（机械电子工程专业论文）微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析.pdf

一 l 1 n a n j i n gu n i v e r s i t ) ，o f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 帅f f | i 川f f j 删 y 1 8 2 5 314 c o n t r o ls y s t e md e s i g n i n ga n d c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a n a l y s i so n t h ei n t e l v e n t i o n a lm i c r o r o b o t a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y y _ a n gp e n g f e i a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f c h e n b a i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：柳e 日 期：纠 本学位论文的主要研究内容受国家自然科学基金项目 资助 国家自然科学基金项目 项目名称：无损伤仿生体内定点介入诊疗机器人研究 项目批准号：5 0 6 0 5 0 3 3 ( 2 0 0 7 卜2 0 0 9 1 2 ) 【一 t 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 用于微创、无创手术的仿生介入诊疗机器人的开发已经成为国际医疗器械行业的热门课题。 本文在对腹足动物运动原理研究的基础上，提出一种全新的定点介入诊疗机器人。该机器人利 用磁流变液在磁场作用下流变特性的变化，模拟腹足动物分泌液的“固化粘合”功能，并通过 在机体与管腔间形成的动压润滑效应模拟粘液的“液化润滑”功能，从而使机器人前后两个舱 体在同一时刻所受环境管壁的摩擦力产生很大的差异；同时，该机器人利用步进电机的直线输 出轴模拟腹足动物足面肌肉的轴向波动。随着步进电机的输出轴的周期性伸张与收缩，机器人 实现前进与后退：当步进电机的输出轴伸缩过程中，利用两机体间在圆周上均匀分布的3 个弹 簧来实现转弯功能。 论文首先在仿生学的基础上，提出介入诊疗微机器人的结构设计方案，并对机器人的转向 机理进行了动力学建模分析，利用m a t h e m a t i c a 对机器人的转向进行仿真分析。 其次，建立了机器人模拟动脉环境数学模型、肠道蠕动模型以及机器人在血管中的受力模 型，分析运行环境对机器人的影响。结合理论分析数据和结构设计特点，对机器人控制系统进 行设计，制定控制方案。 最后，对磁流变液包的啮合能力和s m a ( s h a p em e m o 哕a l l o y s ) 丝的加热变形能力进行了实 验分析；构建了模拟环境实验台，对机器人综合性能进行实验研究。结果表明，机器人驱动方 法切实可行，能有效抗击流体冲击，并能实现被动转向功能。 关键词：仿生学，介入，磁流变液，s m a ，动脉，蠕动模型 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 a b s t r a c t t h ei m e r v e n t i o n a lm i c r o r o b o t sw h i c hc 锄b el l s 屺df o rm i n i - i n v a s i v eo rn o n i n v 弱i v et h e r a p y h a v eb e c o m eah o tt o p i ci i lt h ef i e l do fi l l t e m a t i o n a lm e d i c a id e v i c ei n d u s t 拶o nt h eb 嬲i so fg t u d y i n g t h ep r i n c i p l e so fg 弱仃( ) p o d sm o v e m e n t ，廿l i sp a p e rp r o p o s e san e wi n t e r v e n t i o n 仃e a 伽tr o b o t t | l i s r o b o tu t i l i z e st h ec h 锄g e so fr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm a g n 咖r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) w h e ni ti s u n d e rt h ei n n u e n c eo fa d d i t i o 眦lm a g i l e t i cf i e l dt 0s i m u l a t et h ec o h e s i o nf h i l c t i o no fg a s 仃o p o d s m u c u s a n dt h eh y d r o d y n 锄i cl u b r i c a t i o ne f f l e c th a sb nf o r m e db e t w nt l l eb o d yo f t h em i c r 0m b o t 锄dt h ei u m 明t os i i t i u l a t et 1 1 em u c t l s l u b r i c 砒i o n 劬c t i o n n e r e f o r e ，l a r g ed i 跪r e n c e so f t h e 仔i c t i o n f o r c eb e t 、v e t h ec a b i nl h l i ta n dt i l ep m p u l s i v eu n i to ft h em b o tc o m e si n t ob e 协gs i i i l u l t a r i e o u s l y i i i a d d i t i o n ，t i l el i n e 盯s h a ro fs t e p p e rm o t o ri su s e dt 0s i n l u l a t e l e 觚i a im o v e m to ft l l eg a 咖p o d s p e d a im u s c l e s i ft h em a g n e t i c f i e l d sa r ec o n t r o l i e dt oa 侬赋t h em r f sr h e o l o g i c a ip r o p e r t i e s p e r i o d i c a l l ya l o n gw i mt h es h a 彤se l o n g a t i r i g 锄ds l l r i n k i n g ，t h em i c r 0r o b o tw i na c h i e v ef o n v a r d l o c o m o t i o no rb a c b 忱r dl o c o m o t i o n t h et u m 劬c t i o nh 嬲b e 宅na c h i e v e db y3s p r i r 译w i t hc i r c u i 盯 u n i f o 订nd i s t r i b u t i o nb e t 、v e e nt h et 、v ob o d i e s t h ep 印e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t m c t u l r ed e s i g i lo ft 1 1 em i c r o r o b o tb 瓠e do nt h eb i o n i cm e o 阱 a n dt h e nt h em b o t st u m 访gm c c h a n i s mi sm o d e l e d i nm es o f tm a t h e m a t i c a ，t h es t a t eo ft h er o bo t i s t u m i n gf u n c t i o ni sa l s 0s i m u l a t e d s e c o n d i y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t l l ea r t e r i a l 饥v i r o l l i t l e 鸭m ei n t e s t i n a ip 丽s t a l s i sm o d e l 柚d t i l em b o t sm o d e li l lb l o o dv e s s e l sa r eb u i l tt 0 狮a l y z em ee f f e c t so fo p e r a t i n ge 州m m n e n tt ot 1 1 e i i l t e r v e n t i o n a lr o b o t a r e rc o m b i n i l l g l ed a 舾锄d 蛐r l l c t u r a ld e s i g n ，t h er o b o tc o n 仃o ls y s t e m 锄d c o n t r o lp r o 舒a m sa r ed e s i g n e d n e x t ，t h er e s e a r c h 铲o u pc a r r i e so u t l ee x p e r i m e n t a ls t l j d y o fm a g n e t o - r h e o l o g i c a if l u i d p a c k a g e sm e s h i n gc 印a c 时a n ds m aw i r e sh o td e f o m a t i o na b i l i 姚卸dt i l e ne s t a b l i s h e sal a b o r a t o r y b e n c h o fs i m u l a t i o ne n v i r o n i i l e n tt od e b u ga n dt oi r i l p r o v em er o b o tc o n 打o lp r o 伊a m t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ei n t e 可a t e dr o b o ts h o w s 也a tr o b o t - d r i v e nm e t h o di sf 醯s i b l e 锄dc 锄 e 行e c t i v e i yc o m b a tt h ei n l p a c to f f l u i da n dc 锄a c h i e v et l l ep 鹊s i v e 咖i n gm n c t i o n k e y w o r d s ：b i o n i c s ，i 1 1 _ t e r v e n t i o n ，m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ，s m a ，a r t e r i e s ，p e r i s t a l t i cm o d e i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 介入诊疗机器人研究现状及分析2 1 2 1 被动式胶囊类机器人。2 1 2 2 主动式自治机器人3 1 3 介入机器人现存的主要问题7 1 3 1 机器人的牵引方式问题7 1 3 2 机器人运动与肠道组织的问题7 1 3 3 驱动器的相关问题8 1 3 4 系统安全性和可靠性8 1 4 本文的研究内容9 第二章微型介入机器人系统设计1 0 2 1 腹足纲软体动物运动机理1 0 2 2 仿生介入机器人的结构设计l1 2 3 微型介入机器人驱动原理1 2 2 3 1 微型介入机器人的直线运动原理1 2 2 3 2 微型介入机器人的转向原理1 3 2 3 2 1 微型介入机器人转向机构。1 3 2 3 2 2 微型介入机器人转向的运动学分析1 4 2 - 3 2 3 机器人转向性能仿真分析。l5 2 4 本章小结l8 第三章介入机器人及其运行环境建模1 9 3 1 血管环境的建模1 9 3 1 1 典型主动脉环境分析与建模简化1 9 3 1 2 血管中的脉动流数值分析2 l 3 2 肠道环境的建模2 3 3 2 1 肠道机械活动2 3 3 2 2 肠道的数值模拟分析2 4 3 3 机器人在血管中的受力模型2 6 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 3 4 本章小结2 8 第四章机器人控制电路设计和软件设计2 9 4 1 机器人控制系统设计2 9 4 1 1 电路模块的设计2 9 4 2 控制方案和软件设计3 3 4 2 1 机器人控制系统3 3 南京航空航天大学硕士学位论文 图目录 图1 1m 2 a 胶囊内窥镜2 图1 2n o r i k a 3 胶囊内窥镜2 图1 3 双工通信胶囊内窥镜3 图1 4p h p 胶囊镜3 图1 5 肠道介入系统。3 图1 6 机器人结肠镜样机3 图1 7 胶囊医疗微型机器人4 图1 8 爬行照相机胶囊4 图1 9 仿尺蠖型机器人驱动原理示意图5 图1 1 0 仿蚯蚓胶囊式机器人驱动机构图5 图1 1l 基于螺旋密封原理的无损伤内窥镜机器人6 图1 1 2 铁磁橡胶作致动器的微机器人6 图1 1 3 差动杠杆放大原理驱动的微机器人6 图1 1 4 仿蝌蚪与螺旋的微型机器人6 图2 1 腹足纲动物分泌的粘液特性10 图2 2 微型介入机器人外部结构示意图l l 图2 3 微型介入机器人内部结构示意图l l 图2 5s m a 弹簧和十字关节端面上的布局1 3 图2 6 十字关节的装配结构图1 3 图2 7s m a 弹簧和十字关节简化模型图与连杆坐标系1 3 图2 8 转向机构在m a t h e m a t i c a 中的模型1 6 图2 9 模型转向的状态图1 6 图2 1 03 个s m a 长度乩随时间的变化曲线一1 7 图2 1 l 角度卢l 、屈联动时，3 个s m a 长度睨的变化曲面1 7 图3 1 血管内脉动流轴向速度“的剖面与血管内径尺的关系图2 2 图3 2 血管内脉动流轴向速度“剖面与心率厂的关系图2 2 图3 3 肠道运动等效形状图2 3 图3 4 肠道单元受力图2 3 图3 5 肠道蠕动径向变形图2 5 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 图3 6 肠段中点处( z = 2 0 m m ) 径向蠕动量随时间“0 1 5 s ) 的变化2 5 图3 7 机器人在血管中运动时的受力状况2 6 图3 8 机器人迎液面上的冲击力凡与f 的关系图2 7 图4 1 微型机器人控制系统结构图2 9 图4 2n 褂砣4 0 1 功能模块结构图3 0 图4 3 无线模块的接口电路图3 l 图4 4 微型介入机器人系统实物图3 3 图4 5 机器人控制系统的结构图3 4 图4 6 微型机器人前进控制时序图3 4 图4 7 下位单片机的软件框图3 5 图4 8 上位单片机的软件框图3 6 图4 9p c 机的软件框图3 6 图4 1 0p c 机的软件的界面3 7 图4 1 lp c 机的软件报表界面3 7 图5 1 微型介入诊疗机器人样机3 9 图5 2 磁流变液膜和管壁啮合图3 9 图5 3 管壁轴向剖面及相关特性参数定义4 0 图5 4 电压和接触面类型对比值o 的影响4 1 图5 5 实验系统结构图4 2 图5 6 通电时间与s m a 丝长度变化关系4 2 图5 7 动脉环境模拟实验台4 3 图5 8 动脉环境模拟实验台实物图4 4 图5 9 模拟肠道环境实验用波纹管4 4 图5 1 0 控制软件运行界面图。4 5 图5 1 1 机器人运行速度和步进电机往复运动行程的关系曲线。4 5 图5 1 2 机器人运行速度和步进电机旋转速度关系曲线4 6 图5 1 3 机器人机体的运行状态在报表中的时间位移曲线图4 6 图6 1 一个微型发电机原理图5 0 图6 2 微型发电机的总体结构图5 0 图6 3 带发电装置的机器人在流体环境中运动示意图5 1 图6 4 微型发电机的原理验证样机实物图5 l 南京航空航天大学硕士学位论文 表目录 表2 1 微型介入机器人的转向模型的连杆参数1 4 表6 1 输出功率与水速及水轮直径的关系4 9 r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 人类一直在与疾病的抗争中取得社会进步。如何有效地治疗疾病，减少诊疗过程中的创伤， 提高人们的寿命，是人类进行各种研究的主要动力之一。随着人们生活方式的改变，肿瘤、心 脑血管等慢性病已经成为威胁人们身体健康的头号杀手。及早发现、及早治疗恶性肿瘤，被认 为是降低癌症死亡率的有效方法之一，全世界因此将减少三分之癌症死亡人数。 当前i | 缶床上使用纤维镜或者电子肠镜检查消化道恶性肿瘤，无法做到及早发现。针对恶性 肿瘤和心脑血管疾病的治疗，当前以手术治疗、放疗和药物治疗为主。其中，以主动干预为目 的的外科手术治疗中，通常需要进行开胸及开颅操作，这不仅会造成患者体表健康组织的永久 性创伤，而且严重破坏体颅内环境的平衡，大大增加了患者的康复时间及成本。如何在手术治 疗中尽量避免大切口，减小治疗过程中对人体内环境的破坏，如何在放射治疗过程中实现对病 变部位的集中定点治疗以及如何在药物治疗中保证药物的定点和集中投放成为提高恶性肿瘤、 心脑血管病等顽疾的有效治疗的关键所在，对人类生命质量及寿命的提高具有极其重大的意义。 研制在人体管腔中运行的微型机器人，以人体的天然管腔为通道，并携带微型手术器械、微型 放疗装置及微型药物投放模块到达特定位置实施介入诊疗将是对现有诊疗方法的新的突破。 随着生物工程的发展，微电子机械技术的发展和微系统加工技术的成熟，使医疗设备的微 型化、便携性、经济性成为可能。微电子机械和生物工程的交叉结合，为医学和医疗提供了有 力的工具和途径，为诸多病人带来了福音。近年来，国内外学者提出了多种能进入人体的微型 机器人，以实现微创介入外科手术。微创外科手术可大大提高手术质量，减轻病人痛苦、缩短 恢复时间、降低手术费用，目前已成为国际上的一个研究热点，工j i k 发达国家正投入大量的人 力和物力进行相关研究与开发。 对微创外科手术的研究主要从两方面进行，其一是改进传统的医用内窥镜系统，利用微电 子机械技术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、重复性和准确性：其二是改进医用内窥 镜系统进入人体内腔的方式。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，这种进入方式有一些缺点：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 对人体软组织造成擦伤和拉伤，引起人体的严重不适和痛苦【1 】。将微小型机器人技术应用到介 入系统中，利用机器人驱动的介入系统实现人体消化道的全域微创乃至无创检查。将使消化道 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 检查作为常规体检中的一项成为可能，将有效地将消化道肿瘤消灭在早期，意义重大。 本项目，在对腹足动物运动原理研究的基础上，提出一种全新的定点介入诊疗机器人驱动 原理。该机器人巧妙地利用管腔内的粘液将机身与管腔隔开，避免了两者的接触，是一种无损 伤驱动方法。机器人结构简单，非常有利于微型化；能在包括消化道、呼吸道和大动脉大静脉 在内的多种人体管腔中运行，环境适应性好。以该机器人为基础的自主定点介入诊疗系统的研 究成功将导致现代医疗技术革命性的变化。 1 2 介入诊疗机器人研究现状及分析 使用智能运动控制方法来操纵传统内窥镜的想法始于2 0 世纪9 0 年代，k i k u t a l 9 8 8 年首先 提出了以蠕动式自主内窥镜机器人代替传统的内窥镜的设想【- 1 ，并以形状记忆合金为致动器研 制了仿蛇蠕动的内窥镜机器人【2 】。从此以后，许多研究者抛开传统内窥镜，出现了许多新颖的 设计方案。这些方案按照工作方式可以分为两种【3 1 ：主动式自治机器人和被动式胶囊类机器人。 1 2 1 被动式胶囊类机器人【，l 以色列的g i v e ni m a 西n g 公司在2 0 0 1 年生产出一种名为“m 2 a ”的胶囊状内窥镜，如图1 1 所示【】。这种内窥镜的工作方法是：病人吞服后，胶囊以无线方式将图像发射到体外的数据接 收器，然后再到图像工作站上实现图像回放。 o 童 穆壤 善量7 图1 1m 2 a 胶囊内窥镜图1 2n o r i k a 3 胶囊内窥镜 随后，日本的r f s y s t e ml a b 公司也公布了一种不使用电池的“n o r i k a 3 ”胶囊内窥镜样机， 它不但可拍摄图像，而且可提取消化道内液体和定点施药，如图1 2 所示。 韩国k y u n g p o o k 国立大学的h j p a 一( 等也在研制一种双向通讯的无线胶囊内窥镜，如图 1 3 既美国s m a n p i l l 公司业已通过美国f d a 认证，开始发售一种如图1 4 所示的p h p 胶囊，可以 用于测试肠道内压力、酸碱度及转运时间等多个生理参数。 我国上海交通大学、重庆金山公司和重庆大学也分别自主研发出具有自主知识产权的生理 参数胶囊、内窥镜胶囊和施药胶囊等。目前，前两类胶囊已经取得了国家食品医药监督管理局 的生产许可，在部分医院开始使用【锄】。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 接收嚣 电池 和天线 图1 3 双工通信胶囊内窥镜 1 2 2 主动式自治机器人 勉一。女。， ，。 图1 4p h p 胶囊镜 尽管被动式胶囊类机器人已经成为产品，但是由于它是被动式的，在肠道内完全依赖肠道 的蠕动，因此对于医生感兴趣需要长时间观察检测的地方它不能停留下来，而且它的运动是单 向的。为此，出现了对主动式自治机器人的研究。 g r u n d f e s t 等人向美国国家专利局申请了机器人内窥镜专利。该机器人包含了数个由铰链彼 此连接的单元节，驱动器能够使单元节接近或者分离，或者改变其姿态，以通过人体腔道。压 缩气体通过管道送入气球或者牵引驱动器，头部则装备了摄像头、活检钳、传感器及一些外科 手术器械。 图1 5 肠道介入系统图1 6 机器人结肠镜样机 r e ”钾n s 等人研制出一种基于尺蠖仿生原理的微小消化道介入系统样机【9 】，如图1 5 所示。 该机器人直径为1 5 m m ，长度为8 0 m m ，主要包括头尾两个完全一样的钳位部件和一个位于中 间的伸缩部件，弯曲部件连接着钳位部件和伸缩部件。三个部件均使用s m a 驱动，钳位部件 用来伸出板以支撑在肠壁上，前后交替钳位，在伸缩部件的轴向驱动下实现行走，弯曲部件改 变机器人的牵引方向。d a r i o 所在的实验室陆续报道了他们的有关主动式机器人结肠镜的研究成 果【9 l 。该机器人结肠镜样机如图1 6 所示，主要包含三节运动单元，由气动驱动，三根输气管道 的排气输气在外部控制。头尾两节是表面有许多气孔的密闭气室，当气体被排出时，该节可以 3 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 紧紧吸附在肠道内壁，用来钳位。中间一节是密闭气室，充气时可以伸长，排气时则可以压缩。 大连理工大学副教授张永顺带领的团队正在研制胶囊医疗微型机器人，其外表面由四片可 径向伸展的外表缠绕螺旋肋的铜瓦组成。当机器人旋转时，其外表面形成流体动压保护膜，使 肠道避免受损伤。在径向间隙自补偿和多楔形效应的作用下，显著提高了流体动压膜的压力和 在肠道内的驱动能力，并能实现在猪肠道内的垂直游动，如图1 7 。 ( 1 ) 径向闭合时( 2 ) 伸展时j 图1 7 胶囊医疗微型机器人 这项研究工作的创新点在于提出了一种以相邻异向径向磁化多磁极永磁体为外驱动器产生 旋转磁场，驱动胶囊机器人在肠道内旋进的驱动控制方法，并提出了一种变径螺旋结构胶囊机 器人样机。目前正在试验的机器人外表和胶囊差不多，体型比胶囊略大一些，长宽为4 0 1 5m m 。 在以后实际应用时可做得更小以方便吞咽。目前，该研究小组正在对肠道内的弯曲环境驱动关 键技术进行研究，如果这项技术实现，那么该胶囊机器人可实现在肠道内进退自如，实施诊断、 施药与取样。 图1 8 爬行照相机胶囊 图1 8 中的奇特的机器人使用弹性松软的腿沿着患者的消化管道爬行，这种外形像胶囊的 机器人携带着一个照相机，可对传统内镜检查手术进行观测。这种爬行照相机胶囊可用于检测 人体咽喉、胃部和十二指肠是否有损害或者溃疡，它是由意大利比萨市圣安娜高等学校研制的。 y 0 u n g 等人提出了两种驱动机理的半主动微机器人结肠镜，一种是利用气动作用来驱动， 一种是利用气动和弹簧的冲击量之差来实现驱动，并且利用记忆合金驱动头部舵向机构【l l l 。开 4 南京航空航天大学硕士学位论文 发出的相关样机尺寸为1 5 x 1 5 m m 。由于两种机理都依赖于机器人和结肠肠壁的作用力，驱动 完全是机器人自主实现的，加上机器人本身长度非常短，因此对结肠内壁的损伤非常小。 1 1 1 0 m a 眦等人开发出一种电气气动驱动的肠道内窥镜系统【1 2 1 。该系统力图使机器人和肠 壁的接触最小，来减少病人的痛苦。机器人的头部安装了三个传感器，测量机器人与肠壁的距 离，据此调整机器人的姿态。样机直径2 5 m m ，长度为8 8 n l l i l 。c h 锄等人对1 1 1 0 m 趴n 提出的内 窥镜系统中的柔性执行器进行了建模和参数辨识等研究，并基于研究结果构造了一种内窥镜的 智能转舵系统l ”1 。该研究得到的控制器能够对机器人和肠道的接触进行自动探测，并将结果作 为反馈来控制机器入。 s e n d o h 等人研制出由径向极化永磁体和具有螺旋结构的橡胶圆柱连接而成的磁性驱动器 【1 3 l 。该驱动器在外场旋转时，永磁体被带动，使得橡胶棒旋转，由于螺旋状结构而能够在肠道 内前进。 m e n c i a s s i 等人开发出腿式牵引的内窥镜胶囊【1 5 】。通过理论优化确定了至少需要6 条腿，一 个主动自由度和一个被动自由度，步距为1 2 m m ，并对步态进行了研究。腿通过形状记忆合金 驱动，峰值功率为1 3 5 w 。该课题组还研制出了人工蚯蚓内窥机器人系统，分为有腿式和无腿 式两种【m l 。该机器人由四个驱动单元组成，每个驱动单元都可以单独进行控制，在一定的驱动 信号序列下可以仿照蚯蚓的行波运动。该机器人使用形状记忆合金弹簧驱动，有腿式和无腿式 在离体试验中，速度分别可以达到o 2 2 和2 5 m m s 。 固： 图1 9 仿尺蠖型机器人驱动原理示意图 图1 - l o 仿蚯蚓胶囊式机器人驱动机构图 b y u n g 埘u 等人开发出仿尺蠖牵引内窥镜胶囊旧，如图1 9 所示。该内窥镜总体长度3 3 m m ， 直径1 3 m m 。内部有直径为7 6 m m 的空间可以放置摄像头、取样钳等微操作器件。该胶囊具有 抓紧肠道内壁，然后以此为基础对胶囊进行驱动，再放开肠道内壁，抓紧部分在胶囊内部移动， 然后抓紧进行下一轮重复的运动实现牵引。整个机构由形状记忆合金驱动。后来鉴于形状记忆 合金的响应时间较长，机器人的运行速度较慢等问题，k b y u n g k y u 等人利用压电原理及摩擦原 理对其进行了改进，研制出的仿蚯蚓机器人，如图1 1 0 所示f l s l ，给压电陶瓷提供不同方向的锯 齿波时，可驱动滑块相对于压电陶瓷前进或后退，如此，给分别固连于滑块和压电陶瓷的机器 人单元装上钳制机构后，就可以实现对机器人的驱动。 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 高立明等人在1 9 9 8 年首先进行了主动式机器人内镜的研究【1 9 】，该机器人使用多节基于电 磁力的微型驱动器，在肠道内能够自主前进、后退。 迟东祥等人研究了一种基于蚯蚓运动原理的微型机器人系统【2 0 】。在对肠道分析的基础上， 对机器人的驱动原理和机构进行了分析，最后使用导管导入机器人到肠道中，进行了肠道内的 牵引试验，结果表明机器人能够自如运行。左建勇等人利用旋转电机进行驱动，研制出了仿蚯 蚓的三关节蠕动微型内窥镜机器人【2 t 1 ，进行了系统的构建和模型建立。离体试验表明蠕动机器 人能够在一定坡度的斜面上前进。颜国正等人提出了一种使用压电微驱动器的多关节仿蚯蚓蠕 动机器人【z 2 l 。该机器人主要由三节压电驱动器单元和一个头舱组成。基于惯性摩擦理论，设计 了压电驱动器的结构，并进行了驱动器建模。使用驱动器组装成机器人，进行了驱动信号、驱 动位移等内容的研究。 内壁 在磁 用下 图1 1 l 基于螺旋密封原理的无损伤内窥镜机器人图1 1 2 铁磁橡胶作致动器的微机器人 i 曩旋头霉2 垂像采集及无鲮敦据收发模块3 摩擦离台嚣 t 头弗转动机拷，蠢电动报矗浮沉珥节嚣7 秉性尾蓐 & 电麓线9 慧氧巨动机构lo 墨柱钒身 图1 1 3 差动杠杆放大原理驱动的微机器人图1 1 4 仿蝌蚪与螺旋的微型机器人 何斌等人也提出了一种基于螺旋机构的介入人体肠道的微型机器人j 。该机器人使用微型 电机驱动，不和人体组织直接接触，对人体没有损伤。如图1 1 l 所示。 马建叙等人研制出了一种微小仿生蠕动机器人【2 4 1 。该机器人由三节驱动单元组成，每节由 在平板上呈1 2 0 0 均布的三个s m a 驱动器组成，整体放在可充气的气囊里面，驱动器和气囊分 别充当蚯蚓的环状肌肉和轴向肌肉。三节驱动单元的运动，如伸、缩、弯曲等均在外部控制， 能够前行后退，并能够自行选择方向。简小云等人提出了胶囊内窥镜的外场驱动方法。在胶囊 上嵌入永磁体，极化方向和外场方向在一个平面内，当外场方向旋转时，胶囊也发生转动，在 6 南京航空航天大学硕士学位论文 胶囊外表面螺旋槽的作用下前进。 中国科学技术大学梅涛等人利用铁磁橡胶执行器( f m p ) 研制出一种无线驱动和控制的游 动微机器人【2 5 】，如图1 1 2 该微型机器人通过控制外磁场强度来控制铁磁橡胶执行器的驱动力进 而控制微机器人。广州工业大学杨宜民等人利用柔性铰链和差动式杠杆放大原理，模仿鱼类游 泳的方式，设计了游动微机器人主体结构如图1 1 3 所耐碉，该微机器人工作在谐振状态时能实 现三自由度游动。浙江大学研制出的仿蝌蚪与螺旋游动机器人如图1 1 4 所利z ，】，巧妙地利用血 液作介质，在机器人前进和后退过程中分别采用波状泳动和螺旋游动方式动作，在整个运行过 程中机器人与血管壁之间不发生直接接触，因而对血管壁无损伤。 总体讲，介入诊疗机器人系统的研究还处于起步阶段，其中的部分能够达到临床医疗试验 的水平。但是要将介入诊疗机器人完美的应用到临床医疗的话，还有很多问题有待于解决。 1 3 介入机器人现存的主要问题，】 近年来，随着m e m s 技术的快速发展以及国内外研究者的不断研究和探索，对介入诊疗机 器入的研究已经取得了一定成果。在功能材料的应用、微机器人的结构与驱动方法、运动机理 等方面均提出了许多新的创意，使得介入诊疗机器人技术取得了长足的进步。但由于其工作环 境充满着粘滑、弯曲、凹陷、皱折乃至血流冲击，所以机器人必须具有良好的驱动性能、尺寸 小、能耗低、且外壳还要与生物环境具有良好的相容性。另外，机器人尺寸结构微型化后，一 些效应如表面张力，粘附、摩擦等与宏观条件下会有很大的不同。这些问题导致国内外学者研 究的很多微机器人目前还只能停留在实验室里，距离实际应用还有很大差距。存在的问题主要 有【2 7 l ： 1 3 1 机器人的驱动方式问题 驱动方式的研究主要集中在尺蠖仿生驱动、蚯蚓仿生驱动、螺旋式驱动等方式上。 在松软的非结构化环境中，尺蠖和蚯蚓却能够行动自如，并且对环境造成较少的破坏，这 与医用介入机器人应用环境和设计目的是基本一致的。 旋转外磁场驱动的螺旋推进方式不仅存在着推进力小的问题，而且由于机器人在肠道内的 姿态时刻变化，如何保证嵌在机器人身体上的永磁极化方向和外场方向垂直也需要进一步的研 究。另外，螺旋式驱动在严格的润滑膜形成机制下能够获得理想的牵引能力。但是在人体这种 非结构环境中，存在消化道内壁表面起伏剧烈、肠道柔软易于变形、浮动性大等特点，螺旋驱 动是否有效可靠，还需要作进一步的深入研究。 1 3 2 机器人运动与肠道组织的问题 在人体腔道中，肠道组织是一种柔软的，易于发生大变形的，因为黏液存在而表面摩擦系 7 微型介入机器人控制系统设计及其综合性能实验分析 数极小的一种粘弹性生物组织。在这种情形之下，小位移量的变形压紧肠道产生的摩擦力太小， 大位移量的变形压紧肠道会超过人体腔道的生理极限，很有可能会引发医疗事故。基于此，研 究者主要探讨了三种支撑方式。第一种为气囊式泊位，气囊具有一定的柔性，但是仍然存在变 形量大会引起肠道组织的破损，小变形量支撑产生的摩擦力比较小等问题；第二种为机械卡咬 式泊位，机构外形几乎不发生变化，控制类似钳子的运动机构交替叮咬在肠壁上，来实现尺蠖 牵引，这种泊位方式比较可靠，但是会对肠道内壁产生一定的损伤，引起病人的疼痛感：第三 种为吸附式泊位，即使用真空将肠壁紧紧吸附在驱动器表面，这种泊位方式对肠道应该没有损 伤，但是吸附力量依然比较小。 1 3 3 驱动器的相关问题 驱动器的研究主要集中在形状记忆合金驱动、气动、压电驱动、微电机驱动、电磁驱动等 方式上。 形状记忆合金驱动具有功率重力比高、驱动力大、体积小等优点，适宜于在微小空问内进 行运动转换和控制。但是，由于记忆合金需要加热和冷却，在消化道相对封闭的环境下，加热 冷却周期长，因此运动的速度慢、精确度低、实时性差。 气动方式具有一定的柔性，对人体腔道的生理兼容性良好。但是需要拖一根输气管道，这 将直接影响机器人的进入深度。 压电驱动具有体积小、刚度大、位移分辨率及定位精度高、线性好、频率响应高、发热小、 无噪声、易于控制等优点，最大的不足是驱动位移太小和驱动电压大。压电驱动的输出位移一 般在微米级，在有限的空间内，将位移放大到原来的1 0 ，1 0 4 倍，即毫米级或者厘米级是十分 困难的。 微电机( 直径! 1 0 r m ) 驱动方式结构简单、控制方便、效率较高，并且有商业化的电机可供 选择使用，但是必须将旋转运动转变为直线运动。如何在有限的狭小空问内，设计出有效的减 速增力机构和运动转换机构，面临着许多优化问题。 1 3 4 系统安全性和可靠性 由于人体这一特殊的工作环境，机器人工作在其中时其内部携带有一些精密仪器而且机器 人内部线路构造复杂，有液体渗进会对机器人有损害。所以要对机器人进行良好的密封。机器 人在人体中运动时要保证其系统的可靠性。另外，机器人在人体内运动要保证整体器件不能分 裂或散落，即使受到意外的破坏也不能出现碎片，以防对人体造成损伤。 还有一个值得重视的问题就是相容性问题，所谓相容性是指材料在人体内不引起人体的严 重排斥现象。其中尤其重要的是在血液中不引起血浆蛋白的变性，不破坏血液的有效成分，不 导致血液的凝固和血栓的形成。血液相容性是制约生物材料应用在血液环境中最为重要的性质 8 南京航空航天大学硕士学位论文 之一。当材料与血液直接接触时作为异物植入的材料可能引起一系列不良生物反应，如溶血、 凝血、炎症反应等【2 9 】。机器人进入血管后，机器人后部血流速度变慢，在血管腔面很容易形成 附壁血栓，随之血凝亢进，血栓层增厚，最终导致血管闭塞。选择合适的材料和机构是非常关 键的环节。 1 4 本文的研究内容 基于腹足动物的运动机理，本文提出了一种仿腹足动物运动的介入诊疗机器人驱动方法， 并制作微型样