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呼吸参数直接监测仿生微型机器人系统关键技术与实验研究

作　者: 于莲芝
导　师: 颜国正
学　校: 上海交通大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 呼吸系统仿生微型机器人空气压人工筋驱动器电-气控制系统气道阻力
分类号: TH789
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着科技的发展,应用仿生学原理和MEMS技术研究自主进入人体腔道进行“微创/无创”诊查的微机器人系统倍受关注。本论文以国家高技术研究发展计划(863计划)“人体腔道诊疗微系统实用化研究”项目(2004AA404013)为依托,研究适于在人体呼吸系统内主动移动,能对肺内微环境进行直接连续监测的微型机器人系统。根据人体呼吸系统物理结构和维持正常呼吸功能的要求,研究了仿生微型机器人系统的本体结构组成、运动机理、机器人的运动特性、机器人控制以及机器人与呼吸道内环境之间的相容性等关键技术问题,并进行相应的试验研究。力图探索一种新的用于人体呼吸系统内自主移动实现呼吸生理参数连续监测及微创辅助诊疗系统,为人体腔道检查机器人的研究设计提供新的思路和理论基础。论文主要进行以下几个方面的研究:1、论文在分析研究了国内外关于呼吸生理参数监测技术、支气管镜诊疗技术及医用微创/无创诊查微型机器人技术的基础上,根据呼吸系统的物理结构和功能特性,应用仿生学原理,给出了适用于人体呼吸系统内主动移动进行呼吸生理参数连续监测的微型机器人系统。(1)移动机理与人体直接接触的机器人系统要求具有安全、柔性的特性。通过分析尺蠖生物体的运动特性,抽象出仿生尺蠖生物体的移动机理,基于仿生尺蠖的移动机理,设计了具有柔性移动机构的机器人本体结构,机器人本体结构由前、后两个支撑钳位单元和中间一个伸缩驱动单元构成。(2)驱动器分析比较了电磁式、电磁与压电结合式、微型电机式及气动式等驱动器的驱动原理、控制方式及其性能试验,选择以空气动力作为机器人系统的驱动动力源,设计了全气动驱动的机器人系统。研制了具有柔性性能的空气压人工筋驱动器,该人工筋驱动器为增强纤维型人工筋驱动器,具有三个等扇形截面内腔,可实现直线运动和任意方向的弯曲转向运动。机器人的钳位单元为塑料圆筒外覆具有一定弹性的气囊,每个支撑单元通过钳位气囊充气加压膨胀压紧管壁来实现钳位功能。(3)信息传感微型传感器及摄像、诊疗等微型执行机构等可集成于前支撑单元内,进行呼吸参数监测、直接诊查等。(4)控制系统设计体外电-气控制系统,通过体外电-气控制系统控制机器人移动及实现信息的采集与处理。电-气系统主要由计算机、数据采集卡、驱动电路、继电器/电磁阀、压力传感器、高压气源,压力调节阀等组成。通过人-机界面控制机器人移动和实现信息传感及直接诊疗等功能。论文基于上述方案加工研制了机器人样机,设计了具有人机界面的体外电-气实验控制系统,并对样机运动性能进行了管内实验研究。研究结果表明所设计的机器人能进行稳定平滑移动,机器人具有较大的运动速度和较大驱动力。2、为进一步研究机器人系统的运动性能,详细分析了移动机器人系统的驱动力学特性。(1)人工筋驱动器的驱动力学特性建立了人工筋驱动器的驱动力学模型,并进行了实验研究。论文基于能量守恒与转换定律及最小形变原理建立了空气压人工筋驱动器的轴向驱动力学模型及弯曲转向特性模型,仿真计算了人工筋驱动器的驱动力学特性及弯曲转响特性,通过实验研究对理论模型进行了实验验证。(2)钳位气囊的钳位压力特性机器人的移动过程中需进行牢固的钳位,钳位气囊内的压力及作用于管内壁的钳位力必须足够大,钳位压力太小则无法实现有效的钳位功能。另一方面,由于钳位气囊紧压管腔内壁,过大的钳位压力将损伤气管内壁组织,因此对于人体腔道内壁组织而言,钳位压力不能太大。论文在分析了呼吸道内壁组织生理特性及分析气管插管钳位压力特性的基础上,分析了作用于管内壁压力特性,确定了合适的钳位气囊工作压力。(3)阻尼力机器人系统在有呼吸气流流动的呼吸系统内移动,因此其移动过程中将受到气流阻尼力的影响,另外,机器人系统是拖线式的,拖线的阻尼力必然影响后支撑单元的移动。因此,文中分析了拖线及气流的阻尼力对移动机器人系统运动性能的影响,为机器人系统结构参数的优化设计、及进行体内移动实现直接呼吸监测奠定了基础。通过上述力学分析建立了移动机器人的运动学模型,分析了机器人系统驱动负载的能力。3、机器人系统移动控制特性研究。(1)机器人移动控制基于有限状态机理论分析并定义了单步距一个循环周期内机器人的运动状态,并基于有限状态机理论编制了机器人运动状态转换的控制算法程序,实现高效率控制。(2)机器人系统控制特性研究分析了气动机器人系统的非线性特性,研究了建立了机器人系统气压-位置伺服控制的非线性系统模型。基于模糊自适应PID控制理论研究了机器人系统的控制特性,仿真实验结果表明基于模糊自适应PID控制的机器人系统具有较好的响应特性。为实现机器人系统的更高精度控制,提出一种模糊小波神经网络结构,并应用于机器人系统的控制。仿真控制实验结果表明基于该模糊小波神经网络控制的机器人系统具有更好的动、静态特性,并具有抗干扰能力。4、在机械通气情况下,气道阻力是重要的监测参数之一,气道阻力过大将影响正常的通气功能。内置机器人系统必然存在一定的流动阻力,论文应用流体力学理论分析了在不同呼吸气流的流态下的微机器人系统在气道内的阻力特性。仿真计算结果表明相对于整个气道阻力而言,所设计的机器人系统具有很小的流动阻力。5、猪呼吸系统与人体呼吸系统最为接近,因此,在机械通气情况下,对机器人系统在正常活实验猪气管内进行了实验。机器人系统可在实验猪气管内进行平滑移动,通过微机器人系统携带的传感器对猪气管末端的呼吸压力和温度进行了连续监测。呼吸参数测量结果表明内置机器人系统的呼吸阻力处于正常状态,体内直接监测的结果与体外呼吸机显示的结果相符合理论和实验研究结果表明所设计的仿生微机器人系统能适应人体呼吸系统内环境,能在呼吸系统内进行柔性平滑稳定的移动,实现呼吸生理参数动态连续监测。论文的研究成果为实用型医用微型仿生机器人的研制提供了理论和实践研究基础。

全文目录

摘要  5-10
ABSTRACT  10-16
第一章绪论  16-32
  1.1 课题研究背景  16-17
  1.2 机械通气与呼吸参数监测技术  17-20
  1.3 支气管镜技术  20-22
  1.4 医用机器人技术  22-26
  1.5 人工筋机器人驱动器  26-29
  1.6 气道阻力的流体力学分析  29
  1.7 论文研究的内容和创新点  29-32
第二章微型气动柔性机器人系统研究  32-58
  2.1 人体呼吸系统的功能特性  32-33
  2.2 呼吸系统的解剖结构模型  33-34
  2.3 呼吸系统微型机器人系统的基本设计要求  34-35
  2.4 微机器人系统总体方案设计  35-37
  2.5 移动机器人本体结构设计  37-44
  2.6 微机器人移动机理  44-47
  2.7 电-气控制系统  47-53
  2.8 微机器人样机及其运动特性实验研究  53-57
  2.9 小结  57-58
第三章机器人系统动力学特性分析  58-72
  3.1 人工筋驱动器驱动力学特性分析  58-67
  3.2 钳位气囊钳位压力特性分析  67-69
  3.3 呼吸气流阻尼力  69-70
  3.4 移动机器人系统运动学分析  70-71
  3.5 小结  71-72
第四章机器人系统移动控制特性研究  72-102
  4.1 基于有限状态机的机器人移动程序控制  72-79
  4.2 机器人系统控制特性理论与实验研究  79-101
  4.3 本章小结  101-102
第五章机器人系统流动阻力特性与呼吸参数实时监测实验研究  102-119
  5.1 人体呼吸系统的气道阻力特性  102
  5.2 机械通气时的气道阻力  102-104
  5.3 微机器人系统的气道阻力计算模型  104-108
  5.4 气管内呼吸监测机器人系统气道阻力分析  108-112
  5.5 机器人系统气道阻力与直接监测实验研究  112-118
  5.6 本章小结  118-119
第六章结论与展望  119-121
参考文献  121-130
致谢  130-131
攻读博士学位期间发表的学术论文  131-133
攻读博士学位期间申请的国家专利  133

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