的研究 r e s e a r c ho nac a p s u l em i c r o r o b o tw i t ha u t o m a t i cr a d i a l c l e a r a n c ec o m p e n s a t i o n a b s t r a c t m i n i m a l l yi n v a s i v e l yi n t e r v e n t i o n a lt h e r a p ya c c o m p l i s h e db ym i c r or o b o ti n s i d eh u m a n b o d yc a nr e d u c eh e a l i n gt i m ea n da l l e v i a t ep a t i e n t s s u f f e r i n g s ，t h u sm i n i m a l l yi n v a s i v eo r n o n i n v a s i v et r e a t m e n ti sb e c o m i n gar e s e a r c hh o t s p o tb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e rp r o p o s e dac a p s u l em i c r or o b o tw i t ht h ef u n c t i o no fs e l f - c o m p e n s a t i o nf o r r a d i a lc l e a r a n c e ，b yo u rd i s c o v e r yo nt h e “c r i t i c a lg a p ”p h e n o m e n o n 谢t l lt h es p i r a l t y p e c a p s u l em i c r or o b o ti n s i d ep i p e 、析t 1 1l i q u i d ，a i m i n ga te n h a n c i n gi t ss w i m m i n gc a p a c i t y s i g n i f i c a n t l ya n dr e m e d y i n gt h e d e f e c to ft h em i c r or o b o tb ya u t o m a t i cr a d i a lc l e a r a n c e c o m p e n s a t i o n f i r s t l y t h es t r u c t u r eo ft h em i c r o - r o b o t 、撕t l lf u n c t i o no fs e l f - c o m p e n s a t i o nf o rr a d i a l c l e a r a n c ei sd e s i g n e d t h et e c h n i c a lp r e c e p ti sp r o p o s e di nw h i c ht h em a i nb o d yo ft h e c a p s u l em i c r or o b o ti sc o m p o s e do ff o u rc o u n t e r w e i g h t c o p p e rt i l e s w i t l ls p i r a lb l a d e s c o n n e c t e dt oe a c hr a d i a ls y n c h r o n i z e de x t e n d i n gm e c h a n i s m se n c a p s u l a t e dw i t har u b b e r s l e e v e t h ed r i v i n gp r i n c i p l ei st h a t ：a st h ee f f e c to fm a g n e t i s m m a c h i n ec o u p l i n g ，t h ei n n e r a c t u a t o rr o t a t e ss y n c h r o n o u s l y 、析t ht h eo u t e ra c t u a t o rw h i c hh a st h es a m em a g n e t i cp o l e s s t r u c t u r ea st h ei n n e ro n e ；a st h em i c r o - r o b o tr o t a t i n g ，t h es p i r a lb l a d e so nt h ec o p p e rb l o c k s g e n e r a t ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r e ，w h i c hp u s h e st h em i c r or o b o tt om o v e ；m e a n w h i l e ， c e n t r i f u g a lf o r c eg e n e r a t e db yt h ec o p p e rb l o c k sp u s ht h er u b b e rs l e e v et oe x p a n dr a d i a l l y ， a n dt h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h es u r f a c eo ft h em i c r o r o b o ta n dt h ep i p ew a l lr e d u c e s ，t h ef l u i d d y n a m i cp r e s s u r ea n dt h et h r u s ti n c r e a s e b a s e do nn a v i e r - s t o k e se q u a t i o na n d r e y n o l d se q u a t i o n , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e m i c r o - r o b o ts w i m m i n gi nf l u i di se s t a b l i s h e df i r s t l y t h ep r o c e s so ft h ee x p a n s i o no ft h e m i c r o - r o b o ti s a n a l y z e d ， a n dt h ed y n a m i cb a l a n c ee q u a t i o no ft h er a d i a lc l e a r a n c e c o m p e n s a t i o ni se s t a b l i s h e d ，f u r t h e rt h em o t i o ne q u a t i o no ft h em i c r o - r o b o t 谢t l lf u n c t i o no f s e l f - c o m p e n s a t i o nf o rr a d i a l c l e a r a n c ei se s t a b l i s h e da n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si s c o m p u t e da n ds i m u l a t e d t h em o t i o ne q u a t i o no ft h em i c r o r o b o ts w i m m i n gi nf l e x i b l ea n d e l a s t i cp i p ei s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o - r o b o ta r ec o m p m e da n d s i m u l a t e d ，a n dt h ee f f e c to ft h ef l e x i b l ea n de l a s t i cw a l li sa n a l y z e d t h ee f f e c t so ft h em i c r o r o b o t sp a r a m e t e r sa n dt h et h i c k n e s so ft h er u b b e rs l e e v et ot h es w i m m i n gs p e e do ft h em i c r o r o b o ta r ea n a l y z e d 一i i 大连理工人学硕士学位论文 p r o t o t y p e o ft h em i c r o r o b o tw i t hr a d i a lc l e a r a n c e c o m p e n s a t i o n i s f a b r i c a t e d ， e x p e r i m e n t sb o t hi np m m ap i p ea n dp i gi n t e s t i n ea r ec o n d u c t e d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em i c r o - r o b o tw i t hf u n c t i o no fs e l f - c o m p e n s a t i o nf o rr a d i a lc l e a r a n c e c a nc o m p e n s a t et h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h em i c r o - r o b o ta n dp i p ew a l le f f e c t i v e l y ，r e s u l t i n gi n e n h a n c e m e n to fm o t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c a p s u l em i c r o r o b o t ；d y n a m i cb a l a n c e ；r a d i a lc l e a r a n c ec o m p e n s a t i o n ； d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；p i p ew i t hf l e x i b l ea n de l a s t i cw a l l i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：缴遗後衄噬咝巡垫墨塑塑丝 作者签名： 垂亟逸日期：2 丝呈年上月坐日 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 坳囡陵盘巡咝丝垫丝塑望 作者签名：一丝鱼 日期：鲨翌墨年旦月兰旦日 导师签名： 趣型b 人连理工人学硕士学位论文 1 绪论 机器人技术是二十世界人类科学技术，特别是计算机、自动控制技术等现代技术发 展的重要产物之一i l 】。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人 们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机 器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：一种可编程和多功能 的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可 编程动作的专门系统。1 9 5 9 年，美国人约瑟夫英格伯格和乔治德沃尔制造出世界第 一台工业机器人，随后成立了世界第一家机器人制造工厂- l7 n i m a t i o n 公司，英格伯 格也被称为“工业机器人之父”1 2 】。机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表， 它涉及到机械、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高 新技术发展成果的综合集成【3 j 。 机器人的发展大致经历了三个阶段，即三代：第一代为示教再现性机器人，它是通 过一个计算机来控制一个多自由度的机械，通过视角存储程序和信息，工作时把信息读 取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这 种动作，例如汽车的点焊机器人；第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机 器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类 比，有了各种各样的感觉；第三代机器人，也是机器人学中一个理想的所追求的最高级 的阶段，叫智能机器人1 4 1 。经过几十年的发展，机器人已经发展成为了一个庞大的家族。 工业机器人一方面将人从有毒、有害、高温、有危险性的环境和重复性劳动中解放出来， 另一方面也保证了产品质量的稳定性。空间机器人和水下机器人及微型机器人可以帮助 人类探索人类难以到达的未知领域；军事机器人可以代替人类从事有危险性的军事行 动；娱乐机器人丰富了我们的世界。从一个侧面来说，一个国家机器人的发展和应用的 程度可以反映一个国家的科技水平。目前，机器人的研发依然是国际上的一个热点。 随着微电子机械系统( m e m s ) 科学与技术的发展，微型机器人技术应运而生。微 型机器人技术成为m e m s 研究的一个重要方向与内容【5 j 。微型机器人体积小、耗能低， 能进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间，能方便地进行精细操作，方便与m e m s 器件集成与接口，因此，微型机器人系统在现代科技领域有着广泛的应用前景 6 1 。目前， 世界各国正积极地开展机器人微小化的研究。1 9 9 1 年日本通产省资助的“十年计划共 拟定三个研究方向：电厂高级维护系统、微型工厂及医用机械。重点发展能进入狭小空 间作业的微型机器人，能进入人体内腔的医疗微型机器人，以及微型工厂。这项计划共 投资2 5 0 亿日元，2 4 家企业、2 个大基金和3 个国家实验室参与。在美国和欧洲，一些 径向间隙自补偿胶囊微犁机器人的研究 大学和研究机构也在进行管内机器人的研烈7 1 。 微型管内机器人是微型机器人的一个重要分支。在工业上，管道作为一种有效的物 料传输手段得到广泛的应用，例如在发电厂、核设施、化工、供水系统中。微型管道机 器人可以进入到管道中，对管道进行检查、修补等工作。由于空间的限制和相对控制精 度的要求，常规管道机器人按比例缩小是不可行的，即由于常规管道机器人结构复杂， 很难微型化，理论上可以按比例缩小，但机械传动的间隙是受传统加工精度影响的，采 用传统加工精度制造的微型传动链的累积误差相对微管道机器人的控制精度要求和狭 小的作业空间来说是不能接受的，况且目前还不能完全实现复杂的微细加工1 8 j 。因此， 研究微型机器人必须另辟蹊径。 在人体中，消化道、遍布人体全身的血管和淋巴管都可以看作成“管道。微型机 器人可以进入到人体的消化道、血管及淋巴管中，对产生病变的部位进行检查、施药以 及手术。因此，体内微型机器人也可以看作是一种微型管内机器人。目前，国内外正在 研制和开发体内微型医疗机器人。这种体内微型医疗机器人一旦研究成功并投入使用， 将对医学工程产生重大影响。体内微型医疗机器人又有别于常规的微型管道机器人。体 内微型管道机器人的工作环境是人体内部的“管道 ，如血管、肠道等。而肠道、血管 则是由柔弹性的、非均匀管壁构成，管道内部充满粘性的液体，其环境要比常规微型管 道机器人的工作环境要复杂。此外，由于是在人体内工作，就要求体内微型机器人在工 作时不能对人体的组织造成损伤。人体的这些“管道 中充满了各种液体，因此可以通 过这种液体为媒介，实现体内微型机器人在人体内的非接触式运动。液体中泳动微型机 器人的研究将为体内微型机器人提供一种更重要的形式，同时微血管机器人的研究提供 基础1 9 。 随着微机电系统的发展，其必将大规模用于医疗及外科手术，使诊断治疗进入一个 崭新的阶段。研究表明，外径尺寸小于3 0 m a l 的微小游动机器人，可以通过注射植入血 管内。它可将血管淤积或漂浮的胆固醇、脂肪从血管内壁剥离并处理成为微小颗粒，以 便吸收或排除体外，还可以对病变部位进行喷药。同病毒相遇时，它们会将病毒杀死。 科学家有关体内游动微小机器人的这些大胆设想，随着微机电技术的发展，正逐步地走 向现实【l0 1 。德国已经成功研制了一种体内微型机器人。德国伊斯堡的赖纳格岑成功研 制了一种只有针头大小、人眼几乎无法看到的微型机器人。这种机器人可以随着医生给 病人体循环系统注射的一种溶液，进入人的血管，并在其中游弋，修补有缺损的细胞， 从而挽救病人的生命。这种机器人可以在人体内运动，把药物送到需要治疗的器官里， 其航线总长可达1 5 0 0 k m 。它还可以装载某些特殊药品，直接驶向肿瘤区域，使治疗癌 大连理： 大学硕士学位论文 症的药物准确地在癌症部位发生作用，而不损伤身体其他部位。该机器人上的刀具还可 以粉碎膀胱和肾里的结石，并帮助将结石碎片排除体外【l 。目前世界上已经商业化使用 的胶囊式内窥镜是胶囊式微型机器人的雏形，最具代表性的是以色列g i v e ni m a g i n g 公 司的胶囊式内窥镜。2 0 0 0 年以色列g i v e ni m a g i n g 公司的g a v f i e li d d a n 和英国皇家伦敦 医院的p a u ls w a i n 等人推出了一种胶囊式内窥镜引。这种内窥镜是一个可吞食的摄像 头，可以在体内工作时向体外发射信号，由体外的接收装置接收。这种胶囊式内窥镜可 以传输清晰的彩色图像，并可检查常规内窥镜无法检查的小肠。之后的2 0 0 1 年，g i v e n i m a g i n g 公司推出的g i v e nm 2 a 型胶囊式内窥镜通过美国食品药物管理局的认证，在 2 0 0 1 年8 月核准上市，已经在世界范围内得到了广泛的应用l l3 1 。m 2 a 主要由无线胶囊、 便携式图像接收装置、电池和计算机组成。无线胶囊大小约1 1x 2 7 m m ，重约4 9 。胶囊 前端内置短焦镜头、白光二极管、c m o s 摄像头，中部为电池，尾部为发射器和天线。 接受检查时，使用者佩戴用于接收从胶囊内窥镜传出信号的装置，胶囊内窥镜随着肠胃 蠕动而前进，每秒2 幅的频率拍摄并向外传输信号。通过计算机，可以看到胶囊内窥镜 拍摄的肠胃内部的状况u 训。在第一代胶囊内窥镜m 2 a 发展数年后，2 0 0 4 年g i v e ni m a g i n g 又推出了用于检查小肠的胶囊内窥镜p i l l c a ms b 和用于检查食道的胶囊内窥镜p i l l c a m e s o ，这两项产品也于2 0 0 4 年1 0 月通过了美国食品药物管理局的认证获准上市。g i v e n i m a g i n g 公司还开发了用于检查胃肠道畅通情况的a g i l e 和检查结肠的p i l l c a mc o l o n 1 5 j 。 随后日本的o l y m p u sm e d i c a ls y s t e m 公司研制了e n d oc a p s u l e 胶囊内窥镜i l 引、r fs y s t e m 公司研制了n o f i k a v3 和s a y a k a 胶囊内窥镜【l 丌，以及重庆金山科技( 集团) 有限公司的 o m o m 胶囊内镜【l m 等。 上面所提到的胶囊内窥镜可以观察到肠道内部的病变情况，避免了使用传统内窥镜 给患者带来的痛苦。但是这些胶囊内窥镜都是通过胃肠蠕动推动其在消化道内行走，还 不能算是真正意义上的机器人。研制出在人体管道内自由游动的微型机器人将具有重要 的意义和应用价值。人体中布满血管、淋巴管以及肠道等组织，理论上来讲，微型机器 人可以通过血管到达人体的任何部位。微型机器人可以在人体中进行检查、投药和手术 等医疗作业。由微型机器人进行医疗作业，可以通过人体自然开口，如口腔等部位进入 人体，利用人体管腔和液体作为介质行走。这样，不用在人体上切口，或切口很小，可 以减少对其他组织的伤害，缩短康复时间，减轻医护人员和患者的心理和生理上的压力。 从目前的研究来看，国内外研制了各种不同种类的微型机器人，但这些机器人尚处于实 验室阶段，距离使用还有差距。 张_ 洲| | ：( t 3 补偿脞囊微型目l 器人的究 微型医疗机器人的研究现状 111 胃肠蠕动推进式胶囊内窥镜 最早开始提出胶囊式内窥镜的是以色州的科学家g a v r i e l i d d a n ，g a v r i e l m e r o n 等人。 1 9 9 2 年，在自已经历了结肠镜榆盘_ l l = i ，i d d a n 博士产生了一个想法，就是吞入一个微型 的“导弹”，随着这个“导弹”在肠道中行进拍摄肠道的图像。1 9 9 4 年，通过使用晶衲 的原型样机在动物组织巾进行的图像传输试验成果，i d d a n 领导【；| 勺【：；h 队申清了一些号利。 同年，萸国皇家伦敦医院的p a u ls w a i ni 鱼在罔际胃肠病学会议l 提 了无线内窥镜的可 能性，并在随后的1 9 9 5 和1 9 9 6 午制作小了无线内窥镜的原型。1 9 9 7 年初，以色列的研 究卦l 取得了突破性的进展，研制出了适用于胶囊式内窥镜的c m o s 装置。1 9 9 8 年g i v e n i m a g i n g 公司成立，同年，p a u ls w a i n 加入该公司。2 0 0 0 年，g i v e n i m a g i n g 公司推出了 第代的胶囊式内窥镜m 2 a ，该胶囊尺寸为l i 2 7 m m ，重约4 9 ，视野范围1 4 0 。，放 大倍率1 ：8 ，最小分辨物小r01 m m ；其内部包含c m o s 传感器、无线通讯装置和门 光l e d 等l ，如图11 所示。2 0 0 0 年，g i v e ni m a g i n g 公司在n a t u r e 上发表了鹾胶囊内 窥镜及其拍摄的清晰照片，引起了广泛关注i l “。之后，在m 2 a 的基础之上，g i v e l l i m a g i n g 公司又研制了用于检查小肠的胶囊内窥镜p i l l e a ms b ，用于检查食道的胶囊内窥镜 p i l l c a me s o ，用于检查胃肠道畅通情况的a g i l e 以及检查结肠的p i l l c a mc o l o n ，如图 12 所示。g i v e ni m a g i n g 公司的胶囊内窥镜部分已经通过了美国食品药品管理局的认证， 投入临床应用。患者吞下胶囊内窥镜后可以照常进行生活_ 作，胶囊内窥镜在体内随着 胃肠的蠕动而行进，同时把拍摄到的图像通过无线信号传输到病人携带的特殊腰带上， 然后将图像f 载到计算机上供医生参考，6 - - 8 小时后，胶囊内窥镜将排出体外i l 。 基黪 。缸 ：世 图1im 2 a 胶囊内窥镜 f i g 1 1m 2 a w i r e l e s sc a p s u l ee n d o s c o p e 人连理1 人学硕 学位论文 图i2p i l l e a m 系刘胶囊内窥镜 f i g i2p i l l c a mw i r e l e s sc a p s u l ee n d o s c o p e h 本的o l y m p u s m e d i c a ls y s t e m 公叫干2 0 0 5 年推出了e n d oc a p s u l e 胶囊内窥镜， 尺寸为11x 2 6 m m 6 1 ，如图l3 所示。e n d oc a p s u l e 与p i l l c a m 系列的结构和工作方式相 似，但是e n d o c a p s u l e 可以根据环境的不同自动调节照明灯光的亮度，而且可以实现寅 叫观察。 参j 。 翻i3 e n d oc a p s u l e 胶囊山窥镜及信号接收装置 f i g i3 e n d o c a p s u l e w i r e l e s sc a p s u l ee n d o s c o p ea n d i t ss i g n a lr e c e i v i n gd e v i c e 开本的r fs y s t e m 实验室推出了n o r i k a 3 胶囊式内窥镜该内窥镜可以实时对患者 消化道的情况进行观察并叫以通过磁场对胶囊进行姿态调整，敏感度有很大的提高。 2 0 0 5 年1 2 月，r fs y s t e m 实验室又推出了新一代的胶囊式内窥镜s a y a l = 0 ”1 ，如罔 梧向州隙口补偿股嚣微4 帅i 器人的岍究 l4 所示。s a y a k a 的摄像装n 位于胶囊的侧面，并且在其头部装冉水磁怍、内部装有电 磁体，可以存外加磁场的作用f 旋转，增大了观察的范围。 图14s a y a k a 胶囊内窥镜 f i g 14 s a y a k a w i r e l e s sc a p s u l ee n d o s c o p e 韩国的i n t e l l i g e n t m i c r o s y s t e m c e n m r 研制了一种称为m i r o # l 的微型胶囊式内窥 镜”o l ，如图1 5 所示。该胶囊内窥镜的尺寸为1 0 2 5 m m ，m i r o # 1 的结构和工作原理 与p i l l c a m 系列胶囊内窥镜相似。与p i l l c a m 系列胶囊内窥镜相比，m i r o # 1 的分辨率更 高，体积也较小，同时信号传输方式也有改进。工作时，m i r o # i 将信号传输到使用者 穿戴的马甲上，再通过马甲传送到p d a 或p c 上，实现实时的观察。 图15m i r o # l 胶囊内窥镜 f 塘l5 m i r o # 1w i r e l e s sc a p s u l ee n d o s c o p e ， | i 吖- 人连理j 人学项十学位论文 2 0 0 6 年6 月，重庆金山科技( 集团) 有限公叫成功研制了智能胶囊o m o m ，如图 16 所示。该胶囊小j 为1 3 2 97 r a m 。智能胶囊随胃肠蠕动在人体中运行，拍摄下肠道 的情况，并将图像发射到一个类似丁马甲的装置上并记录下来。之后将记录装置内存储 的图像资料传输到电脑中，供医生参考。o m o m 己产业化并投入临床使用【2 ”。 务 图l6o m o m 胶囊内窥镜系统 f i g l6t h es y s l e mo f o m o m w i r e l e s sc a p s u l e e n d o s c o p e 胶囊式内窥镜存在的问题： ( 1 )诊断时间较匠。胶囊式内窥镜是依靠肠道的蠕动而运动的，这样检查一次需 要6 8 个小时，并且采集的图片较多，对图片处理也需要很睦时问。 ( 2 )病灶处不易判断。对于传统的内窥镜来说，可以从不同的角度反复的观察可 疑的病灶部位。胶囊式内窥镜经过病灶部位后，不能重复观察，并且其摄像头的分辨率 也不及光学仪器。 ( 3 )存在风险。胶囊式内窥镜在人体内进行检查时，可能会在一些病变部位或狭 窄部位卡住，而且胶囊式内窥镜一旦破裂其内部的电池等物质也可能对人体产生危害。 从严格意义上来说，胶囊式内窥镜只能随胃肠蠕动被动的运动，不能算是机器人， 但是为体内医疗微型机器人的发展奠定了基础。 释_ 问隙f 】补偿】l = ：= 囊微g 机嚣人的”究 112 仿生蠕动式微型机器人 蠕动是蛇、蚯蚓、尺蠖等动物的运动方式，蠕动式微型机器人的行走原 q 就是模仿 这些动物的运动方式。美国加州大学圣巴巴拉分校的k o j i l k u t a 在1 9 8 8 年首先提出了以 蠕动式自主 j 窥镜机器人系统代替传统的内窥镜的没想。之后，根据蛇的运动原理，k o j i i k u t a 研制出以s a m 形状记忆合余为驱动器的蛇形仿生机器人，并在上面集成了也忆合 金的微型夹持装拦f ，如图l7 所不。 图i7 蛇形仿生机器人 f i g i7s n a k el i k eb i o n i cr o b o t 阿奉同山大学的s h u i e h iw a k i m o t o 等人研制了一种用于探查坌i | 小管道的蛇形机器人 1 2 3 。改机器人利用柔性为驱动器进行驱动，并使用了一种用电机驱动的连杆机构。图 18 所示为该机器人的运动方式。 图i8 细小管内蛇形仿生机器人 f i g1 8 s n a k e l l k e b i o n i cr o b o t i ns m a l lp i p e 大连理i 人学硕 ：学伟论文 1 9 9 6 年，意大利的p d a r i o 等和比利时l e u v e n 大学的jp e i r s 等提出了一种有自推 进能力的内窥镜，法内窥镜机器人的运动是仿尺蠖运动。1 9 9 8 年，比利时的jp e i r s 等 人对该机器人系统进行更深入的研究，重点对机器人的驱动、肠壁央紧方洼和人机交瓦 几面对方面进行研究。1 9 9 9 年，陵研究小组提出了带转向装置的内窥镜机器人，其运动 激励采用尺蠖式【“i 。 气量泰蟪鞋端喀蝻啦特粕，捆气芋l 舡业】县和埘慷帆 刚19 尺蠖蠕动式内窥镜微掣机器人 f i g 19 e n d o s c o p i c m i c r or o b o ts q u i r m i n ga s l o o p e r 在实验中，d a r i o 等人意泌到，肠道可能会随着微型机器人的渊长和缩短同步的运 动，这样微型机器人就不能运动。他们研制了新的样机政变了加持机构和伸长机构并 进行了实验，取得了很好的效果【”i ，如图11 0 所示。 c l a m p i n g m e c h a n i s m e l o n g a t i o n m e c h a n i s m 幽ii o 改进的尺蠖蠕动式内窥镜微口机器人 f i g 11 0 i m p r o v e de n d o s c o p i c m i c r or o b o ts q u i r m i n ga s l o o p e r 藿 往向间隙n 补偿脞囊微1 0 机 _ | 人的研究 香港中文大学的x i a o n aw a n g , 和m a xq hm e n g 研制了种仿尺蠖式移动的微型机 器人1 2 6 1 。浚微型机器人的目的是作为胶囊内窥镜的载体，尺寸为1 2 x3 7 m m 。由头部， 挡盘，活塞，螺线管，聚合物圆锥和水磁体组成。在头部安装摄像头，灯光和无线传输 电路等，如图11 1 所示。 削i1 l 尺蠖蠕动式山窥镜微掣机器人 f i g i i 】e n d o s c o p i c m i c r or o b o ls q u i r m i n ga s l o o p e r 运动过程如罔l1 2 所示( o ) 为螺线管中没有电流的情况，( 1 ) ( 3 ) 表示的是 交变电流在一个周期内，微型机器人的运动情况。( 1 ) 螺旋管通电叫产生磁场，螺旋 管与永磁体相吸引，由于螺线管产生的摩擦力比聚合物吲锥帕摩擦力要大，聚合物同锥 向螺线管方向移动。当电流方向相反时，螺线管与水磁体相排斥，此时聚合物圆锥和螺 线管产生的摩擦山都与( 1 ) 时相反，对于聚合物圆锥求说，此时产生的摩擦力比螺线 管产生的摩擦力大，因此聚合物圆锥不动，螺线管移动。从而完成一个运动周期。( 2 ) 圆锥产生摩擦力比( 1 ) 大，在原文中有推导。 ( 2 1 ( 3j 图i1 2 尺蠖蠕动式内窥镜微刑机器人的运动过判 f i g i1 2t h em o t i o np r o c e s so f t h ee n d o s c o p i cm i c r or o b o ts q u i r m i n g 勰l o o p e r 人连鲤大学硕+ 学伉论文 上海变通大学电子信息学院精密工程及智能微系统研究所研制了一种基于直流电 机的直线驰动仿蚯蚓蠕动的无缆式微机描人内窥镜。苴尺、j 为1 05 x 2 0 m m 。微型机器人 使用无线模块来实现能量的无线传输和控制的无线通信。该模块的尺寸为1 05 x 8 m m ， 可以给机器人提供5 0 0 m w 的直流功率。位于机器人头舱的视频模块可记录肠道内的图 像，并实时发送到p c 机进行保存和处理。该微型机器人具有三个驱动器，随着电机的 转动，驱动器按顺序移动，从而产生类似十蚯蚓的蠕动。在猪肠内进行了行走实验，行 走效果较好口”如图11 3 所示。之后，存此基础卜，又设计、研制了一种具有柔性关节 的微型机器人，实现了微型机器人的转弯8 “，如图11 4 所示。谖机器人由电机、减速器、 丝杠、弹性膜套等维成。在机器人的头部可以安装摄像头、p h 传感器和压力传感器等。 图像传输、照明光源和手术激光都出微型机器人尾部的光纤传导。由于浚机器人的各段 驱动器之间由联轴器连接，微型机器人可以实现任意方向的移动。 fl t 一” 、= ， 、l 二。- ：j 圈113 蚯蚓蠕动式内窥镜微型机器人 f i g i13 e n d o s c o p i c m i c r or o b o ts q u i r m i n ga se a r t h w o r m i i l i i l ! l ! ! l l ! ! l ：燮? 鬯j ? ”耀凶 图11 4 可以任意方向移动的蚯蚓蠕动式内窥镜微型机器人 f i g 11 4 e n d o s c o p i c m i c r or o b o ts q u i r m i n ga s e a r t h w o r m t h a tc a l l m o v e l 0a n y d i r e c t i o n 韩国航空航天大学航空航天与机械工程系的j i n w a nl i r n ，h y u n j u np a r k ，s u n m o o m o o n 等人研制了一种用于小尺寸管内观察的气动蠕虫式微型机器人i “1 ，如图l1 5 所 示。该微型机器人丰要由可伸眭的主体和两端的央钳组成。通过气管向微型机器人中充 释i 间】蝣! 自补偿腔囊微4 1 机器人的研究 气和抽气。微犁机器人工作时，按照一定顺序控制| j 寸、后端部央钳的运动和土体部分的 伸缩运动，就可以实现蠕动前进。 嘲1i5 尺蠖蠕动式微型机器 f i g i1 5 e n d o s c o p i c m i c r o m b o | s q u l m l i n ga s i n c h w o r m 蠕动式机器人可以有效地控制其行走，但其行走足依靠摩擦力的接触式行走，一方 面，由于肠道巾有各种液体分泌物，相当干起丁润滑作用，对蠕动式行走的效率有很大 影响；另一方面接触式行走直接作用于肠道内壁，会使人体感到不适，甚至町能产生新 的伤害。 113 足式微型机器人 意大利比萨s c u o l as u p e r i o r es a n t a n n a 微工程实验室研究中心的m a r c o q u i r i n i 等 人提出并研制了一种利用腿进行行走的微型机器人口“如罔i1 6 所示。该微型机器人 的丰体上沿周向均匀分布着四条可以仲展和缩回的腿：在微型机器人的前端部安装有照 明和视觉系统；微型机器人的前端部还安装有个气球，用于防止微型机器人在运动时 滑动并可以将肠道撑开，以利于微型机器人的行走。m a r c oq u i r i n i 等人设计并研制了不 同形状的驱动腿，并在设计微型机器人的驱动腿时对驱动腿与肠道之间的作用力进行了 计算，以防止微型机器人与肠道之间产生的力过大从而对肠道粘膜产生伤害。m a r c o q u i r i n i 等人经微型机器人安装上不同形状的驱动腿在离体猪肠内径进行了试验，以分 析不同形状的驱动腿对微型机器人运动速度的影响。 该微型机器人是欧盟委员会资助的v e c t o r 项目的一部分。v e c t o r 项目的目的 是利用微技术和纳米技术研制一种智能胶囊内窥镜机器人p ”。该项目旨在研究开发一种 小型的胶囊机器人用于人体肠道内疾病的诊断与治疗。一共有1 9 家企业和研究组织 参与该项目。 人造理i ，人学硕十学忙论文 图11 6 四勰胶囊微型机器人 f i g 11 6 f o u rl e g g e dc a p s u l em i c r or o b o t 韩国科学技术研究院微系统研究中心的h y u n j u np a r k ，s u n g j i np a r k 和e u i s u n g y o o n 等人研制了一种靠四腿移动的微型机器人p “，如图11 7 所示。微型机器人主要由 微型电动机、螺杆和连接在圆柱螺母上的四条驱动腿组成。微型电动机驱动螺杆转动， 驱动圆柱螺母沿微型机器人的轴向运动。微型机器人的四条驱动腿可以在圆柱螺母的槽 内滑动。当微型电动机驱动圆柱形螺母向左移动时，驱动腿与管壁之间的作用力使驱动 腿收缩，微型机器人主体相对管壁不动，驱动腿随着圆柱螺母相对微型机器人主体向左 运动；当微型电动机驱动圆柱彤螺母向右移动时，驱动腿与管壁之自j 的作用力使驱动腿 张开，则圆柱螺母和驱动腿相对管壁不动，微型机器人的主体向左移动。以此往复运动， 驱动微型机器人沿轴线方向运动。 幽 i 皇叠妇_ 黛 k d i c r wi m 图1 】7 四腿胶囊微型机器人 f i gi1 7 f o u rl e g g e dc a p s u l em i c r or o b o t 释删词隙自补偿脞囊礅l o 机器人的研究 114 仿生游动式微型机器人 以色列工程技术学院的g i b o r k 6 s a i 以色列海法r a m b a m 医疗中心神绎外科部的 m e n a s h ez a a r o o r 提出并研制了一种游动微型机器人口圳，如图11 8 所示。该微型机器人 主要由三部分组成：负载、动力源和驱动器。该微型机器人利用压电原理，驱动尾部驱 动器振动，迫使液体产生波动，推动微型机器人运动。之后，g 曲o r k 6 s a 等人对该微型 机器人的尾部驱动器的结构进行了分析和优化，改进的微型机器人的游动速度可以达到 1 0 m m s 。 图i1 8 游动微型机器人 f i gi 1 8 s w i m m i n gm i c r or o b o t 哈尔滨工程大学的x i u f e n y e ，s h i z h a o x u s h u x i a n g g u o 等人研制了一种以i c p f 作为尾鳍的微型游动机器人【”i ，如图11 9 所示。为减小液体的阻力，浚微型机器人的主 体部分为流线型，外部的交流信号为微型机器人的移动提供能源，电压为2 1 0 v ，频率 为05 2 h z 。 。“。 圈1 1