半自主式结肠内窥镜机器人系统研究

论文摘要

随着社会工业化的发展,环境污染、饮食结构改变、精神压力等因素对人类的健康产生了消极影响,许多人遭受肠道炎、肠道肿瘤以及肠道癌等肠道疾病的困扰。作为定性诊断和治疗结肠疾病的医疗器械,结肠内窥镜在人体结肠肿瘤性病变的诊断方面具有重要价值。然而,传统结肠内窥镜只有其前端的导向段具有可控转向功能,其余部分通过利用与肠道壁接触所产生的挤压力而被动弯曲,故容易在肠道弯曲部位发生镜体“堆积”和“结襻”现象而无法通过、损伤肠道组织甚至出现“穿孔”事故,造成病人不适和痛苦。针对传统结肠内窥镜的缺点,本文研制了一种新型的结肠内窥镜机器人。该内窥镜机器人采用多关节段连续体型仿生结构,具有10自由度主动弯曲能力。在由操作者控制其前进运动的同时,内窥镜机器人根据所建立的成人结肠弯曲模型和传感器力反馈信息主动而柔顺地改变自身的形状以适应结肠的弯曲状况,实现在肠腔非结构环境内的半自主运动。本文主要在半自主式结肠内窥镜机器人的仿生结构设计、运动学分析、在结肠肠腔环境下的通过性和柔顺控制方面开展研究。在对人体结肠的解剖学特征和连续体型机器人的仿生原理进行分析的基础上,设计了具有多关节段连续体型结构的结肠内窥镜机器人。机器人分为5段,每段各具有2个自由度,通过绳索驱动方式实现对各关节段的运动控制。针对传统D-H方法不适用于连续体型机器人运动学分析的问题,提出了一种高效并具有良好实时性的连续体型机器人运动学分析方法,利用该分析方法对内窥镜机器人单关节段和多关节段的驱动空间、关节空间以及操作空间三者的位置映射关系进行了研究,并进行了运动学仿真分析。在机械结构和运动学层面为内窥镜机器人的通过性和柔顺控制研究奠定了基础。根据成人结肠解剖学弯曲特征,构建了人体结肠的三维弯曲模型,该模型具有简练而不失一般性的特点。为了使内窥镜机器人在工作空间受限的肠腔环境内具有良好的通过性,针对结肠内窥镜机器人的多关节段连续体型结构,提出了一种基于端点重合思想的多关节段结肠内窥镜机器人肠腔环境下的半自主通过控制策略。研究了结肠内窥镜机器人在乙状结肠段和降结肠段二维结肠环境下以及横结肠段三维结肠环境下半自主通过控制策略的实现方法,并进行了通过性仿真分析,验证了通过控制策略和实现方法的可行性。研究了人体结肠组织的生物力学特性,确立了结肠内窥镜机器人与结肠壁接触压力的安全阈值,为半自主式结肠内窥镜机器人对结肠肠腔环境的柔顺控制研究提供了依据。设计了用于测量机器人关节段与肠道壁接触压力的压力传感器,并分析其力学特性。针对半自主式结肠内窥镜机器人在肠腔内部非结构环境下的适应性问题,提出了一种基于肠腔环境生物力学特性的内窥镜机器人柔顺控制策略。该控制策略不需要对机器人复杂动力学模型进行求解,因而具有较高的实时性和可行性。最后搭建了半自主式结肠内窥镜机器人原理样机实验系统,介绍了原理样机所采用的两级分布式控制系统的硬件和软件构成,对内窥镜机器人单关节段和多关节段的弯曲能力分别进行了实验,验证了所提出的多关节段连续体型机器人运动学算法的正确性。开展了刚性模拟肠道环境下机器人的通过性实验研究,验证了半自主通过控制策略的有效性。对内窥镜机器人在医用结肠模型内的柔顺运动进行了实验,结果表明内窥镜机器人对柔性肠道模型具有良好的适应性,机器人与肠道壁的接触压力可控制在安全压力阈值以内,验证了所提出的柔顺控制方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题背景及意义
• 1.3 结肠内窥镜发展现状
• 1.3.1 结肠内窥镜发展历程
• 1.3.2 电子结肠内窥镜结构
• 1.4 内窥镜机器人研究现状及分析
• 1.4.1 被动式内窥镜机器人研究现状
• 1.4.2 主动式内窥镜机器人研究现状
• 1.5 连续体型机器人研究现状
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 内窥镜机器人仿生结构设计与运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 人体结肠解剖学特征分析
• 2.2.1 人体结肠的生理特征
• 2.2.2 结肠肠腔环境对内窥镜机器人的设计要求
• 2.3 内窥镜机器人仿生结构设计
• 2.3.1 连续体型机器人的仿生原理
• 2.3.2 结肠内窥镜机器人结构设计
• 2.4 内窥镜机器人运动学分析
• 2.4.1 单关节段位置运动学分析
• 2.4.2 运动学假设条件有效性分析
• 2.4.3 多关节段位置运动学分析
• 2.4.4 位置运动学仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 内窥镜机器人半自主通过性研究
• 3.1 引言
• 3.2 成人结肠一般性弯曲模型构建
• 3.3 内窥镜机器人半自主通过总体方案
• 3.4 半自主通过控制策略与实现方法研究
• 3.4.1 半自主通过控制策略
• 3.4.2 机器人关节段末端轨迹方程构建
• 3.4.3 乙状结肠段与降结肠段通过方法研究
• 3.4.4 横结肠段通过方法研究
• 3.5 内窥镜机器人通过性仿真分析
• 3.5.1 内窥镜机器人通过性仿真模型构建
• 3.5.2 二维结肠环境下通过性仿真
• 3.5.3 一般性结肠环境下通过性仿真
• 3.5.4 内窥镜机器人通过间隙分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 内窥镜机器人柔顺控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 结肠组织生物力学特性分析
• 4.3 压力传感器结构设计与分析
• 4.3.1 压力传感器结构设计
• 4.3.2 压力传感器力学特性分析
• 4.3.3 多传感器组合结构与参数辨识
• 4.4 内窥镜机器人柔顺控制研究
• 4.4.1 阻抗控制原理
• 4.4.2 基于位置的阻抗控制策略
• 4.4.3 关节段与肠道壁接触模型
• 4.4.4 机器人关节段柔顺控制研究
• 4.4.5 关节段柔顺控制仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结肠内窥镜机器人实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 内窥镜机器人实验系统介绍
• 5.3 内窥镜机器人分布式控制系统
• 5.3.1 控制系统硬件
• 5.3.2 控制系统软件
• 5.4 内窥镜机器人弯曲实验与分析
• 5.4.1 单关节段弯曲实验与分析
• 5.4.2 两关节段弯曲实验与分析
• 5.4.3 机器人多关节段弯曲实验
• 5.5 刚性模拟肠道环境通过性实验
• 5.6 柔性模拟肠道环境柔顺控制实验
• 5.6.1 压力传感器标定实验
• 5.6.2 柔性模拟肠道环境下柔顺控制实验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历