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微型小肠机器人运动系统的设计及实现

作　者: 李琳娜
导　师: 颜国正
学　校: 上海交通大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 小肠微型机器人尺蠖伸缩式电磁限位
分类号: TP242.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

多发性的消化道疾病对人体健康造成了很大隐患，消化道疾病的诊断目前通常采用机械式插入的内窥镜进行检查。由于人体小肠特性的限制，传统检查无法实现小肠段的全肠道检测。随着科学技术的进步，无线胶囊内镜的诞生，将消化道内窥镜的诊疗技术带入一个新的发展阶段，实现了对胃肠道的无创检查，也为小肠的疾病诊疗提供了新的解决方案。但由于胶囊内镜的非主动性运动和诊疗手段的欠缺，在进一步的研究中提出了主动运动的内窥镜机器人系统的概念。一种能够安全、有效地对胃肠道进行无创诊疗的主动型内窥镜机器人系统，已成为具有重要应用前景的一个研究热点。本课题在国家自然科学基金资助项目（No.31170968）、载人航天领域预先研究项目（No.010203）与上海市科委项目（No.09DZ1907400）的资助下，从人体小肠的特殊环境出发考虑，研究并设计了一种可以在离体猪小肠肠道内实现有效爬行的微型小肠机器人运动系统。本文首先对微型小肠机器人的研究背景和意义进行了介绍，并对国内外就这一课题研究已经取得的成果进行了分析。根据驱动方式的不同，将近年来的国内外研究机构的新型胃肠道内窥镜机器人系统分为了三类：体内驱动，体外驱动和综合驱动，分析了典型机构的优点和不足，作为设计的理论参考。人体肠道是非常特殊的运动环境，从小肠的解剖学、组织学、运动特性和生物力学特性等四个方面出发，对小肠肠道的生物特性进行分析。根据小肠特殊的生理特性，提出了对肠道内小肠机器人运动的要求，确定了尺蠖伸缩式的仿生运动方式。尺蠖伸缩式运动凭借无肢运动，脱离了对轮式运动的限制，运动稳定性更好。前后两端对称的结构，更容易实现前进和后退。结合模块化的设计将机构微型化，更利于适应肠道内的狭小作业环境。结合描述肠道应力-应变关系的超弹性本构方程，推导出机器人参数与临界步距之间关系的数学模型。根据实际应用要求讨论了机器人的主要设计要求，提出机器人的总体设计思路。确定其驱动原理后，选择了微型直流电机作为驱动器，提出机械机构的设计以及控制电路部分的设计。机械机构的运动单元分为径向驻留单元和轴向伸缩单元两类，整个机器人由3个运动单元构成，依次为径向驻留单元-轴向伸缩单元-径向驻留单元。经过气囊式、液充式和机械式驻留机构的比较，为了更有效的实现运动，选择了机械式驻留方式。机械式驻留机构的基础运动件为双螺杆、双螺母和三对足，一起构成了非典型的曲柄滑块机械结构。轴向伸缩单元的基础运动件为螺杆与螺母构成的传动副。在第一代机器人轴向单向伸缩的基础上，第二代机器人样机改为轴向双向伸缩单元。第一代机器人的机体外径为14mm，第二代机器人的机体外径为12.8mm。控制系统部分主要分为硬件电路系统和软件系统。硬件电路包括机器人体内控制电路系统、体内体外通讯电路和体外控制电路系统。第二代机器人在第一代的基础上增加了电磁感应限位电路，并将微控制器PIC16F690更换为PIC24FJ64GA002，以满足新增功能电路的通讯口要求。软件系统包括体内控制程序、体外控制程序、上位机的控制界面程序和无线遥控器程序。对电机控制模块、无线通信模块、非易失性存储模块、A/D转换模块分别进行阐述。针对第一代微型小肠机器人样机进行了模拟肠道与离体肠道实验。通过水平与垂直模拟管道爬行测试，进一步了解机器人在特殊环境中的作业能力。采用离体猪小肠为实验对象搭建实验台测试了机器人运动能力。离体实验说明机器人在小肠直径适应性上与设计一致，且机器人能够有效地运动在模拟肠系膜支持良好的离体肠道模型中。最后总结了整个设计方案及研究成果，分析了存在的一些不完善的问题，对进一步的研究进行了展望。综上所述，本文在分析了人体小肠环境的具体特性后，提出了一种面向小肠道的机器人仿生运动方式，设计了具体的运动系统和控制系统。研制出第一代和第二代机器人样机，通过模拟实验分析其运动特性。同时，机器人的能量供给采用无线供能方式，使得机器人拥有了更高的独立性，为后续附加功能的增加奠定良好的基础。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-30
  1.1 微型小肠机器人系统的研究背景和意义  12-14
  1.2 小肠内窥镜系统的国内外研究现状  14-27
    1.2.1 传统式小肠电子内窥镜  14-15
    1.2.2 双气囊电子小肠镜  15-16
    1.2.3 胶囊内镜系统  16-18
    1.2.4 主动型胃肠道内窥镜机器人系统  18-27
  1.3 微型小肠机器人系统的关键研究内容  27-28
  1.4 本文的主要内容及创新点  28-30
第二章微型小肠机器人的运动分析与系统设计  30-44
  2.1 微型小肠机器人的运动环境  30-36
    2.1.1 人体小肠的解剖学分析  30-31
    2.1.2 人体小肠的组织学分析  31-32
    2.1.3 人体小肠的运动特性分析  32-33
    2.1.4 小肠的生物力学特性分析  33-36
  2.2 微型小肠机器人的运动方式  36-39
    2.2.1 小肠内环境对微型小肠机器人的要求  36-37
    2.2.2 尺蠖伸缩式运动方式  37-39
  2.3 微型小肠机器人的有效运动条件  39-41
  2.4 微型小肠机器人的系统设计  41-43
    2.4.1 微型小肠机器人的机械结构原理  41-42
    2.4.2 微型小肠机器人控制系统原理  42-43
  2.5 本章小结  43-44
第三章微型小肠机器人的机械结构设计  44-65
  3.1 机器人驱动方式的选择  44-46
  3.2 径向驻留单元的设计和分析  46-56
    3.2.1 设计方案比较  46-51
    3.2.2 径向驻留单元的齿轮组  51-52
    3.2.3 径向驻留单元的双螺杆  52-53
    3.2.4 径向驻留单元的螺母  53-55
    3.2.5 径向驻留单元的三对足  55-56
  3.3 轴向伸缩单元的设计和分析  56-61
    3.3.1 第一代机器人样机的轴向伸缩单元  56-59
    3.3.2 第二代机器人样机的轴向伸缩单元  59-61
  3.4 模块联接机构设计  61
  3.5 机构驱动力和速度分析  61-64
    3.5.1 第一代机器人样机的速度和驱动力  61-63
    3.5.2 第二代机器人样机的速度和驱动力  63-64
  3.6 本章小结  64-65
第四章微型小肠机器人控制系统设计  65-82
  4.1 微型小肠机器人的硬件电路设计  65-74
    4.1.1 体内控制电路  65-71
    4.1.2 无线通讯模块  71-72
    4.1.3 体外控制电路  72-74
  4.2 软件系统设计  74-81
    4.2.1 体内控制程序  75-80
    4.2.2 无线遥控器  80-81
  4.3 本章小结  81-82
第五章微型小肠机器人系统测试与实验  82-89
  5.1 第一代机器人样机基本参数测量实验  82-83
  5.2 微型小肠机器人模拟肠道实验与分析  83-86
    5.2.1 第一代机器人柔性 PVC 管道坡道爬行实验  83-85
    5.2.2 第一代机器人柔性 PVC 管道垂直爬行实验  85-86
  5.3 微型小肠机器人离体肠道实验与分析  86-88
  5.4 本章小结  88-89
第六章总结和展望  89-91
  6.1 工作总结  89-90
  6.2 工作展望  90-91
参考文献  91-96
致谢  96-97
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  97-99

微型小肠机器人运动系统的设计及实现

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