基于液体环境的内窥镜机器人的研究

论文题目: 基于液体环境的内窥镜机器人的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 陈柏

导师: 周银生,潘双夏,顾大强

关键词: 流体动力润滑理论,内窥镜机器人,无损伤,螺旋,牛顿流体,非牛顿流体,生物力学特性,修正雷诺方程,瑞利轴承,生物体游动游动机器人

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着微创外科手术技术的应用范围不断拓展,自主式内窥镜机器人研究已成为科学家们的研究热点。本文作者考虑到人体内腔环境中或多或少存在一定量体液的现实,给出基于流体环境的螺旋式无损伤内窥镜机器人,基于生物游动原理的内窥镜机器人以及瑞利阶梯内窥镜机器人设计方案。本文在对这三种内窥镜机器人进行理论及实验研究的基础上,比较分析各自的优缺点,同时,基于功能组合创新的设计理念,提出一种有望应用到血管等充满液体的微细管道中运行的基于生物游动与螺旋驱动原理的内窥镜机器人设计方案。论文的第一章首先分析传统内窥镜系统的缺陷以及自主内窥镜机器人之于微创外科手术技术的重要研究意义。在概述自主内窥镜机器人的研究现状及成果的基础上,指出其需要改进的地方,提出本论文的研究切入点和主要研究内容。论文的第二章在双圆柱螺旋内窥镜机器人的基础上,提出单圆柱螺旋变体内窥镜机器人设计方案。同时,作者研究了内窥镜机器人系统的无线控制与图像传输子系统及配套的体外监控系统的理论设计方案。论文第三章在对肠道壁的生物力学特性及生物体液的非牛顿特性进行实验研究的基础上,建立肠道壁的粘弹性材料模型以及生物体液的非牛顿流变模型,进而获得肠道内窥镜机器人运行环境的数学模型。将运行环境的非线性数学模型耦合到螺旋内窥镜机器人理论分析模型中即得螺旋内窥镜机器人非线性仿真分析模型。论文第四章利用前文的所述的螺旋内窥镜机器人非线性仿真分析模型,理论比较分析牛顿流体和Casson非牛顿流体中机器人无量纲轴向牵引力和周向摩擦阻力随着螺纹几何特征参数的变化规律,得出获得最佳动力学性能时,螺纹几何特征参数的优选解。另外,作者还对运行环境特征参数对机器人运动学性能的影响进行了研究。论文第五章为了验证螺旋内窥镜机器人非线性仿真分析模型的正确性以及仿真分析结果的可信性,研制出螺旋内窥镜机器人轴向牵引力和周向摩擦阻力的测试实验台。利用该测试实验台对机器人轴向驱动力及周向摩擦阻力随螺旋几何特征的变化规律进行实验测试,并与理论值进行了比较。研究表明,理论值与实验值能很好的吻合,这充分证明上述非线性仿真分析模型的J下确性和仿真分析结果的可信性。测试比较了螺旋内窥镜机器人轴向驱动力的变化规律与机器人尺寸的关系,测试结果表明,当机器人外形尺寸微型化到φ0.5mm时,理论分析模型依然正确。依据前文获得的螺纹结构优选解,作者制作了双圆柱螺旋内窥镜机器人及其变体机器人实验样机,利用实验样机在离体肠道进行了机器人运行特性实验研究。论文第六章给出基于流体环境的另外两种内窥镜机器人即基于生物体游动原理的内窥镜机器人和瑞利阶梯内窥镜机器人驱动方案,并对这两种内窥镜机器人分别进行了理论建模及原理实验研究。在比较分析螺旋内窥镜机器人、基于生物游动原理的内窥镜机器人和瑞利阶梯内窥镜机器人各自优缺点的基础上,基于功能组合创新的设计思想,提出一种基于生物游动与螺旋驱动原理的内窥镜机器人设计方案。

论文目录:

第一章绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 内窥镜技术与微创外科手术技术

1．1．2 内窥镜机器人设计的运行环境要素

1．2 医用内窥镜机器人的研究现状

1．2．1 管道机器人与医用内窥镜机器人

1．2．2 仿生内窥镜机器人系统

1．2．3 超微内窥镜机器人的研究

1．2．4 无线控制与图像传输子系统研究现状及问题

1．3 内窥镜机器人系统建模研究意义及现状

1．4 论文主要研究内容

1．5 本章小结

第二章螺旋内窥镜机器人系统原理方案设计

2．1 双圆柱螺旋内窥镜机器人

2．1．1 双圆柱螺旋内窥镜机器人驱动原理及驱动机构

2．1．2 内窥镜机器人方向控制器结构及方案设计

2．2 单圆柱螺旋内窥镜机器人驱动原理及机构

2．3 无线图像传输及控制子系统的设计

2．3．1 无线图像传输及控制子系统机载部分方案设计

2．3．2 微型机器人体外监视、控制平台

2．3．3 内窥镜机器人无线图像传输与控制子系统机载部分布局

2．4 本章小结

第三章螺旋内窥镜机器人非线性仿真模型的研究

3．1 生物体液的粘弹性基本理论及模型的研究

3．1．1 生物体液的粘弹性基本理论及模型

3．1．2 生物体液流变特性实验研究

3．1．3 生物体液统一的流变模型

3．1．4 体液的Maxwell流变模型探讨

3．2 肠道壁生物力学模型研究

3．2．1 实验方法与试样

3．2．2 试验结果和分析

3．3 肠道壁几何模型及粘液膜厚度的研究

3．3．1 肠道壁几何外形的数学描述

3．3．2 考虑肠道壁变形的粘液膜厚度分析

3．4 非牛顿流体修正雷诺方程

3．5 修正雷诺方程在螺旋内窥镜机器人系统中的应用

3．5．1 修正雷诺方程在螺旋内窥镜机器人系统中的简化

3．5．2 修正雷诺方程的无量纲化

3．6 本章小结

第四章螺旋内窥镜机器人非线性仿真研究

4．1 螺纹特性参数对机器人动力学性能的影响

4．2 运行环境参数对机器人性能的影响

4．2．1 运行环境参数对轴向牵引力和最小粘液膜厚度的影响

4．2．2 肠道壁几何模型对机器人平均运动速度的影响

4．3 小结

第五章螺旋内窥镜机器人实验研究

5．1 螺旋内窥镜机器人动力学性能实验原理与平台

5．1．2 测试实验台设计

5．1．3 实验液体的取样

5．2 Casson流体中轴向牵引力理论及实验对比分析

5．3 Casson流体中周向摩擦阻力的对比分析

5．4 硅油与蛋清中轴向驱动力实验数据比较分析

5．5 不同尺寸螺旋内窥镜机器人轴向牵引力比较研究

5．6 机器人肠道运行实验研究

5．6．1 双圆柱螺旋内窥镜机器人运行速度实验样机

5．6．2 单圆柱螺旋内窥镜机器人运行速度实验样机

5．7 本章小结

第六章基于液体环境的内窥镜机器人的衍生与综合

6．1 基于生物游动原理的仿蝌蚪游动内窥镜机器人方案设计

6．1．1 仿蝌蚪游动内窥镜机器人驱动机构

6．1．2 仿蝌蚪游动内窥镜机器人理论模型

6．1．3 仿蝌蚪游动与螺旋内窥镜机器人运动速度研究

6．2 基于流体润滑理论的瑞利阶梯内窥镜机器人方案设计

6．2．1 瑞利阶梯内窥镜机器人驱动原理的仿生学基础

6．2．2 瑞利阶梯内窥镜机器人原理方案设计

6．2．3 SMA直线致动器的探索

6．2．4 瑞利阶梯内窥镜机器人的数学建模

6．2．5 瑞利阶梯微型机器人运行速度实验研究

6．2．6 最小粘液膜厚度研究

6．3 基于液体环境的内窥镜机器人设计方案的综合

6．3．1 基于液体环境的内窥镜机器人的比较与综合

6．3．2 仿蝌蚪游动与螺旋的内窥镜机器人驱动机构

6．3．3 仿蝌蚪游动与螺旋的内窥镜机器人运动及控制原理

6．4 本章小结

第七章结论与展望

7．1 结论

7．2 论文的特色与创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

博士期间发表及录用的学术论文

发布时间: 2005-10-08

参考文献

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