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胃肠道微型仿生机器人诊查系统及运动相容性研究

叶东东  
【摘要】:目前,国内外对胃肠道疾病的诊断和治疗主要采用胃肠道内窥镜。因此,研究机器人系统来诊查胃肠道疾病是国际生物医疗器械研究的前沿和重点之一。本研究在国家高技术研究发展计划的资助下,利用微加工技术、微驱动技术、微电子技术、无线通信和能量传输技术以及临床医学技术,开展了胃肠道微型仿生机器人诊查系统及运动相容性研究。 在对人体胃肠道的生理特征进行详细分析的基础上,研制成胃肠道微型仿生机器人诊查系统。组装完成的第一代胃肠道诊查微型机器人样机实现了无缆化要求,其外径12.1mm,长165.5mm。由1个头舱、3个驱动单元、1个尾舱共五个运动单元组成,可以实现前进、后退、停止等功能。位于头舱中的视频摄像模块采集到的胃肠道内部图像经无线通信模块发送至体外,视频传输约3帧/秒,功耗约120mW。无线能量接收模块为机器人的各个部分提供能量。第二代全覆膜式胃肠道诊查微型机器人样机在第一代样机的基础上研制而成。硅胶波纹管覆盖在整个机器人样机的外表,在保护机器人的同时减少了胃肠道黏弹性对机器人运动的负面影响。 利用电磁耦合原理设计并研制了无线能量传输系统。这种无线能量传输方式需要两个线圈。其中发射线圈为螺线管线圈,布置在人体表面,由E类放大器或开关电路驱动。接收线圈安放于机器人的头舱。为提高无线能量传输电路的电磁耦合能效,发射和接收回路均采用谐振补偿技术,即在发射和接收回路串联或者并联谐振电容。通过调节谐振电容使发射端谐振,产生一定频率的正弦波激励电流,形成一个交变磁场。此时,处于交变磁场中的接收端线圈感生电动势。经过后续整流稳压电路,转换成直流电压为胃肠道诊查微型机器人提供稳定能量。在将无线能量传输系统应用于胃肠道微型仿生机器人诊查系统的同时,人体也将暴露于无线能量传输系统的电磁场当中。为此,建立了一个有限长密绕螺线管电磁场模型,推导了电场强度和生物组织中SAR值以及电流密度值之间的关系。并进行了SAR值和电流密度值的仿真试验。结果表明,供能480mW、工作频率36 kHz的无线能量传输系统对人体的电磁影响非常小,属安全范围内。 研制成基于直流电动机的微型直线驱动器,具有体积小、体重轻、功重比高、控制简单等优点。考虑到系统的稳定性,建立了微型直线驱动器的有限元模型,根据有限元模态分析结果设计并优化了微型直线驱动器,避免了系统共振的产生。并建立了该微型直线驱动器的数学模型,进行了动力学分析。仿真和试验表明,该微型直线驱动器的阶跃响应时间短,受负载变化影响小,在额定电压工作时驱动力达可到2.55N,温升在36℃以下。该研究为胃肠道诊查微型机器人在人体胃肠道运行的安全性和可行性提供了保障。 研究了胃肠道生物组织的黏弹性力学行为,提出了一般三维情况的准线性黏弹性模型。引入了拟应变能函数的指数形式,并利用最小平方的方法拟合试验曲线得到了待定的材料常数C1和C2。为了得到最低阶应变,利用应变能函数指数的二次方程形式推导出了黏弹性体的一般表达式。对于单轴拉伸试验系统,推导了黏弹性体一般表达式中各个部分的具体形式,并引用了fung的连续谱归一化松弛函数表达式,将准线性黏弹性模型简化成一维模型。利用一维黏弹性简化模型,结合两个模拟肠道应变情况的应变变形函数,求出了黏弹性组织变形时的应力-时间关系和应变-应力关系,并分析了不同参数的松弛函数对模型的影响。在机器人的运动时效性分析中,得到了在一定的应变率范围内,加载时应力响应对加载速度的不敏感性这一重要结论。从牵引效率的角度出发,分析了机器人临界步距和机器人的质量、摩擦系数、直径、初始接触长度之间的关系,得到了胃肠道诊查微型机器人运动单元需要具有较轻的重量、光滑的表面和较大的直径以及较小的接触长度的结论。根据这些结论研制成的全覆膜式胃肠道诊查微型机器人的理论临界步距由原先的6.45mm减小到了1.6mm。机器人外表覆盖的波纹管能够起到减黏降阻的作用,是依据仿生学的原理设计并加工制造。通过测试波纹管变形-力之间的关系,发现波纹管产生的弹性力最大不会超过0.12N,很容易被微型直线驱动器所克服。当微型直线驱动器伸长时,波纹管因自身的弹性恢复功能,将会助推动微型直线驱动器的挡板做伸长运动。 研究比较了本文研制的两种胃肠道诊查机器人样机的牵引力、运动性能和离体肠道试验结果。通过牵引力和运动性能试验,分别测量了两种机器人在不同环境中的牵引力和运动速度,验证了机器人的运动模型和驱动原理。进行了离体肠道爬行试验,进一步验证了机器人模型,并对比了这两种机器人离体试验结果,发现将硅胶波纹管应用于胃肠道诊查机器人之后,机器人的运动效率得到了明显的提高。 本文对胃肠道微型仿生机器人诊查系统的样机集成、无线能量传输、驱动技术、模型建立和离体试验等方面进行了深入的研究。这些工作为机器人诊查系统的实用化奠定了基础,系统的进一步能量供应优化和机构优化等是下一步的研究方向。


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1 叶东东;胃肠道微型仿生机器人诊查系统及运动相容性研究[D];上海交通大学;2009年
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