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申请上海交通大学博士学位论文微型胃肠道疾病诊疗机器人系统及其实验研究国家自然科学基金、国家863高技术研究发展计划、载人航天领域预先研究及上海市科委资助项目专业：精密仪器及机械博士生：林蔚导师：颜国正教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2012年03月 Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityTHERESEARCHANDEXPERIMENTSOFAMICROROBOTSYSTEMFORGASTROINTESTINALDISEASESDIAGNOSESANDTREATMENTSSpecialty:PrecisionInstrumentandMachineryAuthor:LinWeiAdvisor:Prof.YanGuozhengSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityMarch,2012 上海交通大学博士学位论文微型胃肠道疾病诊疗机器人系统及其实验研究摘要消化道疾病已经开始成为威胁国民身体健康的重要问题。目前，微型胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究处于国际生物医疗器械的研究前沿。在国家和省部级科研计划的资助下，利用微机械加工、微执行器、微传感与微电子等技术，开展了面向临床应用的微型胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究。由于微型胃肠道疾病诊疗机器人运行在人体的胃肠道中，因此本文首先从胃肠道环境着手，依据其特殊的生理环境与生物力学特性，提出驻留-伸缩的主动运动方式。该机器人的动作主要由轴向伸缩与径向驻留两种方式组成。为获得机器人设计参数，对机器人的运动进行了以下几个方面的力学分析：机器人舱体运动时其外表面与肠道内壁在机器人轴线方向上的粘滞阻尼与摩擦损耗；静止时驻留舱体在径向上因支撑而带来的轴向驻留力；机器人整机在肠道中的运动条件；与肠道组织自身的弹性特性密切相关的运动效率。在上述力学分析的基础上，结合描述肠道应力-应变关系的超弹性本构方程，建立了描述机器人参数与临界步距之间关系的数学模型。通过离体肠道的物理模型实验测得模型在肠道中的运动速度与阻力等主要曲线，并将测试数据返回到临界步距数学模型中，推出了机器人参数的设计范围与基本设计准则。在已优化的机器人参数范围内，选择了微型直流电机作为机器人驱动器，并分别设计与实现了机器人的机械机构与控制系统。针对机器人机械系统，分别采用了三种方式实现了驻留机构，两种方式实现了伸缩机构，并分析了各机构的主要力学特性；机器人的控制系统分为嵌入式本体运动控制系统与体外控制台两部分，并通过具体的微电子电路实现了嵌入式系统的硬件，并编写了控制算法与人机界面；完成的第三代机器人样机直径I 摘要为13mm，长度为90mm，质量为22g，并以该参数为例，分析了机器人整机的运动特性，得到其运动时的负载曲线。为提高机器人在胃肠道中的运动效率，降低机器人对胃肠道损伤的可能性，提出并研究了基于视觉导航的机器人主动转向系统。针对实际内窥镜图像，提出了暗区导航方法。该导航方法的核心算法可分为亮度提取、图像分割以及暗区中心计算三个部分。该核心算法得到的转向矢量位于图像空间中，通过将该矢量映射到被控参数空间中，实现视觉导航系统的闭环控制。为验证算法的有效性并研究算法细节，采用了实际的小肠内窥镜图像进行实验，最终通过小肠内窥镜图片库测试了整个导航算法的精度及计算速度。针对微型胃肠道疾病诊疗机器人样机进行了力学性能测试与离体肠道实验。测试了各样机的两组力学曲线，分别是足伸出长度与支撑力关系曲线，与其轴向伸缩速度与输出力关系曲线，以验证整机的设计；在样机满足性能要求的基础上，进行了整机的水平与垂直模拟管道爬行测试，进一步测试了整机负载能力与运动速度之间的关系；最后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。在模拟肠系膜支持良好的直径为18mm的离体肠道模型中，机器人能够有效地运动。通过离体实验说明，机器人在小肠直径适应性上与设计一致，验证了驻留-伸缩的运动方式。综上所述，为了使机器人安全有效地运动在胃肠道环境中，本文从机器人运动方式入手建立了基于超弹性本构方程的临界步距数学模型，并在该模型的指导下进行了机器人的机械机构与控制系统设计，同时讨论了基于视觉的导航系统以提高机器人的安全性与运动效率，最后对研制的机器人样机进行了力学测试，通过离体肠道实验验证了驻留-伸缩的运动方式。关键字：胃肠道，微型机器人，超弹性模型，视觉导航，驻留-伸缩II 上海交通大学博士学位论文THERESEARCHANDEXPERIMENTSOFAMICROROBOTSYSTEMFORGASTROINTESTINALDISEASESDIAGNOSESANDTREATMENTSABSTRACTThediseasesofthedigestivetractbecameasignificantprobleminhumanhealthcare.Nowadays,theactivelylocomotivediagnosesandtreatmentsystemonthegastrointestinal(GI)tractisoneofthefocuspointsintheresearchofthebiotechnologyworldwide.Inthefundingofthenational,provincialandministerial-levelprojects,bythetechnologyofmicromechanism,microactuator,microsensingandmicroelectronics,theintestinalmicrorobotsystemwhichfacestheclinicalapplicationisresearched.Accordingtotheworkingenvironmentoftheintestinalmicrorobot,firstly,thespecificphysiologicalenvironmentandbiomechanicalfeaturesareanalyzed,andthegaitofanchoringandextendingisproposed.Themotionofthisrobotmainlyconsistsoftwoparts,extendinginaxialdirectionandanchoringinradialdirection.Secondly,themotionsareanalyzedinfollowingaspects:thedampingandfrictionbetweentherobotandtheintestinalinnerwall;theanchoringabilitybecauseofthesupportoflegsintheradicaldirection;thelocomotionconditionoftherobot;andthelocomotionefficiencyduetotheelasticityoftheintestinaltissues.Basedontheaboveanalyses,combiningthehyperelasticmodelwhichdescribesthestress-strainrelationoftheintestinal,amathematicalmodelthatdescribestherelationshipbetweentherobotparametersandcriticalstepisdeduced.Toobtainsomekeyparametersinthecriticalstepmodel,arobotsimulationmodelisusedinin-vitroexperiments,andtherelationbetweenthemodelspeedandtheresistanceforceisacquired.Finally,theresultsintheexperimentsareusedtosolvethecriticalstepmodelandtherangeofsomekeyparametersandsomeguidelinesinrobotdesignprocessesarededuced.Withtheoptimizedparametersrange,microdirectcurrentmotorisselectedasrobotactuator,andthemechanicalsystemanditscontrolsystemisdesignedIII Abstractandfabricated.Bythediscussionofprincipleofmachineryandthecalculationofmechanicalproperty,theanchoringmechanismisdesignedinthreeformsandtheextendingmechanismisintwoforms.Meanwhile,therobotcontrolsystemisdesignedintwoparts,on-boardmotioncontrolandexternalconsole,andthehardwareofon-boardsystemisrealizedbythemicroelectronictechnique,thecontrolalgorithmandthehumaninterfaceisprogrammed.Thirdgenerationoftherobotprototypemeasures13mmindiameter,90mminlengthand22ginweight,andbytheseparameters,therobotkineticcharacteristicisanalyzed,theloadcharacteristiciscalculated.ToincreasethelocomotionefficiencyandreducetheGItractdamageprobability,avisionbasedrobotsteeringsystemisproposedandresearched.Accordingtotherealendoscopyimage,adarkzonenavigationmethodisproposed.Thealgorithmisconsistsedofbrightnessfeatureextraction,imagesegmentationanddarkzonecentercalculation.Thesteeringvectorintheimagespace,whichiscalculatedbythealgorithm,canbemappedintothecontrolledvariablespaceandformsacloseloopcontrolofthevisualnavigationsystem.Byusingrealendoscopyimageinthesmallintestine,detailsofthealgorithmisdescribed.Theaccuracyandthespeedofthenavigationalgorithmaretestedbyusingasmallintestineendoscopyimagedatabase.Themechanicalfeatureofthemicrointestinalrobotprototypeistested,andtheprototypeisusedinanin-vitroexperiment.Firstly,therelationbetweentheanchoringleglengthandthestallforce,andtheextendingspeedandtheoutputforceofrobotprototypesaretested.Secondly,whiletheperformanceofeachmechanismfulfillstherequirements,therobotwastestedinbothhorizontalandverticalsimulationtubefortherelationofitsloadandspeed.Thirdly,therobotistestedinin-vitroexperimentsbyusingthepig’ssmallintestine.Theresultsshowedthattheperformanceindiameteradaptabilityoftherobotisthesameasthedesign,andtherobotislocomotiveintheintestinalmodel,whichsimulatestheintestineiswellsupportedbythemesentery.Asmentionedabove,thisthesisproposescriticalstepmodelbasedonahyperelasticmodelfortheGIrobotfirstly.Underthedirectionofthemodel,theIV 上海交通大学博士学位论文mechanicalsystemandthecontrolsystemisdesignedandfabricated,thekineticcharacteristicisanalyzed.Meanwhile,tomaketherobotworkingsafelyandeffectivelyinGItract,avisionbasednavigationsystem,whichusingdarkzoneextraction,isdesignedanddiscussed.Finally,theprototypesaretestedandtheentiredesignandfabricationisverifiedinexperiments.Thegaitofanchoringandextendingistestedinin-vitroexperiments.KEYWORDS:gastrointestinaltract,microrobot,hyperelasticmodel,visionnavigation，anchoring-extendingV 上海交通大学博士学位论文目录摘要.........................................................................................................................................IABSTRACT...........................................................................................................................III第一章绪论..............................................................................................................................11.1微型胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究背景与意义.......................11.2消化道诊查系统的国内外研究现状.....................................21.2.1传统内窥镜系统.................................................31.2.2被动式胶囊内窥镜系统...........................................41.2.3微型胃肠道疾病诊疗机器人.......................................61.3关键技术..........................................................151.4本文的主要内容....................................................16第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础...........................................182.1胃肠道的生理特征及组织的生物力学特性..............................182.2微型胃肠道疾病诊疗机器人运动方式与力学模型........................232.2.1伸缩-驻留运动方式.............................................232.2.2单舱体的轴向受力分析..........................................242.2.3驻留机构驻留能力分析..........................................262.2.4微型胃肠道疾病诊疗机器人运动条件..............................282.2.5微型胃肠道疾病诊疗机器人运动效率..............................302.2.6临界步距模型..................................................312.3微型胃肠道疾病诊疗机器人参数计算与实验............................322.3.1实验设计......................................................322.3.2速度与拉力关系测试............................................352.3.3足长度与临界拉力关系测试......................................362.3.4外壳材料与拉力关系测试........................................372.3.5微型胃肠道疾病诊疗机器人设计参数与临界步距关系................382.4本章小结..........................................................40第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析.......................................413.1微型胃肠道疾病诊疗机器人系统总体设计构思..........................413.2微型胃肠道疾病诊疗机器人机械机构设计..............................423.2.1驱动器选型....................................................423.2.2驻留机构......................................................423.2.3伸缩机构......................................................563.3微型胃肠道疾病诊疗机器人控制系统..................................593.3.1本体电路设计..................................................60VII 目录3.3.2运动控制系统..................................................623.3.3人机界面与通讯协议............................................683.4微型胃肠道疾病诊疗机器人运动特性分析..............................693.4.1微型胃肠道疾病诊疗机器人样机..................................693.4.2整机运动特性分析..............................................723.5本章小结..........................................................74第四章微型胃肠道疾病诊疗机器人的视觉导航算法........................................................764.1基于视觉的导航方法................................................764.2暗区提取的视觉导航算法............................................774.3转向与控制系统....................................................794.4算法研究与试验....................................................804.4.1算法有效性及其评价标准........................................804.4.2算法细节分析..................................................824.4.3多阈值分析....................................................844.4.4图库实验......................................................864.5本章小结..........................................................88第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验.......................................905.1微型胃肠道疾病诊疗机器人力学性能测试..............................905.1.1第一代机器人的力学性能测试....................................905.1.2第二代机器人的力学性能测试....................................925.1.3第三代机器人的力学性能测试....................................955.2微型胃肠道疾病诊疗机器人运动特性..................................965.2.1柔性管道爬行测试..............................................965.2.2垂直管道爬行测试..............................................985.3离体肠道试验......................................................995.4本章小结.........................................................101第六章总结与展望..............................................................................................................102参考文献..........................................................................................................................105附录一微型电机参数..........................................................................................................114附录二通讯控制字..............................................................................................................116攻读博士学位期间已发表或录用的论文............................................................................118VIII 上海交通大学博士学位论文第一章绪论微型胃肠道疾病诊疗机器人有十分广阔的临床应用前景，具有重要的研究价值，是国内外医疗器械研究的热点之一。本章首先阐述了本论文的研究背景与研究意义，说明了本研究的必要性；然后介绍了现有消化道的诊查治疗仪器和方法，主动式胶囊内窥镜的最新研究进展，通过纵览各种方法之间的异同，提出存在的问题以及改进方法；最后描述了本文的研究内容。1.1微型胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究背景与意义微机器人技术的兴起为微型胃肠道疾病诊疗机器人的研究奠定了技术基础。微机器人技术属于微机械技术、微传感技术、微电子技术及智能系统等多学科的交叉研究领域，主要研究微传感器与微执行器，是微机电系统的一种典型应用[1]-[3]。由于在体积上的微型化，微机电系统对作业对象几乎不会造成破坏与干扰；采用微机电加工工艺的产品在批量生产上有十分明显的成本优势，十分适宜于大规模量产。目前，在微智能系统与生物医学工程的交叉领域内正面临着基础理论与应用实践的双重挑战。将微机电系统应用于医疗行业，不仅有利于采用无创技术以降低手术风险与减轻病人痛苦，同时有利于降低仪器与操作成本以提高医疗技术与普查型检查的推广。根据中国卫生部公布的《第三次全国死因回顾抽样调查报告》，在2004-2005年中因消化道疾病死亡的人数为因疾病死亡人数的16.87%[4]，且该比率从1997年开始有逐年递增的趋势。消化道疾病已经开始成为威胁我国国民身体健康的重要问题。消化道的肿瘤与癌症是因消化道疾病死亡的主要原因[5][6]。从临床角度来看，肿瘤与癌症在早期呈现出血与息肉征兆，其早期治愈率较高。因此，针对消化道进行早期肿瘤与癌症筛查有重大意义。人体消化道从口腔开始，经食道、胃、小肠和大肠，到肛门处结束，人体消化道为自然开放式腔体，是进行无创检查与治疗最适宜的环境。现阶段对消化道进行检查的主要工具是内窥镜[7]。内窥镜是主要用于获取消化道内壁图像的仪器。但由于其结构限制，内窥镜无法深入到小肠的某些部分，并且对可及部分存在一定的诊断盲区。虽然内窥镜检查方式直接，但病人在检查时因生理反射有较大的不适感。临床上虽然有借助麻醉的无痛内窥镜检查，但无法应用于对麻醉剂过敏的患者，且麻醉手段本身具有一定程度的危险性。同时，内窥镜检查也部分伴随有并发症出现[8]。胶囊内窥镜[9][10]是传统内窥镜的“替代方案”。胶囊内窥镜的体积为普通医药胶囊1 第一章绪论大小，外壳由不可消化的惰性无毒材料制成，内部集成高密度的电子元器件，在吞服后可随消化道蠕动遍历整个消化道获取消化道内壁图像。由于体积小易吞服的特点，胶囊内窥镜能够大大降低病患在检查过程中的不适感。但由于胶囊内窥镜主要依靠消化道蠕动而被动地运动在胃肠道中，检查的时间较长；且检查过程不可控，无法对可疑病灶点进行反复观测，并存在诊断盲区；另外，胶囊内窥镜受限于自身的电池容量，无法进行连续视频采集。微型胃肠道疾病诊疗机器人[11]是理想的胃肠道无创检查和治疗方案。该类机器人能够在人体消化道中主动运动，一般集成了运动机构，图像传感器和控制电路，可由外科医生进行实时操作，对可疑病灶点进行反复观察。集成了活检钳与微泵的机器人还可进行组织取样和定点药物释放。许多组织与机构都对该类机器人做了学术探讨与机器人原型开发。若将机器视觉运用于本系统，实现机器人的自主导航，可以提高机器人的运动效率，同时提高机器人运动时对人体的安全性。机器视觉主要研究关于图像的采集、处理、分析与理解，以获得数值解或符号表达式以提供决策[12]，同时，机器视觉与图像处理、图形学、模式识别、人工智能、神经网络与精神物理学等领域息息相关。本论文在国家自然科学基金项目（31170968）、国家863高技术研究发展计划项目（2008AA04Z201）、载人航天领域预先研究项目（010203）与上海市科委项目（09DZ1907400）的资助下，继承前人对胃肠道组织生物力学粘弹特性的研究，设计了机器人在胃肠道中可行的运动方式，提出了基于超弹性应力-应变本构方程的临界步距数学模型；为提高机器人在肠道内的运动效率与降低机器人对肠道损伤的可能性，提出基于视觉的机器人导航算法；通过对具体机械机构与控制系统的设计与实现，研制了机器人样机，并在离体肠道环境下验证了伸缩-驻留的机器人运动方式与临界步距数学模型的正确性，为该种类机器人的进一步研究打下了基础。开展微型胃肠道疾病诊疗机器人的研究，不仅能够促进智能系统研究与生物医学工程相结合以提高现有的理论与技术水平，同时能够助推我国的医疗卫生事业，有利于提高全民健康水平。1.2消化道诊查系统的国内外研究现状内窥技术的提出早在十九世纪初，但受工程技术水平制约，直到二十世纪60年代才出现了第一台商业化的消化道内窥镜。现在，消化道系统的诊查仪器主要是传统的柔性插管式内窥镜；同时也存在着已商业化的，随肠道蠕动的被动式胶囊内窥镜；另外国内外的许多研究团队也在攻克无创式主动运动的微型胃肠道疾病诊疗机器人。2 上海交通大学博士学位论文1.2.1传统内窥镜系统内窥镜的历史[13][14]可追溯到1806年，由德国PhilippBozzini博士设计并尝试使用了可对人体腔道进行内窥观察的仪器。1822年，由美国陆军外科医生WilliamBeaumont进行了第一次人体的内窥检查。直到1853年，由法国的AntoineJeanDesormeaux设计了一套用于检查泌尿系统的内窥仪器，并第一次将该类内窥仪器称为“endoscope”（内窥镜）。在其后一百年里，内窥镜技术因受到光源与镜片的限制而进步缓慢。直到1950年，由日本Olympus光学有限公司研发出第一款可商业化的胃镜原型，其外观与原理如图1-1所示，该公司于1969年推出了第一款商业化的消化道内窥镜。(a)内窥镜外观(b)图像采集原理图1-1Olympus公司的内窥镜原型Fig.1-1theprototypeformOlympusInc.图1-2纤维内窥镜Fig.1-2Fibrescope十九世纪60年代，光导纤维这一新技术进入内窥镜研发人员的视野，开始有人尝3 第一章绪论试用可弯曲的玻璃纤维观察胃内壁图像，于1964年诞生了可同时拍照与观察的纤维内窥镜，其功能结构如图1-2所示。纤维内窥镜品种繁多，但一般包括操作软线，控制单元与插入管，可进行充气、充水与活组织取样等操作。随着光电器件的发展，出现了电子内窥镜，采用光电耦合传感器取代光纤进行图像采样，摒弃了目镜观察的方式而将图像显示在显示器上，更加便于观察。随着近年来高清视频的发展，出现了能够采集高分辨率消化道图像的电子内窥镜，提供更精细的组织细节以满足诊断要求。但从功能上来说，电子内窥镜比起纤维内窥镜并未有革命性的进步。总体来说，传统的内窥镜具有以下优点：(1)技术成熟，图像清晰，操作直观；(2)通过内窥镜插管的额外通道能够进行抽充水与充气，借以展平肠壁褶皱；(3)借助活检通道，能够进行可疑病变组织的活体取样，以及小息肉的手术。同时，也兼具以下缺点：(1)无法检测大部分的小肠段，仅能覆盖上消化道与下消化道的十二指肠、结肠部分；(2)内窥术有一定交叉感染与并发症的发生几率；(3)病人在检查过程中需要麻醉以减轻痛苦，对麻醉剂过敏的病人只能忍受插管过程的不适感；(4)内窥镜的操作过程完全由人工进行，对操作医生要求较高，存在人为失误的隐患。传统内窥镜在易用性与病人友好程度上还需要有较大程度的改进。尽管已有带主动导航等功能的插管式内窥镜研究，但均处于样机状态，并未进入商业化应用。1.2.2被动式胶囊内窥镜系统为克服传统插管式内窥镜的缺陷，出现了被动式胶囊内窥镜系统。被动式胶囊内窥镜在一个传统医药胶囊的体积里，高密度地集成了光学传感器、光源、无线发射电路与电池等部件，彻底实现了消化道内窥检查的无缆化。胶囊内窥镜能随着肠道的蠕动运动，遍历全消化道。2000年，以色列GivenImaging公司推出了可口服的胶囊内窥镜“M2A”（Mouthto（2）Anus）[15]-[17]。该胶囊内窥镜直径为11mm，长度为26mm，重量为3.7g，其功能结构如图1-3所示，由彩色图像传感器，光学镜头，照明发光管，无线发射电路，天线与电池构成。该胶囊内窥镜在人体内采集实时图像，并将图像经无线发射电路发送至体表的接收天线阵列，天线将信号送至受试者腰带上的便携式数据存储仪记录。当受试者完成整个测试过程后，便携式数据存储仪中的数据可导入医学图像工作站，患者的4 上海交通大学博士学位论文全消化道医学图像可由医生在图像工作站中调阅。2005年，中国重庆的金山技术公司将“智能胶囊（OMOM）”[18]推向市场，该胶囊内窥镜的外形如图1-4所示，且直径为11mm，长度为25.4mm，实现与“M2A”同样的功能。图1-3M2A胶囊内窥镜图1-4OMOM胶囊内窥镜Fig.1-3thecapsuleendoscopeofM2AFig.1-4thecapsuleendoscopeofOMOM2006年，日本Olympus公司在欧洲推出了“EndoCapsule”胶囊内窥镜[19][20]，其结构如图1-5所示，除了具有更高的分辨率，具备可实时显示图像的外部显示器外，其他功能与“M2A”类似。图1-5EndoCapsule胶囊内窥镜图1-6Norika胶囊内窥镜Fig.1-5thecapsuleendoscopeofEndoCapsuleFig.1-6thecapsuleendoscopeofNorika日本的RFSystemLab公布了一种不使用电池的胶囊内窥镜原型“Norika”[21]，其工作原理与内部结构如图1-6所示。该胶囊内窥镜采用受试者穿着的三组发射线圈供电，并通过改变发送射频信号的特性控制胶囊内窥镜。该胶囊内窥镜不仅可以采集受试者的5 第一章绪论消化道内壁图像，同时可以进行药物释放与活检。清华大学开发出了胶囊内窥镜原型[22]。除了采集肠道内图像的胶囊内窥镜外，上海交通大学研发了可测量胃肠道温度、压力与pH值参数的电子胶囊[23][24]。胶囊内窥镜虽然具有体较小，吞服方便的优点，但由于其在肠道中被动运动的特点，在检查中容易有盲区或产生漏检，并且由于受电池体积限制，工作时间较短，仅能采集图像信号而无法采集连续视频。1.2.3微型胃肠道疾病诊疗机器人微型胃肠道疾病诊疗机器人能够克服传统内窥镜对操作医生的高要求，同时能够提高诊查效率，遍历全消化道，并有定点施药、手术或者活检等功能，是肠道无创检查和治疗的理想解决方案。由于需要考虑胃肠道物理环境的特殊性与生物安全性，当前对微型胃肠道疾病诊疗机器人的研究尚处于实验室阶段，鲜有对能够在活体动物实验中高效运动的微型胃肠道疾病诊疗机器人的报道，并且也尚未有兼具高效运动且安全的微型胃肠道疾病诊疗器人的报道。在主动内窥概念的发展初期，研究主要集中于解决内窥镜如何适应胃肠道的弯曲。1988年，美国Ikuta等人提出了一种能够实现主动内窥镜概念的，采用SMA驱动的分节式内窥镜[25]，如图1-7所示，采用闭环反馈控制SMA的输出力，并借助伺服系统进行内窥镜的导入。1991年，美国Sturge等人提出一种半主动式的内窥镜，采用可控的球铰脊柱模型与蛇形运动结构，以实现机器人在肠道内的主动弯曲[26][27]。1996年，比利时Reynaerts等人设计了可用于机器人的，采用SMA为驱动器的脊骨机构转向器[28][29]，实现的转向机构体积小巧且内部中空，可将电子电路集成在机械机构上。图1-7SMA驱动的主动内窥镜Fig.1-7theActiveendoscopedrivenbySMA随着主动弯曲内窥镜的离体肠道与动物实验的进行，各研究团队发现在胃肠道内主6 上海交通大学博士学位论文动运动需要解决的首要问题是在肠道内的运动方式。由于微加工与微装配工艺水平的发展，小体积的机器人的实现成为可能，各研究团队开始转向针对运动方式的研究。由于主动运动的机器人是实现对肠道的主动诊查、定点施药、组织活检与手术的前提与载体，因此机器人在肠道内的可靠与有效地运动是整个微型胃肠道疾病诊疗机器人的基础与关键。采用机器人本体的微机械机构实现主动运动的机器人的运动方式主要有仿尺蠖式、仿蚯蚓式与多足运动等方式；此外还有一类采用体外磁场来引导微系统以实现主动运动；近两年出现了将体内微机械机构与体外磁场引导这两种方式结合起来的混合动力机器人。下面以各团队提出的机器人运动方式为分类依据，详细介绍有代表性的机器人样机的异同。(1)仿尺蠖式微型胃肠道疾病诊疗机器人仿尺蠖式微型胃肠道疾病诊疗机器人方案在各研究团队中采用得十分广泛。仿尺蠖式机器人的运动条件有两点，一是舱体需要提供可变且可控的摩擦力以保证该舱可驻留或可滑动，二是需要有能够改变驻留舱相对距离的伸缩舱。据文献资料，仿尺蠖式微型胃肠道疾病诊疗机器人概念由美国Grundfest等人在1994年申请的机器人内窥镜专利中首次提出[30]。该专利文件描述的仿尺蠖式机器人为多节结构，机器人的基本单元为Traction（驻留）单元和Extensor（伸缩）单元两种，机器人通过有序地驱动各个运动机构可实现在胃肠道内的运动，如图1-8(a)所示。该专利描述的机器人的驻留单元与伸缩单元的运动方式基本涵盖了后续研究中所有的仿尺蠖式机器人。同时该专利中也提及了采用蛇形运动方式的胃肠道机器人，如图1-8(b)所示。(a)仿尺蠖式机器人(b)仿蛇形机器人图1-8仿尺蠖与蛇形机器人示意图Fig.1-8theDraftofaninchworm-likeandsnake-likemicrorobot7 第一章绪论仿尺蠖式机器人的专利申请者Grundfest于1995报道了实现了该运动方式的机器人原型[31]，实现的机器人包含三个驻留机构与两个伸缩机构，采用外接气源驱动，能够在刚性管道中正常运行，在活体动物实验中运动效率较低。与上述驻留的支撑方式不同，意大利Dario带领的研发团队于1996年提出了以真空吸附方式实现驻留以提高驻留效率的仿尺蠖机器人[32][33]，如图1-9所示，并于1999年通过离体肠道实验验证了该运动方式，实验发现该机器人的吸附效率较低[34]，如图1-9(a)所示。为改善吸附效率，该团队于2002年提出了钳夹方式的驻留机构[35]-[44]，如图1-9(b)所示，并将有安全隐患的气源驱动方式更改为SMA驱动，在离体肠道实验中该机器人的运动效率大约为70%，证实了仿尺蠖方案可行。但由于该机器人采用钳夹方式进行驻留，损伤活体肠道的可能性极大。(a)吸附式(b)钳夹式图1-9气动仿尺蠖机器人原型Fig.1-9theinchwormrobotprototypedrivenbyair为使仿尺蠖式机器人有更小的体积与更好的驻留能力，美国Karagozler等人在2005年，提出了采用足表面有纤毛的机器人设想[45]，并于2006年设计出了以SMA为驱动器的机器人样机[46][47]，如图1-10所示，主要改进集中在驻留机构的安全性设计上，采用高密度的圆柱悬梁臂式结构组成的纤毛与肠道表面液体接触以提高驻留性能，其纤毛直径尺度在0.1mm左右，并且具有1：1的纵深比。为进一步改善机器人的响应速度，该团队于2009年设计了1mm直径的步进电机[48]。2010年，以色列Zarrouk等人研究了多舱体的防尺蠖机器人，并与2012年设计出了机器人样机[49]-[51]。该机器人采用一个电机驱动实现尺蠖足的开合与机构伸缩，尺8 上海交通大学博士学位论文蠖的足通过凸轮原理打开与闭合，采用两节AAA电池供电。该机器人样机如图1-11所示，其尺寸为40×50×160mm，机器人的行程为13.5mm。该机器人在刚性管道中最高的运动速度可达25mm/s。(a)机器人足端纤毛(b)SMA机器人样机图1-10SMA仿尺蠖机器人Fig.1-10aninchwormrobotdrivenbySMA图1-11单电机驱动的仿尺蠖机器人Fig.1-11aninchwormrobotdrivenbyasignalmotor(2)仿蚯蚓式微型胃肠道疾病诊疗机器人中国Lin等人于1997年提出了仿蚯蚓式的多节胃肠道机器人[52]-[54]，通过每一节的交替收缩，依靠机器人各舱体提供的摩擦力差为机器人的运动提供推力。文献从系统9 第一章绪论功能与机器人运动特征上进行了设计与仿真，说明了仿蚯蚓式机器人在肠道内运动的可行性。该胃肠道机器人于2003年由Yan等人设计实现[55]-[59]，该机器人采用微型电机为驱动器，机构响应速度快，且采用无线能量对机器人供电，第一次实现胃肠道机器人的无缆化，如图1-12所示。该机器人于2008年进行了离体肠道实验[60]-[62]，实验中发现机器人表面与肠道内壁粘附较严重，机器人的运动效率较低。图1-12多节蚯蚓机器人Fig.1-12multi-segmentearthwormrobot美国Mangan等人于2002年设计了三节式的仿蚯蚓胃肠道机器人[63]，该机器人以自回零气缸的原理进行单舱伸缩，该机器人可在刚性管道内爬行。法国Thomann等人于2002年提出了气动的结肠机器人[64]-[68]，该机器人模型由两个舱体构成，通过调节气压可以使舱体伸缩与转向。韩国Kim等人于2005年提出了两节式仿蚯蚓胃肠道机器人，并于2007年对该机器人进行了样机设计与实验[69]-[72]，如图1-13所示。在该机器人的两个舱体外均分布有微倒刺，机器人在不同的轴线方向上的运动阻力差别较大，由阻力差来推动机器人前进。图1-13两舱式蚯蚓机器人Fig.1-13two-cabinearthwormrobot10 上海交通大学博士学位论文受双气囊小肠内窥镜启发，日本Adachi等人于2011年采用了外接气源研究了4舱体组成的蠕动式仿蚯蚓机器人[73]，机器人仅靠4个舱体上的气囊有序地收缩和舒展向前运动，4个舱体能够实现多种步态。设计的机器人实验样机为刚性的，如图1-14所示，直径为15mm，长度为150mm，在弹性薄膜管道中的运动速度为0.83mm/s。图1-14气动式四舱蚯蚓机器人Fig.1-14four-cabinearthwormrobotdrivenbyair(3)足式微型胃肠道疾病诊疗机器人韩国Kim等人于2002年设计了采用电机驱动的，依靠足摆动的机器人[74]，机器人的足采用一个蜗杆同步，且各足工作在不同相位下，以持续推进机器人在肠道内运动。意大利Dario等人于2004年对多足攀爬式机器人[75]-[77]进行了运动模型求解，在2007年实现了该机器人原型[78]。该机器人的足由内部直流无刷电机驱动，通过两组足的交替划动，在实现对肠道的支撑同时能够使机器人向前运动。2008年，该研究小组进行了机器人的离体肠道与活体动物实验[79][80]，机器人及其足如图1-15所示。实验结果说明该机器人的运动速度较低，但是运动效率较高。由于机器人的足摆动幅度较大且足的长度较长，机器人的足在摆动时有刺穿肠道的危险。图1-15多足机器人及其足Fig.1-15Leggedcapsulewithitslegs11 第一章绪论韩国Kim等人在2005年设计了划桨运动的机器人[81]-[85]，机器人采用小倒钩往复运动以实现推进，并在历年的研究中逐渐增加倒钩的长度，机器人采用直流有刷电机驱动多浆划动机构，机器人仅能在肠道内沿单方向运动，于2010年进行了该机器人的活体动物实验。该机器人原型如图1-16所示。该机器人的运动速度较快，且效率较高，但其划动的桨同样存在安全隐患。图1-16划桨式机器人Fig.1-16Paddling-basedcapsule中国Gu等人在2011年设计了采用SMA驱动的，足可交替划动的机器人[86]，实现的机器人样机如图1-17。该机器人的6支足均匀分度在机器人外表面上，且每3支足为一组，通过SMA控制打开与闭合，足固定在一滑筒上，该滑筒可沿机器人机身的轴向滑动，通过组合足的开闭与滑筒的运动，实现机器人的主动运动。图1-176足SMA机器人Fig.1-176-legcapsulerobotdrivenbySMA12 上海交通大学博士学位论文(4)螺旋式微型胃肠道疾病诊疗机器人中国何斌等人于2001年在文献[87]-[89]中报道了采用双螺旋结构的医用微型机器人。该机器人通过螺旋机构与肠道内壁上液体的相互作用而向前运动，并建立了机器人和环境的数学模型，得到机器人的设计参数与控制参数。（a）机器人结构（b）离体肠道实验图1-18电机螺旋式机器人Fig.1-18spiralrobotdrivenbymotor韩国Kim等人于2010年设计了以螺旋前进机构为基础的机器人[90]，其结构如图1-18(a)所示。该机器人通过螺旋结构的摩擦力方向与机体摩擦力方向的夹角差提供前进推力。测试结果显示机器人可以以较高的速度前进，如162mm/min，但肠道在机器人的运动过程中易发生扭转以缠绕在机体上，如图1-18(b)所示，该扭转虽不影响机器人的运动，但是对肠道的安全是巨大隐患。(5)外磁场引导式微型胃肠道疾病诊疗机器人外磁场对机器人本体能够产生两种力的效果，分别是平动与转动，比起依靠转矩运动，机器人本体以平动方式运动虽然效率较低，但是有较高的安全性。外磁场驱动的胃肠道机器人的最大优势是能够降低机器人本体的体积，降低机器人本体设计的复杂度，但由于机器人的运动完全依赖于体外的磁场，因此对机器人的精确控制需要实时检测机器人的位置与姿态等参数，同时外磁场的驱动器设计也是很大的挑战。日本Arai等人在2003年设计了螺旋前进式的机器人，通过外加的三维旋转磁场与内部机器人永磁体的耦合使机器人在肠道内主动运动[91][92]，同时可带动机器人端部的手术刀进行肠道手术。中国简小云等人在2005年利用外部磁场直接作用于胶囊内窥镜内部的永磁体以引导其运动[93]，外部磁场采用组合线圈产生，并尽量避免胶囊内窥镜在肠道内转动以增加安全性。13 第一章绪论中国张永顺等人在2009年设计了采用外加旋转磁场耦合机器人内部永磁的方式驱动胶囊机器人[94][95]，如图1-19所示，通过控制外部三维旋转磁场的强度、方向与转速，能够调节机器人的运动速度与姿态，同时机器人本体能够改变直径以适应不同肠道段的直径。该机器人能够在离体肠道的水平与垂直段顺利运动。图1-19变直径式螺旋机器人Fig.1-19spiralrobotwithvariablediameter韩国Hong等人于2011年设计了外部螺旋磁场引导的胶囊内窥镜[96]，外部磁场的产生采用旋转的永磁体，该机器人在离体肠道实验中运动速度高达250mm/min，在活体实验中运动效率最高达83%。(6)其他运动方式的微型胃肠道疾病诊疗机器人韩国Lim等人于2001年提出了采用类似气缸原理的惯性式主动运动机器人[97]，通过调整充放气的速度以调节机器人与肠道间的作用力，并安装有主动转向机构，该机器人可以有效地运行在刚性管道中。以色列Kosa等人于2005年提出了采用压电驱动器驱动的游泳机器人[98]，将压电材料设计成直径为1mm，长度为10mm的细长状以模拟生物体鞭毛的游动，借以推进机器人在液态环境内的运动。日本Li等人于2006年设计了电动的惯性胃肠道机器人[99]，通过机体惯性与摩擦力的差引导机器人前进。(7)混合动力的微型胃肠道疾病诊疗机器人结合了多种运动方式的胃肠道机器人由于各种驱动方式能够相互取长补短，更能适应胃肠道的工作环境。但由于混合动力系统的设计复杂度远高于各个单独运动系统的叠加，因此对研发人员提出了更高的要求。意大利Dario等人于2010年设计了一种依靠机器人本体机械机构驻留，依靠外部磁场引导运动的胃肠道机器人[100]，如图1-20所示。机器人本体上装配了永磁体，在外磁场驱动下可以改变机器人姿态，配合驻留机构的开合，能够实现机器人前后两个方向14 上海交通大学博士学位论文的运动。通过结合两种驱动方式，该机器人在离体实验中能够通过塌缩的肠道，并且不受肠道内容物的影响而正常通过。图1-20混合动力机器人的工作原理及样机Fig.1-20theworkingprincipleandaprototypeofthehybridlocomotionrobot日本Pan等人于2011年提出了结合外部旋转磁场引导本体螺旋前进、本体划桨运动与本体尾部螺旋浆推进三种运动方式的胃肠道机器人[101]，并制作样机测试了机器人运动的可行性。从以上各团队的研究进展发现，主动式微型胃肠道疾病诊疗机器人运动原理主要基于两种方式：在机器人本体上集成微型机械机构由机器人提供运动力；通过人体外施加矢量磁场引导机器人在肠道内运动。机器人本体集成微型机械机构的机器人虽然结构较复杂且开发难度大，但在主动运动的操纵性上有较高的灵活性。1.3关键技术本文研究面向临床胃肠道疾病诊疗应用的主动运动的微型机器人系统。该系统主要由胃肠道主动运动微型机器人，数字视频导航系统与机器人体外控制子系统组成。机器人需能够在肠道内进行有效的主动运动，直径不能超过13mm，需要能够在肠道内转弯，能够克服肠道蠕动实现与肠道的相对静止，同时能够满足向前与向后两个方向的运动，为适应肠道的垂直段，机器人需能够克服重力在垂直方向上运动。机器人体外控制系统应具有友好的用户图形界面，能够实时控制机器人运动，同时能够对机器人的主要控制参数做相应设定。本课题有如下关键问题待研究解决：(1)机器人在活体肠道内的运动方式。因为肠道的特殊环境，世界各科研单位研究15 第一章绪论的微型机器人样机的爬行效率都较低，无法实现安全有效的运动。鉴于微型机器人为组织活检与药物释放的基础，其运动方式的设计与研究成为微型胃肠道疾病诊疗机器人的关键。(2)机器人运动机构设计与制作。由于需在有限的体积内集成所有机器人运动机构，驱动器与传动机构的微型化在设计与加工中有较大难度。为了验证设计的结果，需将设计图纸加工制作成实验样机。鉴于现有机械加工水平，微细零件的加工与组装为实现样机的难点。(3)机器人本体控制系统微型化。对于无缆工作的微型机器人，机器人本体的驱动与控制等电路必须形成独立的系统，因此需在有限的体积中集成驱动电路、控制电路、无线通讯电路与天线。(4)机器人导航控制算法。由于对机器人的导航控制在实时性上的要求较高，且机器人导航系统关系到胃肠道的安全性，因此需要采用成熟可靠有效且计算量小的算法。1.4本文的主要内容本文首先讨论微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境与胃肠道的生物力学特性，并据此提出一种符合人体胃肠道生理特征的驻留-伸缩的运动方式，通过物理模型的离体肠道实验获取参数，并根据生物力学特性推导机器人参数设计范围，在满足设计参数要求的前提下进行了机器人的机械机构系统与控制系统的设计与实现，并针对驻留-伸缩式胃肠道疾病诊疗机器人在胃肠道中的导航提出了暗区追踪算法与导航控制系统，最后通过对机器人样机的机械机构测试与模拟管道测试，验证机器人系统设计的正确性，并通过离体实验进一步验证了驻留-伸缩的运动方式。具体的章节分布如下：第一章，分析了微型胃肠道疾病诊疗机器人的研究背景，回顾了胃肠道诊断治疗系统的发展，重点梳理了主动式胃肠道诊查系统的发展与研究现状，对比了各个研究团队的工作，借以找到当前研究的不足与局限。第二章，主要研究微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境，并导出机器人参数的设计范围。分析比较三种胃肠道生物力学模型，进而采用超弹性本构方程分析胃肠道组织的应力-应变关系。针对胃肠道的特殊环境提出采用驻留-伸缩方式的运动步态，分析了该机器人与胃肠道之间的轴向与径向力的相互作用情况与机器人运动的必要条件，进而推导出基于超弹性应力-应变本构方程的临界步距数学模型。为获得具体的机器人参数范围，采用机器人物理模型在离体肠道中进行实验，并对实验数据进行处理与分析，以获得机器人在不同直径肠道中的运动参数，并将得到的参数返回到临界步距数学模型16 上海交通大学博士学位论文中，推导出机器人参数的设计范围与若干设计准则。第三章，主要进行微型胃肠道疾病诊疗机器人系统的设计与分析。在机器人的可行参数范围内设计了机器人的机械机构，从理论上计算驻留机构与伸缩机构的力学性能；根据机器人控制要求设计了机器人的控制电路与控制系统；在理论设计的基础上进行机器人的机械机构与电子电路的实现及控制代码的编写；装配实现了三代机器人样机；在第三代机器人具体参数的基础上进行了机器人整机的运动学分析。第四章，主要进行微型胃肠道疾病诊疗机器人导航算法的研究。为提高机器人的运动效率，降低机器人对肠道损伤的可能性，提出机器人导航控制系统。分析了机器人具体的工作环境，提出了暗区导向的导航方法，将导航算法分割为亮度提取、图像分割与寻找暗区中心三个子过程，并将图像算法得到的暗区中心映射为控制系统的控制参数。为验证提出的算法的有效性，采用小肠的内窥镜图像库作为测试对象验证了图像算法。第五章，主要进行微型胃肠道疾病诊疗机器人的整机测试。首先对三代机器人样机进行了力学测试，以获取其足伸长量与支撑力之间的关系，以及伸缩速度与输出力之间的关系。在了解了各样机的基本力学性能基础上，选取第三代机器人，采用柔性管道模拟肠道进行机器人的运动特性测试，验证了机器人的设计，并采用离体猪小肠建立模拟肠道环境进行离体实验。第六章，对全文的总结以及对后续工作的展望。17 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础微型胃肠道疾病诊疗机器人运行于人体消化道中，由于人体胃肠道生理结构的特殊性，及其生物力学特征的复杂性，因此在设计时必须首要考虑机器人在胃肠道中的运动适应性。本章首先分析了胃肠道的生理结构特性与其生物力学特征，然后在此基础上提出机器人的可行运动方式，并针对该运动方式分析其运动有效性及其运动效率，最后，针对与该机器人的运动密切相关的阻力特征进行了测试。EquationSection22.1胃肠道的生理特征及组织的生物力学特性图2-1胃肠道系统示意图Fig.2-1thediagramofthegastrointestinaltractsystem胃肠道系统是由胚胎时期的内胚层发育而成的，整个胃肠道均由黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层组成，具有一致的基本结构。胃肠道具有消化和吸收摄入食物、水分和营养的功能，胃肠道内容物的运动主要依靠肠胃自身的蠕动。蠕动运动由内环肌层与外纵肌层的协调收缩-舒张运动产生，推动食物在肠道内的运输。对胃肠道的机械刺激能够18 上海交通大学博士学位论文激发其蠕动。胃肠道内有一系列括约肌能够有效阻止食物反流。广义的胃肠道指全消化道，包括口腔、咽喉、食道、胃、小肠、结肠和肛门，其结构如图2-1所示。由于微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动特性主要与胃肠道的力学特征相关，因此本节主要讨论胃肠道管壁的基本结构特点与生物力学特性。小肠是消化道中连接胃和结肠的部分。成年男性的活体小肠长度大约为6-7m，其直径大约为25cm左右。由于小肠的长度占胃肠道总长的比例较大，且其直径较小，因此本文中的机器人主要针对小肠而设计。小肠包括十二指肠、空肠和回肠，主要负责吸收食物中的大部分营养物质。十二指肠长度约为25cm，连接幽门和空肠；空肠大约长度为2.5m，约占小肠全长的2/5，因其管腔常呈排空状态而得名；回肠约占小肠全长的3/5，由回盲括约肌与结肠相连接。小肠的三个部分无明显界限。空肠与回肠在肠道中由扇形肠系膜吊悬于后腹壁，因此小肠在腹腔中有较大的可移动性。食糜经过小肠大约需要2-3小时，由小肠的分节运动和蠕动作用向肛门方向推进。小肠的分节运动与肠道的环形肌的进行性收缩和舒张有关，其蠕动运动与纵行肌有关，这两种运动的作用是叠加的。图2-2小肠管壁基本结构Fig.2-2thestructureofthesmallintestinalwall如图2-2所示，以小肠为例介绍胃肠道管壁的基本结构。与胃肠道其他部分的组织结构相同，小肠包括黏膜，黏膜下层，肌层和浆膜层。小肠黏膜为直接与食糜接触的组织，负责吸收氨基酸、脂肪和糖类等营养物质，黏膜层包括上皮层、固有层与黏膜肌层。黏膜下层为结缔组织，位于黏膜肌层与小肠肌层之间，其组织松散并富含水分。小肠肌层为平滑肌，由纵行肌层与横行肌层组成，网状间质为肌层间的主要成分。肌纤维分布19 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础在间质中，外层肌纤维沿消化道的长轴方向排布，为纵行肌；内层肌纤维沿消化道环向排布，为环行肌。正由于有纵行肌与环形肌的交替、有节律收缩与舒张产生了小肠的分解运动与蠕动。浆膜层由一层均匀平滑的细胞组成，该细胞分泌黏液以减小肠道在腹腔内运动时的摩擦。微型胃肠道疾病诊疗机器人在肠道内运动时，对胃肠道管壁的作用力将使肠道发生形变，胃肠道组织的生物力学特性及其结构特征将决定微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动方式，并制约机器人的运动参数。由于大部分肠道由肠系膜悬挂于后腹腔上，在无内容物充盈时，肠道内壁在腹腔内受重力与腹压的共同作用下粘附在一起。因此，对于微型胃肠道疾病诊疗机器人的研究，主要关心胃肠道的生物力学特性，胃肠道内壁与内容物间的摩擦特性。胃肠道生物力学特性与胃肠道管壁的组织构成和神经活动密切相关。大部分的活体胃肠道生物力学实验都是通过造瘘方式进行，一般研究胃肠道的收缩特征，很少研究其弹性特征[102]。相比之下，离体胃肠道生物力学实验则进行得较多，能够避免机体运动和呼吸作用及相邻器官工作的影响，但实验的时间受限，一般只能进行几个小时。目前人们对胃肠道生物力学特性的认识远远落后于对其他系统的认识。胃肠道生物力学特性主要由胃肠道管壁的肌层贡献，虽然肌肉的生物力学模型由Hill建立并应用在对骨骼肌和心肌等力学分析上，但是根据Hill模型对平滑肌的力学分析结果“十分可疑”[103]。由于平滑肌在松弛状态下的力学性质，常因消除其自发活性的方法而不同，而骨骼肌的收缩机制并不依赖于其静态特性。但由于平滑肌具有自发收缩能力，因此无法将平滑肌张力分解为被动和主动，无法用Hill模型导出本构方程。文献[104]中描述了肠道的被动弹性，发现同一个体的不同肠道段的弹性是不同的；文献[105][106]描述了肠道中压力与肠道体积变化的关系，以解释肠道的应力-应变关系；文献[107]采用离体人体肠道实验了应力应变关系，测得了以拉格朗日应力-应变方程描述的肠道力学特性；文献[108]测试了肠道的蠕变特性，从形态学与生物力学方面对胃肠道特征进行了建模。由于胃肠道的研究样本多基于离体实验，而胃肠道样本刚度很低，对细长且薄的样本做压缩实验研究其压缩性能基本不可能[103]，因此现有文献中均采用拉伸方式测量胃肠道样本的应力-应变关系，进而提出拉伸特性的胃肠道本构方程。对应于压缩特性的胃肠道本构方程未有文献记述。尽管还无法精确地用本构方程来描述胃肠道的生物力学特征，但是已知其生物力学特征，如滞后、松弛、蠕变、各向异性和非线性的应力-应变关系。滞后是指对胃肠道样本做周期性的加载和卸载，加载时的应力-应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重合。松弛是指当胃肠道样本突然发生应变时，在保持应变一定的条件下，相应应力会随20 上海交通大学博士学位论文时间的增加而下降。蠕变是指对胃肠道样本保持应力一定，样本的应变会随时间的增加而增大。同时具有上述三个特点的材料称该材料具有粘弹性。在线性理论中，Boltzmann提出了一个一般的粘弹性体力学模型[103]。在t时刻，一个样本的伸长长度为ut()，该应变在瞬时负载Ft()和历史负载共同作用下产生的，假设Ft()连续可微，则在一个微小时间t内，负载的增量为(dFddtt)，该负载的增量(dFddtt)在t时刻内使ut()增加了一个微量dut()，则dut()的发生时间与(dFddtt)的发生时间相差了(t-t)，定义一个蠕变函数Ct(-t)以表达在保持同一负载下应变的变化。在上述分析基础上可假定dut()与dF的关系为：dF(t)du()t=-C(tdtt)(2-1)dt由Blotzmann可加性原理，对式(2-1)进行积分得到：tdF(t)u()t=-òC(tdtt)(2-2)0dt定义一个松弛函数Kt(-t)，同时互换上述描述中ut()与Ft()的因果关系，可得到如下关系式：tdu(t)F()t=-òK(tdtt)(2-3)0dt更接近生物组织的粘弹性力学模型[103]由Fung提出，该模型为准线性粘弹模型。考虑一个样本受到阶跃的伸长，该样本受到的应力是时间函数，也是伸长比l的函数，定义该函数为松弛函数：(e)K(ll,t)==G(t)TG(),(01)(2-4)(e)式中，Gt()是归一化松弛函数；T(l)是弹性响应。上述关于阶跃伸长的假设较为苛刻，这里假定样本受到应力后，其应变的变化是连续的，则伸长比l可表达为时间t的函数，在t（t+fF(2-23)PushFrontResis后舱受到伸缩机构提供给前舱的推力F的反作用力，由于驻留机构的打开，后舱的外Push圆柱面与肠道间的粘滞阻力与摩擦力的和记为f，由于后舱有向后运动的趋势，则后Rear28 上海交通大学博士学位论文舱的端部受到的肠道阻力为F¢，则后舱保持相对静止的条件为：ResisF£+fF¢(2-24)PushRearResis图2-9机器人的伸长与缩回过程中的轴向受力Fig.2-9theextendingandcontractingconditionoftherobot在后舱缩回过程中，前舱受到了伸缩机构提供的拉力F，同时其驻留机构在打开Drag状态，则前舱的外圆柱面与肠道间的粘滞阻力与摩擦力的和记为f¢，由于前舱有向后Front运动的趋势，前舱端部并不受到肠道的阻力。因此，前舱保持相对静止状态的条件为：Ff£¢(2-25)DragFront而后舱受到伸缩机构向前的拉力F，后舱的外圆柱面与肠道之间的粘滞阻力与摩Drag擦力的和记为f¢，则后舱从静止到向前运动的条件为：RearFf>¢DragRear(2-26)由式(2-23)到(2-26)可以得到机器人向前运动的基本力学条件。首先，伸缩机构提供的推力F或拉力F必须大于驻留机构缩回状态时舱体与肠道间的粘滞阻力与摩擦PushDrag力之和（如f），且该推力或拉力必须小于驻留机构在展开状态时舱体与肠道间的粘Front滞阻力与摩擦力之和（如f¢）；其次，外舱体与肠道间的粘滞阻力和摩擦力之和，在Front驻留机构的展开状态和缩回状态下的差值应该尽量大，以使伸缩机构提供的推拉力有较29 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础大的范围，从另一方面也可以提高驻留机构在打开时的驻留效率。2.2.5微型胃肠道疾病诊疗机器人运动效率由于胃肠道的生物力学特性与驻留机构展开后，舱体与肠道之间有相对滑动的可能性，因此机器人在肠道内爬行时的实际步距将比理论步距小。机器人的运动效率可以表示为：h=hhca(2-27)其中，h为机器人伸缩时，因胃肠道的粘弹性而导致步距损失的效率，h为驻留机构展ca开后，因驻留舱与肠道相对滑动而导致步距损失的效率。图2-10描述了机器人前两个运动周期中，肠道与机器人之间的轴向相对移位关系。当机器人被送入胃肠道中，与机器人紧贴的肠道处于零应变状态，肠道的初始长度记为L。由于胃肠道的滞后与蠕变特征需要一定的时间跨度才能够表现出来，而机器人的每0个步进周期是一定的，且周期大大短于胃肠道的蠕变时间参数，因此，为了简化胃肠道与机器人之间轴向相对位移关系的分析，假定胃肠道为超弹性体，且在给定应力下其伸长比为l（l³1），在给定应力下其压缩比为e（e£1）。在第一个伸长过程中，首舱往前运动了步距s，则肠道由于自身的弹性在机器人的作用力下被拉伸后的总长为sL+，对应的肠道的零应力长度为(sL+)l，则该过程中00肠道的伸长量为：-1u10=(sL+)×-(1l)(2-28)在第一个回缩过程中，尾舱在向前运动距离u时，使肠道恢复了零应变状态；在尾1舱自身完成一个步距s的回缩后，肠道由于自身的弹性在机器人的作用力下被压缩后的总长为L，对应的肠道的零应力长度为Le，在该过程中肠道的压缩量为：00-1uL20=-(e1)(2-29)因此在起始运动周期时，机器人的运动效率为：=s--uu12=-1éù+×---11+-hc1ëû(sLL00)(11le)()ss(2-30)在第二个机器人伸长过程中，首舱往前运动时需要先克服上个回缩周期中对肠道的压缩量u，使肠道恢复零应变状态。当首舱完成自身的整个步距s的伸长后，肠道产生2了形变u¢，而参与变形的肠道长度为sL+，则形变u¢与第一个伸长过程中的形变u相101130 上海交通大学博士学位论文等。在第二个回缩过程中，肠道需要先克服伸长过程中的肠道变形量u¢，在达到最大步1距s后，肠道被压缩的长度为u¢，同样的，被压缩后的肠道长度为L，因此被压缩的长20度u¢与第一个回缩过程中的压缩量u相等。则第二个运动周期机器人的运动效率也可22以由式(2-30)表示，则机器人在所有运动周期中的运动效率均能用该式表示。L0su1suu+12u1uu+12图2-10机器人的两个起始运动周期Fig.2-10thefirsttwocyclesofrobotlocomotion2.2.6临界步距模型微型胃肠道疾病诊疗机器人舱体在肠道内匀速运动时，机器人本体的机械机构对该舱体施加的作用力大小与肠道对该舱体施加的阻力F的大小相等，则作用在肠道上的沿肠道轴线方向的应力大小为：31 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础FFS==lApdh(2-31)其中，A为肠道壁的截面积，d为肠道的直径，h为肠道壁的厚度。为得到轴向机构的最小伸长量的设计参数，对(2-30)取h=0，求解临界步距得：cle-sL=crital0e(2-32)为将机器人设计参数与临界步距联系起来，联合式(2-11)、(2-18)、(2-31)与(2-32)，可得到以下关系：ìle-1sL=ïcrital0eï442ïæ1ö3ll-+1æö31kI-12éùk(l2-1)c1-+11×k×-11éùe21Coll()+ke×-(l2)21LMïinç4÷421Collç÷êú11LMêúïèl1ø24ll11èøëûëûí(2-33)m+mm¢×v+m++2mmgï(rr)(rbinfed)ï=ïpdh4ï31l+1ïI=12î4l1由于胃肠道组织的刚度小，无法进行压缩实验测试其应力-应变关系，也没有对应的本构方程的讨论，因此式(2-33)中的压缩比e无法通过理论模型对应到应力-应变关系中。式(2-29)给出了减小模型(2-33)误差的参数的趋势，如减小两个伸缩舱间的距离，以减小参与压缩的肠道总长L，与减低驻留机构在回缩时与肠道的粘滞阻力与摩擦力。02.3微型胃肠道疾病诊疗机器人参数计算与实验为了优化伸缩-驻留式微型胃肠道疾病诊疗机器人的主要设计参数，如步距s，伸缩机构推力与机器人运动速度v，同时验证其它设计参数对主要参数的影响，需要在理论模型的基础上，通过实验获取模型中的参数与常数值。通过模型在离体肠道的匀速运动实验，可以得到机器人运动速度、伸缩机构推力与肠道直径之间的关系，以获得模型(2-33)中的部分参数。通过驻留模型在离体肠道的临界拉力实验，可以得到机器人的足伸出长度与驻留能力之间的关系，以验证机器人的驻留机构设计参数。2.3.1实验设计32 上海交通大学博士学位论文为验证在驻留机构打开与闭合的情况下，舱体的粘滞阻力与摩擦力对机器人运动能力的综合影响，设计若干组机器人模型的离体肠道实验。第一组实验采用了无伸出足的机器人模型，舱体长度为40mm，直径为13mm，采用ABS材料加工，通过让模型在不同直径的肠道中匀速运动以得到运动速度与拉力之间的关系；第二组实验采用伸出足长度可调节的机器人模型，舱体长度为40mm，直径为13mm，足的伸出长度从0.5mm至6.5mm可调节，通过让模型在给定直径的肠道中从静止到运动，来测试不同足伸出长度下的机器人驻留能力。第三组实验采用不同外壳材料的相同直径机器人，在同一直径的肠道中匀速运动以获取该材料与肠道的摩擦系数，为后期工程材料选择做依据。图2-11机器人模型测试实验台Fig.2-11Robotmodeltestbench.为进行上述三组实验，搭建了一个专用的实验台，其结构如图2-11所示。该实验台主要由一个直线位移平台，直线位移传感器，测力计，高清摄像机，计算机与样本托盘组成。为使机器人模型匀速运动，采用一个由步进电机驱动的直线位移平台，步进电机每转一圈需要200个脉冲，为提高步进电机的转角控制精度，采用细分驱动器以1/128的细分数驱动电机，细分驱动器的脉冲输入由频率发生器提供。步进电机通过连接的滚珠丝杠驱动直线平台，滚珠丝杠的导程为8mm。为保证直线位移平台以给定速度运动，将以直线位移传感器安装在平台上，通过实时采样传感器的绝对位移，在数据处理时将绝对位置值差分处理以得到对应的平台运动速度。将测力计固定在直线位移平台上，测力计的传感器挂钩通过挠性连接到机器人模型上。测试肠道样本放置于肠道托盘上，内置机器人模型，肠道样本的一端夹紧固定于托盘上，肠道的另一端呈自由状态，整个肠33 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础道水平摆放在托盘上。在托盘正上方安装了一台高清摄像机，肠道的形变可以实时记录下来。整个实验台的仪器设备的控制信号和传感器的信号均连接到一台计算机上以实现测试自动化，减小测试过程的人为误差。采用的主要仪器设备详见表2-1。表2-1机器人模型实验主要测试设备与仪器Table2-1Maininstrumentsusedintherobotmodeltesting仪器名称制造商型号测力计Shimpo,日本FGC-0.5B直线位置传感器Evernew,中国KTC-250电机细分驱动器Actmotor,中国DQ542台式数字万用表Agilent,美国34401A高清摄像机Canon,日本EOS60D稳压源Instek,中国GPS-2303C(a)实验中使用的小肠样本(b)微型机器人模型与可调节的足(c)多种外壳材料的机器人模型图2-12肠道与机器人模型。Fig.2-12Smallintestinesampleandrobotmodels.由于猪小肠在生理组织结构上与人相近，因此采用新鲜离体的猪小肠作为实验样本。肠道样本采自约130公斤重的上海白猪。为保证消除小肠的应激肌张力，在小肠离34 上海交通大学博士学位论文体时，将小肠置于低温中存放5小时。实验前截取三段20cm长的小肠，测量每段肠道各自的平均直径，分别为17.2mm、19.1mm和20.4mm。肠道在测试前采用生理盐水冲洗以清除肠道内的食糜。整个取样过程均将肠道置于空气中，且在进行机器人模型测试时室温保持为26℃。试验中采用的肠道与机器人模型如图2-12所示。2.3.2速度与拉力关系测试为测试机器人在驻留机构闭合的情况下，机器人舱体在离体肠道中受到的阻力与其运动速度之间的关系，采用无足的，ABS外壳材料的机器人模型，由直线工作台上的测力计匀速拉动，拉动的距离约20mm，测力计的值在实时记录以后对全程取均值作为该数据点的阻力值。直线工作台的运动速度覆盖了0.5mm/s到5mm/s的范围，以保证覆盖机器人在实际工作中伸缩机构的直线运动速度。太低的运动速度将使机器人在实际检测中耗费过多的全程爬行的时间，而太高的运动速度可能导致病人在检测时有不适感，并且增加损伤肠道的风险。由于同一段肠道在不同位置的直径不同，因此机器人模型每测试一次均被摆放回同一位置。该部分实验可分为三组，每组数据分别对应了不同肠道直径。标记第一组实验数据对应17.2mm直径的肠道，第二组为19.1mm，第三组为20.4mm。在第一组实验数据里，当机器人模型的运动速度低至0.3mm/s，需要约0.30N的拉力以维持机器人匀速运动，当模型的运动速度约为2.5mm/s时，拉力的大小为最低速度的一倍。当机器人模型的运动速度为5.0mm/s时，需要约0.85N的拉力。第二组数据中，当机器人模型的运动速度低至0.3mm/s时，需要约0.3N的拉力，而当模型运动在5.0mm/s的速度时，需要的拉力约为0.60N。第三组数据与前两组数据有相同的趋势，当速度低至0.3mm/s时，需要约0.3N的拉力，而当速度达到5.0mm/s，拉力的大小约为0.50N。表2-2速度-阻力曲线关系拟合结果的统计数据Table2-2Statisticaldatainthespeed-forcefitting拟合结果SSE2RRMSE在17.2mm肠道中0.03420.95810.0462在19.1mm肠道中0.01310.93630.0286在20.4mm肠道中0.00590.91980.0191根据式(2-18)，测试得到的拉力与速度关系呈线性，因此对三组测试数据分别采用线性拟合，得到的曲线如图2-13，拟合结果的统计数据详见表2-2，其拟合可信度高于35 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础0.9。由于机器人模型与肠道内壁存在静摩擦，因此三根拟合的直线均不通过原点。从理论分析上看，三根拟合的直线应该交汇在纵坐标轴上的除原点外的一点，但实验得到的数据拟合的曲线不交汇在一点上，造成该误差的主要原因是三组实验数据是串行取得的，由于无法同时对三个不同样本做测试，导致肠道组织与内环境的变化而引起的。从实验数据发现，机器人在直径较大的肠道中较容易通过；为覆盖不同的肠道直径范围，且保持一相对稳定的速度，机器人的伸缩机构需要提供较大的推力范围。）N（ercoF图2-13速度-拉力测试中的模型运动速度与拉力关系Fig.2-13Modelvelocityvs.appliedforceinvelocity-tensiontest2.3.3足长度与临界拉力关系测试为测试驻留机构的足伸出长度与临界拉力关系，采用一个足伸出长度可调节的机器人模型，足的材料为铜，测试用的肠道段平均直径为20.4mm。测试时，将机器人模型的足伸出长度调节到某一固定值，然后放置到肠道中的一个固定点，对机器人模型施加的拉力变化率约为每秒0.05N，肠道的变形由高清摄像机监控，当由肉眼观测到有机器人位移时停止拉力的增长，全过程中对拉力实时采样，取拉力的峰值为该足长度点的临界拉力。当测完一个临界拉力时，将机器人重置回初始位置，以保证在相同直径点下做重复测量，每个足长度点测量5次并取均值。当足长度为0.5mm时，临界拉力值为约0.4N，该数据点接近在速度-拉力测试中，模型速度最低时的拉力值。当足长度约为5mm时，临界拉力约为0.8N。而当机器人模型的足伸出度为6.5mm时，机器人模型最大外径接近肠道直径20.4mm，临界拉力为0.9N。实验数据绘得的曲线如图2-14所示。36 上海交通大学博士学位论文)N(ldohserhTecroF图2-14机器人足伸出长度和临界拉力的关系Fig.2-14modelleglengthvs.thresholdresistantforce.从该实验结果中看出，当在足伸出使机器人模型最大外径接近肠道直径时，临界拉力能够达到机器人无足时的两倍以上，说明该三足驻留模型简单可行。2.3.4外壳材料与拉力关系测试图2-15不同材料外壳的模型速度与拉力关系Fig.2-15modelvelocityvs.appliedforceinmaterial-tensiontest37 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础比较四种不同的外壳材料在同一直径的肠道下的速度与拉力关系，四种材料分别为黄铜、硅胶、天然橡胶与ABS材料。为保证测试模型的重量基本一致，采用ABS材料为模型内芯加外层材料的组合，并保证加了封装材料外壳的模型在直径上约为13mm。测试过程与2.3.2节中速度-拉力实验过程相同。对应不同的材料，拉力范围在0.9N到2N之间。原始数据与其对应的拟合曲线如图2-15所示。2.3.5微型胃肠道疾病诊疗机器人设计参数与临界步距关系采用2.3.2节的物理模型速度与拉力测试拟合的曲线求解式(2-18)，得到对应于肠道直径为17.2mm的a=0.1073，b=0.3231，对应19.1mm的a=0.0529，b=0.3267，对应20.4mm的a=0.0311，b=0.3406。从文献[109]中获取对应于肠道的超弹性本构方程的一组参数，c=1.58KPa，k=22.01KPa，k=12.1，k=2.17KPa与k=0.84。in1Coll2Coll1LM2LM根据模型（2-33），在肠道厚度为h=1mm，假设参与变形的最小有效肠道的长度为L=20mm，并忽略肠道的可压缩性，取压缩系数e=1，整理得到机器人舱体运动速度与0临界步距之间的关系式：ìïïscrital=-0.021(l1)ïæö4-222+ïí1580ç÷1-1+31l1×22010×I-1éùee12.11(I1-)+21701×l2-=éù0.841(l1-)abv44(11)êúëû()êúïèøl112lpëû0.001hï431l+ïI=112ïî4l1(2-34)由Matlab通过数值方法绘出运动速度与临界步距的关系曲线如图2-16所示。为获得机器人机体长度与临界步距的关系，由于机器人的机体长度决定了参与变形肠道的长度，因此选定L为自变量，用数值方法计算在运动速度为2.5mm/s时的机体长度与临界0步距关系曲线，如图2-17所示，从整体上看，当参与变形的肠道长度从10mm变化到100mm时，仿真结果显示机器人系统的临界步距从2.5mm到20mm左右变化。该仿真说明在机器人设计时需要尽量缩短机器人长度以缩短参与变形的肠道长度。在式(2-34)中，与临界步距相关的机器人设计参数除了舱体运动速度、机器人的直径和机器人的长度以外，还有机器人的质量m、机器人舱体外表面与肠道的摩擦系数rbm、机器人舱体外壁的粘性系数m与机器人头部的粘性系数m¢。从临界步距模型中发drr38 上海交通大学博士学位论文现，机器人的质量m与摩擦系数m决定了整机的静态摩擦力，m与m越大临界步距rbdrbd越大；粘性系数m与m¢决定了机器人的动态特性，系数值越大机器人在提高运动速度rr后将受到越大的阻力。Dds图2-16机器人单舱运动速度与临界步距的关系Fig.2-16Thevelocityofrobotcabinvs.criticalsteplength)m(mpteslactiriC图2-17参与变形的肠道长度与临界步距的关系Fig.2-17intestinallengthinvoledvs.criticalstep39 第二章微型胃肠道疾病诊疗机器人的运动环境及力学基础通过上述分析与总结，得到机器人在参数选择时的若干准则：(1)设计中在满足体积要求的前提下，为适应不同直径的肠道段，机器人的直径应尽量小，以降低通过小直径肠道段时的阻力；(2)设计中在满足体积要求的前提下，机器人的长度应尽量短，以减少参与变形的肠道长度，若机器人的步距长度为10mm，当参与变形的肠道长度为20mm时，机器人伸缩运动的效率可达60%；(3)根据图2-16，可选择机器人的运动速度可调，在小直径肠道段中降低运动速度以提高运动效率，在大直径肠道段中在不大幅降低运动效率的前提下适当提高运动速度，通过速度调整以平衡机器人在全消化道中的运动时间，机器人单程的运动速度可选择在1mm/s到3mm/s的范围内；(4)在满足机械机构强度与功率传递前提下，应减量降低机器人的质量；(5)应尽量选择与肠道摩擦系数低的材料作为机器人的外壳；(6)机器人在轴线方向的两个端部需要尽量平滑，以降低运动中的阻力。2.4本章小结本章首先介绍了胃肠道的结构及生理特点，并介绍了三种胃肠道生物力学模型；提出了满足胃肠道物理特征的驻留-伸缩式运动方式，分别分析了轴线方向与径向方向上机器人与胃肠道壁的相互作用，提出了机器人的运动条件，分析了机器人运动效率，在上述力学模型的基础上提出了基于超弹性应力-应变本构方程的临界步距数学模型；后通过实验测得相关的运动参数，并返回临界步距模型中计算得到主要的机器人设计参数范围，同时根据该数学模型导出了机器人设计参数选取时的若干准则。40 上海交通大学博士学位论文第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析在完成了微型胃肠道疾病诊疗机器人主要设计参数的计算与辅助参数的验证后，从机械机构、驱动电路与控制系统上进行整个机器人系统的设计，实现伸缩-驻留式的微型胃肠道疾病诊疗机器人的功能。本章首先进行机器人机械机构的分析与设计，并计算了机构的力学特性；而后对根据功能需求设计机器人的驱动电路与控制系统，实现对了机器人的运动控制与远程操作；接下来根据机器人机械机构与电子系统等各功能部件的设计实现了具体机器人系统；最后根据实现的机器人参数，分析了机器人的运动特性。EquationSection33.1微型胃肠道疾病诊疗机器人系统总体设计构思微型胃肠道疾病诊疗机器人系统由机器人本体，无线信号收发器与上位机三部分组成。通过上位机对机器人本体发送控制信号，机器人本体收到信号后确认并执行该请求。机器人本体前端的视频传感器能够实时采集视频信号并向体外发送，通过上位机可查看与存储视频信号。机器人本体的机械机构的微型化设计与实现是整个设计的难点与重点。由于机器人需要独立工作在胃肠道环境中，对机器人本体的紧凑性与独立性要求很高。机器人在胃肠道中的主动运动依靠一组独立的机械机构完成。整个机器人本体的机械机构是微型胃肠道疾病诊疗机器人系统的基础。由于要求机器人本体的体积小，因此需要选择尽量小的驱动器，尽量短的机械传动链，并微型化机械零件。同时为了匹配机器人设计参数中对力学性能的要求，如推力或速度等，需要从理论上验证设计。根据驻留-伸缩的运动方式要求，将机械需求在设计中去耦合以简化设计，将各个驻留与伸缩机构采用独立的驱动器，并以驻留机构与伸缩机构两种独立机械单元考虑。为实现对机器人本体步态的控制，可将步态控制器与单轴运动控制器分开部署，即将步态控制器部署于上位机，而机器人本体的控制电路仅实现每个单轴机械机构的运动控制。虽然分开部署能够降低机器人本体的复杂度，但该方案对系统的通讯量要求较大，不仅对机器人本体有限的资源造成负担，同时也增大了整机功耗。因此考虑将步态控制算法内置入机器人本体控制器中，即机器人本体能够在外部控制命令下响应步态请求，对所有的机械机构实现自动顺序控制组成机器人步态，步态控制系统的控制命令通过无线通讯端口接收。对于机器人本体电子电路的设计，需要在有限体积内集成电机驱动器，电流传感器与混合信号处理器等主要电子部件。41 第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析3.2微型胃肠道疾病诊疗机器人机械机构设计3.2.1驱动器选型为满足机器人对体积与驱动功率的需求，应合理选择机械机构的驱动器。各种不同种类的驱动器有各自的优势，如形状记忆合金（SMA）有很小的体积，直流无刷电机寿命长工作可靠，直流有刷电机驱动方式简单，微型步进电机不需减速器即可输出较大转矩，超声波电机运动平滑可直接输出直线位移等。表3-1比较了上述几种驱动器的特点，在此基础上，考虑到电机的适用性好，装配方便，容易购买，选用直流有刷与直流无刷两种电机。表3-1微型驱动器的比较Table3-1Compareofsomemicroactuators驱动器类型功率-体积比响应速度驱动方式其他特点SMA高慢低电压，高电流仅单方向力输出直流有刷电机中快H桥驱动输出转速较高直流无刷电机中快驱动电路较复杂寿命长，输出转速高微型步进电机低快驱动电路复杂低转速高扭矩超声波电机极低快驱动电路复杂可直接输出直线位移日本Namiki公司生产的SBL04-0829PG系列空心杯三相无刷无传感器直流电机，直径为4mm，搭配不同减速比的行星减速器能够达到低转速如345rpm或者80rpm。附录一中表7-1列出了本研究中采用的两种该型号的电机的具体参数特性。中国Constar微电机公司生产的0610RN空心杯有刷直流电机，直径6mm，额定转速为11300rpm，转子惯量小，驱动电压低。附录一中表7-2列出了该电机的详细技术参数。3.2.2驻留机构在第二章的足长度与临界拉力关系测试中发现，当机器人的足伸出长度约为3.5mm时，在18mm直径的肠道中，驻留机构提供的驻留力是足伸出长度为0mm时的两倍，42 上海交通大学博士学位论文因此在驻留机构设计中，以单足最大行程3.5mm为主要设计指标。为实现机器人驻留机构的多点凸起，考虑采用平面四摆杆、平面螺线盘凸杆与双螺杆三足三种实现方式。3.2.2.1平面螺旋机构如图3-1所示，为带自锁的平面螺旋机构的零件与装配示意图。机构由三种零件构成，零件(a)为矩形杆件，宽度与零件(b)的导槽相同，能够在导槽中沿径向自由滑动，杆件末端有一圆柱凸起，与零件(c)的螺旋槽配合；零件(b)导槽盘上的三个导槽中线沿圆周径向方向且均匀分度；零件(c)为三线的平面螺旋盘，三条螺旋线起点在圆周上均匀分度；该机构能够将平面螺旋盘(c)的旋转运动转换为杆件(a)在径向上的伸缩运动。装配体如图3-1(d)所示。(a)(b)(c)(d)图3-1平面螺旋式径向钳位机构Fig.3-1theplaneArchimedesspiralanchoringmechanism平面螺线采用阿基米德螺线，该螺线上的点与螺线原点的距离与该点的矢量角呈线性关系，因此该径向机构的伸出量与平面螺旋盘的转角呈线形关系。设计中采用螺线的螺距为5mm，螺线螺旋角度为270°，以120°的夹角均匀分布3条螺线。由螺距P与可转角度R，由公式l=PR/2p可计算得径向位移l为3.75mm。a.自锁能力计算为求得该机构的自锁范围，需求得螺线的压力角。连接转动圆心O与螺线上一点A，A点上螺线的切线方向与径向法线的垂线夹角为a，如图3-2所示。平面螺旋盘的导槽中心线的螺线参数方程为：ì5x=y()q=+qqcos0.3ïï2pí(3-1)ïy==j()q5qqsinïî2pp其中，参数q为螺线上一点的矢量角，本设计中取££qp2。243 第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析图3-2阿基米德螺线Fig.3-2theplaneArchimedesspiral由于导槽宽为0.84mm，根据公式(3-1)得到平面螺旋盘上对杆件外推的螺线参数方程为：ì5x=y()q=-qqcos0.12ïï2pí(3-2)ïy==j()q5qqsinïî2pp其中££qp2；对(3-2)式求导得：2ì5ïïy¢()q=-(cosqqqsin)2pí(3-3)ïj¢()q=+5(sinqqqcos)ïî2p则螺线的切线方程为：yq¢()sinq+qqcosy¢==(3-4)j¢()qcosq-qqsin直线AO的斜率为：5qqsin2pk=(3-5)15qqcos-0.122p由曲线夹角公式计算得压力角a：pyk¢-1a=-arctan(3-6)21+yk¢144 上海交通大学博士学位论文)°(legnaerusserP图3-3平面螺旋盘转角与压力角关系Fig.3-3theplaneanglevs.thepressureangle用数值方法得到q与a的关系曲线如图3-3所示。从图3-4杆件对螺线径向推力的受力分析可知，当满足以下方程时机构能够自锁，即杆件对平面螺旋盘的推力无法使盘面转动：mFFcosaa³sin(3-7)其中，m为导槽与杆件的摩擦系数，本设计中的两种零件分别是钢与铜，系数值为0.3。对(3-7)式进行数学变形得到机构自锁条件：a£=rm¢arctan()(3-8)图3-4自锁分析Fig.3-4theanalysisofself-lockable其中，r¢定义为当量摩擦角，可计算得到对应于摩擦系数0.3的当量摩擦角为16.69°。由于当压力角小于当量摩擦角时能够自锁，由图3-3关系曲线可知，该机构在q45 第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析从90°到183°的范围内无法实现自锁，当q超过183°可实现自锁。若对应到径向变化的行程上，即杆件的伸出长度在1.2mm范围内无法自锁，当伸出长度超过1.2mm时能实现自锁。针对肠道直径的大小，该自锁范围能够满足要求。b.推力计算如图3-5所示，F为杆件受到的正压力，F为导槽对杆件的法向支持力，F为接PNm触点的摩擦力，a为压力角，即杆件受到的推力方向与杆件运动方向的夹角，j为摩擦角，即杆件受到的推力因摩擦力引起偏转角，F为电机转矩产生的等效力。根据受力平T衡，从图3-5(a)中可列出杆件与导槽的受力关系：ìFcosjcos()a+jm=+FFpN2í(3-9)îFFcosjsin()aj+=N其中m2为杆件与导槽间的摩擦系数，消去FN，整理得：FF=[cosjcos(a+j)-+mcosjsin()aj](3-10)p2由图3-5(b)列出水平方向受力平衡条件：FpFaFNAjFFmTFNBrFOO图3-5杆件推力Fig.3-5thethrustforceofbarF=+FFcosaasinTm(3-11)根据转矩与力的关系：TF=T22xy+(3-12)46 上海交通大学博士学位论文其中，T为输出转矩，由式(3-10)、式(3-11)与式(3-12)推出：Tcosjcos(a+j)-+mcosjsin()aj2F=pxy22+mcosaa+sin1(3-13)Leglength(mm)图3-6伸出长度与径向推力关系Fig.3-6theleglengthvsthrustforce根据电机输出转矩138.9mNm/A，空载电流0.07A，采用2：1的齿轮减速比，计算得T为19.446mNm；每套驻留机构有三支刚性足，因此对应到每个杆件上的转矩大小为6.482mNm。用数值方法计算出伸出长度与推力的关系如图3-6所示。该推力最大值在杆件伸出长度最短时，其数值大小为3.35N，随着杆件的伸出，推力单调减小，当杆件伸出长度为3.75mm时达到最小值2.7N。3.2.2.2平面四摆杆(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)图3-7驻留机构爆炸示意图Fig.3-7theexplodedviewofclampingmechanism如图3-7所示，为平面四摆杆机构的爆炸视图。电机(c)经减速箱(a)内的齿轮组(b)减速后，传动到轴承套(d)，轴承套(d)经滚珠轴承(e)安装固定于电机(c)上，轴承套底盖47 第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析(f)上均匀分度有四个孔，可将足(g)安装于孔内使足旋转，同时足上开有一字槽，低端法兰(h)上的凸出轴伸入足上的一字槽内，当轴承盖底板(f)被齿轮箱驱动时，足(g)可产生径向的伸缩运动。齿轮箱采用5级齿轮传动，其传动比分别为3:1、3.25:1、3.25:1、1.125:1、5:1，整体齿轮箱减速比约为178：1，在电机额定转速下，减速器的输出转速约为1.05rps，因足的可转动角度为75.86°，其全行程的运动时间约为0.22s。图3-8轴承盖转角与足长度关系示意图Fig.3-8thediagramofbearingcoveranglevs.leglength如图3-8所示，O为转动圆心，A为足绕转盘的旋转点，B为足绕底端固定法兰凸出轴的转动点，C为足最末端点。定义AB为k，AC为l，AO为r1，BO为r2，CO为rx，a为∠AOB，b为∠BA0，根据余弦定理可列出：ìr=l22+-r2lrcosbïx11í(3-14)22ïk=r+-r2rrcosaî1212将(3-14)式变形为：ì222pl+r-2lr1-sinbb;0££ïï112r=íxïl2+r22-2lr1-sin;bp££bp11ïî2(3-15)根据正弦定理得：kr2=(3-16)sinabsin将式(3-16)变形为：rsina2sinb=(3-17)k由式(3-15)和(3-17)得到：48 上海交通大学博士学位论文ì22ï22+--sinar2££plr2lr1;0b1122ïr+-r2rrcos2aï1212r=í(3-18)xïsin22arp222ïl+r+2lr1;-££bp1122ïr+-r2rrcos2aî1212由数值方法绘得轴承盖转角a与足伸出长度rx的关系曲线如图3-9所示。由图3-9中可看出，两者为近似线性关系，可方便于控制足伸出长度。Bearingcoverangle(°)图3-9轴承盖转角与足伸出长度的关系曲线Fig.3-9bearingcoveranglevs.leglength图3-10足的受力分析Fig.3-10mechanicalanalysisoftheleg对足的受力分析如图3-10所示，得到沿足轴向方向的对外推力为：49 第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析ìpæöppïFFcos(-b)-msin;ç÷-mgsinq++mqmgcosmgerbrbrbFïî33372 上海交通大学博士学位论文其中，Fa为驻留机构提供的等效轴向驻留力，Fe为伸缩机构的对外输出力，mF为前舱对应阻力等效的质量块质量。该式说明，该机器人在前舱带负载的向上爬行中，机器人的后舱需要提供足够的驻留力，同时伸缩机构的推力必须能够克服机器人自身的重量、运动阻力以及外加负载。FaFaFeFeqqmmrbrbgg33qqq22mgmgrbrbmg33FmgR（a）前舱上升（b）后舱上升图3-33机器人的负载爬坡能力Fig.3-33theloadedclimbingfeatureoftherobot机器人的后舱能够顺利向上爬行的条件为：ì1F³+Fmgsinqïïaerb3í(3-36)122ïF-mgsinq>mgsinq++mqmgcosmgerbrbrbRïî333其中，mR为前舱对应阻力等效的质量块质量。该式说明，该机器人在后舱带负载的回缩中，前舱需要提供足够大的驻留力，同时伸缩机构的拉力需要克服机器人后舱自身的重量、运动阻力以及外加负载。将机器人样机的具体参数代入式(3-35)与式(3-36)中，可计算得到当机器人与管壁的摩擦系数大于0.085时，机器人在无负载时斜面最大倾角大于等于90°，说明机器人在无负载下可在竖直管道中爬行。而当摩擦系数小于0.085时，当电机工作在额定功率下，摩擦系数与最大的爬升角度之间的关系曲线如图3-34所示，该曲线说明斜面越光滑，机器人的爬坡倾角越小。采用数值方法计算机器人在斜面爬升中，最大负载力与斜面倾角关系，得到的曲线如图3-35所示。由于伸缩机构在额定功率下的输出力能够达到2.7N，整机的负载能力则由驻留机构决定，当机器人表面与肠道的摩擦系数越大，机器人的负载能力越强。73 第三章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统设计与运动特性分析图3-34摩擦系数与最大爬坡角度关系曲线Fig.3-34thefrictionalfactorvs.maximumclimbinganglem=0.5m=0.5m=0.4m=0.4m=0.3m=0.3m=0.2m=0.2m=0.1m=0.1图3-35斜面倾角与机器人负载能力关系（m>0.1）Fig.3-35theclimbinganglevs.maximumrobotload(m>0.1)3.5本章小结本章首先在设计参数的指导准则下，进行了机械子系统设计，将去耦合的机械系统分为驻留机构与伸缩机构两部分，分别采用平面螺线盘凸杆、平面四摆杆与双螺杆三足三种机构实现了驻留机构，同时分别采用螺纹条传动与双光轴螺旋传动两种机构实现了伸缩机构，在设计机构的同时对机构的力学特性进行了分析与计算；设计了满足机器人控制要求的控制系统，机器人本体电路负责执行机构的驱动与步态控制，外部控制台负74 上海交通大学博士学位论文责人机对话，基于通讯要求设计了一套本体电路与外部控制台之间的控制字符集；在上述设计的基础上，将机械机构与控制电路实现并装配成三代机器人样机；最后以第三代样机的设计参数为例分析了机器人的运动特性。75 第四章微型胃肠道疾病诊疗机器人的视觉导航算法第四章微型胃肠道疾病诊疗机器人的视觉导航算法为提高驻留-伸缩式微型胃肠道疾病诊疗机器人的转向能力，同时提高机器人在人体内运动时的安全性，机器人需要能够主动检测肠腔的走向并能根据检测结果自动转向。由于额外的传感器将增加机器人的体积，在分析机器人系统的视频传感器获取的实时视频基础上，检测出肠腔走向得到转向参数，进而指导转向机构转动。EquationSection44.1基于视觉的导航方法装有导航系统的机器人可以降低其在肠道运行过程中对肠道损伤的几率，同时提高机器人的运动效率[116]。由于建立实时的人体胃肠道数字模型十分困难且昂贵，这对机器人在胃肠道中的导航带来一定难度。通常情况下，需要采用断层扫描或者核磁共振技术来获取准确的人体胃肠道数字模型，但由于胃肠道在腹腔中有较大的可移动性，任何体位的改变或者肠道的蠕动均有可能对已经建立的数字模型带来误差。另一方面，如果机器人的导航借助于断层扫描信息，则在机器人运行的全过程都需要精密的大型仪器配合，虽然该方法在技术上可行，但是出于成本考虑，势必对该类具有导航能力的机器人技术的推广应用带来一定阻碍。据上述原因，对于机器人在人体胃肠道中的导航不考虑采用实时扫描的数字地图模型。为寻找一种可以解决胃肠道数字模型的实时性，又能兼具低廉造价的技术，以解决机器人的实时导航问题，考虑在机器人本体上附加传感器并获取实时数据。虽然接触式传感器[117]、红外传感阵列或者超声波传感器可以满足该要求，但是额外的传感器需要占用机器人本体的空间而使机器人进一步增大。考虑到机器人带有出于诊断需求而配备的视频传感器，若能够从机器人的实时视频中挖掘出有效的导航信息，导航中的传感器问题即可解决。为满足机器人导航要求，在硬件上仅需增加主动转向机构及其控制系统。主动转向机构可以安装在首舱与中舱之间，且在两个自由度上控制两个舱体间的角度。首舱安装有完整的视频传感器与无线视频传输模块，同时中舱需要具备有微转向机构、驱动器、控制器与无线通讯模块。设计的导航系统的工作流程如下：由图像传感器实时采集肠腔的视频信号，并由无线图像发射模块对外发送，医疗工作站实时采集肠腔的图像；由一组算法将肠腔图像实时处理，并计算出转向参数；转向参数在编码后通过无线数据收发模块发送到机器人本76 上海交通大学博士学位论文体上的转向控制器，在控制器内部解码命令后驱动转向机构，机器人首舱实现转向。4.2暗区提取的视觉导航算法视觉导航算法负责提取当前图像中关于肠腔走向的特征参数，是整个导航系统的核心。为实现从机器人的视觉中提取转向特征值，考虑以下情景：在一个漆黑的迷宫中，一个人举着微弱的火把试图寻找前进的方向。由于火把的光线太弱且迷宫很窄，他仅能看清距离他很近的地方。假设墙面与地面的反光率一致且材质均匀，由于他身边的墙面距离光源较近，而可以行走的路面距离光源较远，则他判断朝亮的方向行走将会碰壁，朝较暗的方向行走可能不会碰壁，因为相较于同一视野内，较亮的是墙面。由于没有其他辅助电子设备，他仅能以判断亮暗的方式决定下一步走向。通过上述场景分析，可以得到关于视觉导航中寻转向参数的初步准则，即通过寻找当前视野中亮度对比较暗的区域为机器人所在位置的肠腔走向[118]。同时，从真实内窥镜图像[119][120]角度来看，暗区提取法也十分可行[121][122]。基于上述判断，视觉导航算法中对图像的处理问题可以分解为图像亮度特征提取、图像分割与区域中心计算问题。为了便于直观观察，机器人前端的诊查用视频传感器是基于特定色彩空间的。为了进行导航信息挖掘，首先需要解决图像从色彩空间映射到亮度空间的问题。由于RGB空间在图像中较为通用，因此着重讨论RGB色彩空间到亮度空间的映射问题。RGB空间由红（Red）、绿（Green）与蓝（Blue）三元色构成像素的颜色。而包含亮度分量的色彩空间有HSV空间，该空间的三个分量为色调（Hue）、饱和度（Saturation）与亮度oo（Value）三个分量组成，其中HÎé0,360)，SÎ[0,1]，VÎ[0,1]。HSV空间有时也称ë为HSB空间，其中B也为亮度（Brightness）。由于HSV空间为RGB空间的一个衍生空间，则两个空间的构成分量可以相互转换，其中V分量与RGB空间的转换式为：V=max(R,GB,)(4-1)另一个对亮度信息的定义称为流明（luminance），流明值是RGB空间的一组加权值，用于表示非彩色图像。根据1982年的Rec.601标准，国际电信联盟对流明的定义是：Y=0.299R++0.587GB0.114(4-2)该式被用于将隔行扫描的模拟图像进行数字化编码。采用（4-1）或（4-2）式可以获取RGB图像的亮度信息。在获取亮度信息后，采用图像分割技术[123]-[126]进行亮度图像中的暗区提取。对于单色图像的分割，通常首先77 第四章微型胃肠道疾病诊疗机器人的视觉导航算法需要选取合适的阈值。考虑到该算法在不同情况下的适应性要求，需要选取一种无参数与无需人工干预的阈值选择方法。这里选用由NobuyukuOtsu提出的一种基于灰度直方图的阈值选择方法[127]，也称为最大类间方差算法。考虑一个单色图像的灰度值共有L级，即[1,2,…,L]，并将第i级的像素的数量记为n。则阈值k落在1到L之间，将所有的像素分成两类。两类像素的类间方差定义为：i22sB=-w0w1(mm12)(4-3)*其中，w为该类的出现的概率，m为类均值。而最优阈值k为以下目标函数的极小ii值：2*2ssBB(kk)=max()1£150<30>150<30120-150>150120-150<3090-12030-60120-15090-12030-6060-9090-12030-6060-9060-90图4-7图库测试中的误差分布Fig.4-7theerrordistributioninthedatabasetest>0.60.58-0.6>0.6>5.20.55-0.6<0.574.5-5.2<0.543.9-4.5<3.90.57-0.580.54-0.55图4-8图库测试中的算法时间分布Fig.4-8thealgorithmrunningtimedistributioninthedatabasetest从全图库测试中发现，单阈值与双阈值的平均耗时较短且较为接近，而三阈值法的平均耗时约为单阈值与双阈值法的8倍。同时，平均识别误差随着阈值数的提高而降低。86 上海交通大学博士学位论文从算法误差的绝对值上看，若假设肠道的直径为25mm，库图中的照片每个像素可以对应于约0.05mm，对于单阈值法，该误差的绝对值约为4.6mm，对于双阈值法，该误差的绝对值约为3.8mm，对于三阈值法，该误差的绝对值约为3mm。图4-9数据库测试中的小误差图片示例Fig.4-9Exampleswithsamllerrorsintheimagedatabasetesting鉴于识别的精度，三阈值法较适合用于驻留-伸缩式微型胃肠道疾病诊疗机器人的转向调整。由于机器人每个运动周期约为10s，因此三阈值法能够在一个运动周期内完成两次转向调整；另外从误差的绝对值上看，三阈值法的误差精度基本能够满足机器人在肠道中的导航要求。为进一步了解三阈值图像分割算法在全图库测试中的细节，选取该算法在图库测试中误差最小与误差最大的图片各四张说明该算法的特点。如图4-9所示，为图库测试中误差最小的四张图片，其中图4-9(a)的绝对误差约为0.3mm，图4-9(b)的绝对误差约为0.4mm，图4-9(c)的绝对误差约为0.5mm，图4-9(d)的绝对误差约为0.6mm，识别的方向均能较好的指向肠腔的深处。如图4-10所示，为图库测试中误差最大的四张图片，87 第四章微型胃肠道疾病诊疗机器人的视觉导航算法其中图4-10(a)的绝对误差约为8.8mm，图4-10(b)的绝对误差约为8.5mm，图4-10(c)的绝对误差约为8.2mm，图4-10(d)的绝对误差约为7.7mm。从两组图片中的对比发现，较小误差的图片在亮度分布上较为均匀，图片的亮度值跨度较大，且图片中的褶皱数量较少，暗区指向性明确；误差较大的图片总体上褶皱层数较多，肠腔深处的面积占图片总面积较小，亮度值的跨度不够大，光源不够均匀。图4-10数据库测试中的大误差图片示例ig.4-10Exampleswithlargeerrorsintheimagedatabasetesting4.5本章小结采用主动转向机器人能够提高运动效率，降低损伤胃肠道组织的可能性。本章提出了用于微型胃肠道疾病诊疗机器人的基于视觉的导航系统，通过分析机器人的运动环境提出暗区识别为基础的导航方法，并将暗区识别算法分解为亮度提取、图像分割与暗区中心搜索三个子算法，其中图像分割算法为整个导航系统的设计重点，为保证算法的速度与可靠性，采用成熟的Ostu算法进行图像分割的阈值提取；整个算法最终输出基于图像面的转向矢量，为满足控制要求，将该矢量映射到控制参数上，并描述了可行的随88 上海交通大学博士学位论文动控制系统框图；为了说明暗区提取的方法，采用小肠的内窥镜图像作了算法的细节分析，比较了不同阈值条件下的暗区提取精度与速度，并采用一个98幅图像的小肠内窥镜图库测试了该算法，当采用三阈值法分割时，识别误差平均约为3mm，平均耗时约为3.90s，最大耗时为6.28s，能够满足采用驻留-伸缩式运动的微型胃肠道疾病诊疗机器人的导航应用要求。89 第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验在完成对驻留-伸缩式微型胃肠道疾病诊疗机器人的建模、设计与实现的基础上，通过对机器人整机的力学特性曲线测试来验证机器人系统的机械与电路设计，同时验证机械机构的力学分析与计算，有助于进一步加深对该驻留-伸缩式机器人的理解与认识。为研究机器人整机的动态特性与运动能力，设计了多种模拟肠道环境，并通过离体肠道实验来揭示该运动方式的有效性与局限性。EquationSection55.1微型胃肠道疾病诊疗机器人力学性能测试微型胃肠道疾病诊疗机器人的力学测试主要针对机器人足的支撑力与机器人伸缩时力与速度的关系，验证设计的正确性。该测试有利于进一步了解机器人的运动特性，为机器人整机可靠运行提供保障，同时也为理解机器人适用环境打下基础。5.1.1第一代机器人的力学性能测试采用如图5-1的装置测试第一代机器足的支撑力。在底座上固定测力传感器用来检测径向伸出杆推力，在另一端固定支架用于垂直安装机器人本体，调整机器人本体的高度使伸出杆件与测力传感器的测力臂在同一水平上。机器人支架可沿测力传感器的测力臂轴线方向做位移调节。图5-1平面螺旋机构推力测试示意图Fig.5-1thedraftoftestingtheplaneArchimedesspiralmechanism如图5-2所示为测力装置实物。选取伸出量为1.7mm、2.5mm、3.2mm与3.7mm作为测试点，测得推力的分别为3.062N、2.695N、3.028N和2.581N，实测值与理论90 上海交通大学博士学位论文值的偏差不大于12%。图5-2平面螺旋机构推力测试Fig.5-2thetestbenchoftheplaneArchimedesspiralmechanism为测试机器人的运动速度与推力特性，设计如图5-3所示的实验装置。实验时，使机器人的运动法兰回缩上提重物，当运动法兰匀速运动时，重物受力平衡，此时机器人轴向伸缩机构的拉力与重物的重力相等，其中，运动法兰的位置由激光测距仪检测，通过差分运算即可得运动法兰的速度，该速度即为轴向机构在负载情况下的输出速度。通过该装置与方法，能够测量轴向机构在不同负载下的轴向拉力。由于轴向机构在轴向方向有对称性，其轴向拉伸能力与轴向推出能力一致，本实验中测试的轴向拉力数据亦可说明机构轴向推出能力，搭设的实际测量装置如图5-4所示，为方便质量的增减，采用水作为重物。激光测距仪标志片机器人本体测力计运动法兰测力臂滑轮工作台面重物图5-3螺纹条传动机构测试示意图Fig.5-3theDraftoftestingscrewtransmissionmechanism在3.7V的工作电压下，测得拉力与速度关系曲线如图5-5所示。当机构空载时，91 第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验轴向速度约为0.4mm/s，当负载达到1.3N左右，速度衰减到空载速度的70%。图5-4螺纹条传动机构测试实验Fig.5-4Thetestbenchofscrewtransmissionmechanism0.450.40.350.30.250.20.15Velocity(m/s)0.10.05000.0970.1830.2760.3660.4550.5420.7440.8340.9150.9761.0491.1241.2111.3061.4091.506Force(N)图5-5螺纹条传动机构的拉力与速度关系Fig.5-5Forcevs.speedonscrewtransmissionmechanism5.1.2第二代机器人的力学性能测试采用如图5-6所示的装置测试第二代机器人足的支撑力。在底座上固定测力传感器，在另一端固定支架用于垂直安装机器人本体，可调整机器人本体的高度使伸出杆件与测力传感器的测力臂在同一水平高度上，机器人支架可沿测力传感器的测力臂轴线方向做92 上海交通大学博士学位论文微小调节。如图5-7所示为测力装置实物。由于在理论计算上，该机构的支撑力与足伸出长度的关系呈近似线性关系，因此对测得的数据采用直线拟合，得到曲线如图5-8所示。图5-6平面摆杆机构推力测试示意图Fig.5-6thedraftoftestingtheplaneswingbarmechanism图5-7平面摆杆机构推力测试Fig.5-7thetestbenchoftheplaneswingbar)N(ercoflltaS图5-8平面摆杆的足伸出长度与堵转推力关系Fig.5-8leglengthvs.stallforceoftheplaneswingbar93 第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验为了获取第二代机器人的伸缩速度与负载能力关系，同时减小测试中的人为误差，采用如图5-9所示的实验装置，并将测试中使用的仪器设备的输出采用计算机采集。图5-9双光轴螺旋传动机构，拉力测试(上)与推力测试(下)示意图。(a)测力计.(b)机构.(c)运动板.(d)运动台.(e)激光位移传感器.(f)滑轮.(g)负载.(h)桌面.Fig.5-9Twooutputbarsscrewtransmissionmechanismforceandspeedtestbench.Pullingtest(top).Pushingtest(bottom).(a)Forcegauge.(b)Extendingmechanism.(c)Movingplate.(d)Slider.(e)Laserdisplacementsensor.(f)Pulley.(g)Load.(h)Bench.设计两套实验装置以分别测试伸缩机构的推力与拉力。对于拉力的测试，将该机构的本体安装在测力计的传感器上，并在机构的运动平板上通过柔性连接安装一个重物，为方便激光测距传感器检测运动平板的实时位置，将一质量很轻的标记物附加在运动平板上以增大平板的面积。通过加减重物的质量可以调整机构的负载，测力计的输出反应了机构在整个运动过程中的负载变化，激光测距仪记录运动平板的实时位置，通过差分运算各个实时位置可得到运动的速度，进而将机构所带的负载与机构运动速度联系起来。类似的，采用相同的方法测试机构的推力，仅在推力负载上有所不同，为了使机构推动重物时对负载输出的力能够保持与螺杆轴线在同一方向，先将重物挂载在一滑动小车上，平台上的导轨能够使小车仅运行在一个自由度上。但由于小车的摩擦力，使推力测试无法从零负载开始。采用如图5-10所示的实验装置测试，测试的负载范围从实验装置能够施加的最小负载到机构的额定负载的1.1倍。测试结果曲线如图5-11所示。从测试结果看出，两根推拉曲线基本重合，说明机构的推拉特性基本相同。机构在无外部负载时，最高的回缩速度为4mm/s；当机构工作在额定功率下，有3.5N左右的负载能力；当对机构施加了4N左右的负载量，机构的运动速度下降到2mm/s。通过该测试说明对机构的设计满足94 上海交通大学博士学位论文机器人的力学要求。图5-10双光轴螺旋传动测试台Fig.5-10Twooutputbarsscrewtransmissionmechanismtestbench)/smm(yitcloevtelapginvoM图5-11双光轴螺旋机构的输出力与速度曲线Fig.5-11Outputforcevs.speedofthetwooutputbarsscrewtransmissionmechanism5.1.3第三代机器人的力学性能测试为测试第三代机器人驻留机构的支撑力，将第三代机器人垂直摆放，由于机器人有自定心能力，为使机构三个足上受力相等以提高实验的准确性，设计有三足支撑一足测力的测试机构，如图5-12所示。采用一个夹角为120°的V型支架支撑三足机构的两个足，并使第三个足接触测力计的传感器，V型支架与测力计安装在同一测试平台上，且机器人在测力平面上有自由度。为了测试不同足伸出长度情况下的机构的支撑力，V型支架在沿测力计的测力方向上可调节。测试结果如图5-13所示，在全行程内该机构的95 第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验支撑力的均值为0.78N。由于第三代机器人的伸缩机构与第二代机器人相同，因此第三代机器人的伸缩速度与推理特性不再赘述，可见5.1.2节。图5-12双螺杆三足测试台Fig.5-12thetestbenchoftwoscrews/threelegsmechanism——Theoreticalvalue—·Measuredvalue,(N)FxStallForce,Radialdisplacement,x,(mm)图5-13双螺杆三足的足长度与支撑力关系Fig.5-13radialdisplacementvs.stallforceoftwoscrews/threelegsmechanism5.2微型胃肠道疾病诊疗机器人运动特性在了解了三代机器人样机的力学特性的基础上，针对第三代微型胃肠道疾病诊疗机器人样机进行其运动性能测试。主要测试机器人在柔性管道中的位移-时间特性及其克服重力的能力。5.2.1柔性管道爬行测试采用柔性管道测试机器人在低负载，低阻力条件下的运动性能。柔性管道的材料为PVC薄膜，其厚度为0.08mm，直径约为16mm。为模拟肠道在腹腔中的固定方式，将96 上海交通大学博士学位论文薄膜管道通过两端固定后悬挂在测试台上以模拟肠系膜对肠道的支持作用，并使管道松弛以避免薄膜壁紧绷而失去柔性特征，悬挂的管道有约15°的上升与下降坡度。在固定端插入了一段刚性管道以方便机器人的手动导入。图5-14样机的薄膜管道测试Fig.5-14prototypetestinginaflaxiabletube如图5-14所示，机器人通过400mm长的薄膜管道用时约3分30秒。测试得到的轻载时间-位移关系曲线如图5-15所示，从曲线中可计算得到机器人运动的平均速度为1.9mm/s，该速度比机器人的额定转速下的运动速度高0.9mm/s，由于机器人的驱动器采用有刷直流电机，该电机的额定转速为11300rpm，空载转速为25000rpm，该负载-转速特性决定了机器人在额定电压下，实际负载低于额定负载时转速比额定转速高，导致整机在轻载工作下的运动速度高于理论计算时的额定速度。通过该轻载测试，说明完成装配的整机有较大的调速空间与额外带负载能力，验证97 第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验了前文的机器人机械设计的有效性，同时验证了机器人加工与装配的可靠性。图5-15第三代样机的时间位移测试曲线Fig.5-15thetestresultoftimevs.displacementofthethirdgenerationprototype5.2.2垂直管道爬行测试与上节的材料相同，采用PVC薄膜管道作为测试环境，将管道的一端悬挂并使另一段自由悬空，管道呈竖直状态。将管道一端加装刚性导管以方便机器人导入，测试机器人竖直上行与竖直下行的能力，如图5-16所示。图5-16垂直爬行测试Fig.5-16theverticalclimbingtest98 上海交通大学博士学位论文机器人在管道中垂直上行与下行运动各三次，每次运动距离超过100mm，得到的平均上行运动速度为1.72mm/s，平均下行运动速度为1.85mm/s，整个运动过程均未出现机器人在管道中滑落。与在水平柔性管道中的测试实验对比发现，机器人的平均上行速度与下行速度均小于水平管道运动速度。从直观上看，机器人在下行时自身重力将提供额外的推进力，则在下行时的机器人运动速度应略高于水平运动速度；从机器人机械机构的角度分析，发现无论在上行或者下行运动中，机器人自身的重力将作为额外的轴向负载施加在伸缩机构的螺旋传动副上，由于螺母运动方向与重力方向相同，对下行运动影响较小，而在上行运动中影响稍大。总体上看，由于机器人的质量较轻，引起的速度波动很小，上下行的运动速度远比设计时的额定速度大。另一方面，机器人在垂直管道中运动时未出现滑落现象，说明PVC管道与机器人足末端的相对摩擦系数在理论上大于0.085，同时也验证验证了机器人垂直运动的可靠性。通过该测试说明，第三代机器人样机在轻载下具有垂直运动能力。5.3离体肠道试验图5-17支持良好的离体肠道实验Fig.5-17In-vitroexperimentwithintestinewellsupported.图5-18远离肠系膜模型的离体肠道实验Fig.5-18In-vitroexperimentstimulatingfarawaythemesentery99 第五章微型胃肠道疾病诊疗机器人系统运动测试与离体实验为验证第三代机器人样机在粘滑的肠道环境与粘附阻尼状态下的负载运动性能，对机器人进行离体肠道实验。由于猪的肠道在生物特征上与人的肠道类似，选用新鲜离体的猪小肠作为实验对象。采用上海白猪的小肠，该猪体重约130KG，为公猪。将猪用电击击倒后取出整副小肠备用，根据直径要求截取若干肠段，采用0.5%的生理盐水冲洗肠道以基本去除肠道内容物。整个实验过程中均将肠道放置于空气中，室温为23℃。设计了三种实验装置以分别模拟肠道在腹腔中的放置。采用两端固定后悬挂肠道的方式模拟肠道在腹腔中的两端有肠系膜固定的状态，如图5-17所示；采用在肠道两侧以约15mm的间距将肠道固定在随机摆放的整副肠道上，以模拟肠系膜较密集但肠道移动性较大的肠道段，如图5-18左所示；将肠段不通过任何方式固定而直接摆放在水平托盘上，以模拟距离肠系膜较远且肠道移动性大的肠道段，如图5-18右所示。在悬挂的肠道测试中，分别采用平均直径为18mm、20mm与22mm三种类型的肠道测试机器人在不同直径肠道下的运动速度，其时间位移特性曲线如图5-19所示，在18mm直径的肠道中，机器人通过40mm长的肠道耗时约1分钟20秒，平均速度为0.5mm/s，运动效率约为55.6%，；在20mm直径的肠道中，机器人通过20mm长的肠道耗时约4分钟，运动速度约为0.08mm/s，运动效率约为8.9%；而在22mm直径的肠道中，机器人基本无法前进，仅能在原地来回伸缩。Ratedspeedin18cmintestinein20cmintestine)mm(ecntaisDTime(s)图5-19离体肠道中机器人样机的时间位移曲线Fig.5-19timevs.displacementoftherobotprototypeinanin-vitroexperiment由悬挂的离体肠道实验发现，驻留机构的驻留效率在整个机器人的运动中起至关重要的作用，当驻留机构张开的等效直径大于肠道直径时，机器人在肠道内的步距损失主100 上海交通大学博士学位论文要取决于临界步距；而当驻留机构张开的等效直径等于或小于肠道直径时，由于静止舱体与运动肠体直径的摩擦力差不足，整机无法对外输出位移。该现象充分说明了驻留机构设计的有效性与合理性。在模拟密集肠系膜的离体模型测试与模拟远离肠系膜的离体模型中，为保证机器人的驻留机构有效，仅针对了18mm直径的肠道做了测试。机器人在这两种离体肠道模型中均无法前进，通过肠道外型的变化，观察到肠道有往返伸缩以及两处周期出现与消失的凸起，可以判断机器人的三组机构工作正常。该离体肠道模型说明机器人无法运动在可移动性较大的肠道中，且主要原因并非机器人机构失效或者机器人运动方式缺陷。由于在第二章的离体肠道模型实验中发现了肠道与机器人外壁的粘附力已经考虑在机器人的设计参数范围内，说明粘附并非机器人在参数上有设计缺陷。因为可以观察到在机器人的运动下对应的肠道能够有节律的动作，说明肠道与机器人外壁的粘附十分紧密。综合以上原因分析认为由于肠道的刚度十分低，在外力（如肠系膜）无法有效的支持下，虽然机器人外壁与肠道内壁之间的综合阻力已经很低，但依然比肠道保持刚度的力的绝对值大，因此出现了肠道壁分段跟随机器人每个舱体运动的情况。综合以上三种离体肠道模型的实验结果，说明机器人在设计上针对了特殊的肠道运动环境，且该机器人样机能够运动在外力有效支持的离体肠道模型中。5.4本章小结本章针对机器人各个机构的力学性能以及整机的运动能力进行测试。为得到各个机构的力学性能，建立对应的测试装置，针对驻留机构测试其足伸出量与支撑力的关系，针对伸缩机构测试其运动速度与输出力之间的关系；在了解各个单独的机械机构力学性能的基础上，将机器人整机作为研究对象，采用柔性管道测试其爬行能力，分别测试了其在水平方向上爬行时的运动速度，验证了机器人在垂直方向上的运动能力，测试结果说明机器人的设计与实现的正确性；最后采用离体猪小肠作为实验对象验证了机器人的运动能力。101 第六章总结与展望第六章总结与展望本研究在国家自然科学基金项目（31170968）、国家863高技术研究发展计划项目（2008AA04Z201）、载人航天领域预先研究项目（010203）与上海市科委项目（09DZ1907400）的资助下，以肠道微创与无创诊疗为研究目的，进行了微型胃肠道疾病诊疗机器人系统关键技术的探索及其实验研究，完成的工作与取得的主要成果包括以下几个方面。1.根据胃肠道环境及其生物力学特性，提出驻留-伸缩的运动方式，建立了运动模型，并通过离体肠道实验获得模型中的主要参数范围，以得到指导机器人设计的若干准则。为了使机器人能够既安全又有效地运动在人体肠道中，需要充分考虑胃肠道环境的力学特性与生理特性，在此基础上提出了伸缩-驻留式的运动方式。通过分析胃肠道组织的粘弹性，选取了针对小时间跨度的超弹性应力-应变本构方程来描述肠道的生物力学特征，并将机器人在肠道内的运动速度与运动阻力联系起来，结合机器人在肠道中的运动条件及运动效率等力学模型，建立了能够描述机器人运动速度与临界步距关系的数学模型。为进一步获得机器人在设计中的有效参数范围，采用机器人物理模型进行了离体肠道实验，测试机器人的运动速度与阻力之间的关系，同时获得驻留机构的足伸出长度与驻留力之间的关系，将测试结果返回到临界步距模型中，采用数值方法计算得到机器人的设计中的参数范围，并导出了伸缩-驻留式机器人在设计中的若干准则，为该类型的机器人设计奠定了理论依据。2.在机器人参数设计准则的指导下，对机器人的微型机械机构与控制系统进行设计与实现，并分析了机器人整机的运动特性。通过比较不同种类的微型驱动器，选取了响应速度快驱动方式简单的直流电机作为机器人驱动器。由于在设计中已将机械系统中的驻留机构与伸缩机构去耦合，设计时采用了三种方式（平面螺线盘凸杆、平面四摆杆与双螺杆三足）实现了能够在机器人径向上产生位移的驻留机构，同时采用了两种方式（螺纹条传动与双光轴螺旋传动）实现了能够在机器人轴向上实现往复运动的伸缩机构。设计中不仅提出了各个机械机构的工作原理，分析了机构的力学性能，同时还结合了机器人微型化与加工工艺水平要求，提出了可行的机械设计参数。为配合机器人机械机构的控制要求，设计了以机器人本体控制器和体外控制台相结合的控制系统，其中本体控制系统负责机器人机械机构的驱动与控制，实现各个单独的机械机构动作与机器人整机的步态协调工作，是控制系统的核心。为了进一步了解机器人整机的工作，通过对零件的加工装配与电子电路设计，实现了上述机器人设计方案，组装出了三台机器人样机，并102 上海交通大学博士学位论文以第三代机器人的设计参数为例分析了机器人的时间-位移特性与负载特性。3.出于提高机器人的运动效率，并降低机器人对肠道损伤可能性的考虑，提出了基于视觉导航的主动转向系统。该系统主要由图像传感器、导航控制算法与主动转向机构组成。考虑机器人在肠道中运动的实际情况，提出采用暗区检测的导航方法，即通过实时处理图像数据以获得机器人首舱转向参数。暗区检测算法主要包括亮度信息提取、图像分割与寻找暗区中心三个子算法，其中图像分割算法关系到整个导航系统的精度与动态性能。为保证导航系统的安全性同时提高运算速度，采用Ostu算法计算图像阈值分割亮度图像以获取有效暗区。在暗区检测算法中获得的当前视图转向矢量需要进一步映射到控制参数空间中以实现闭环控制，通过建模分析实现了两组参数的映射关系。采用小肠的内窥镜图像库对算法进行了实验，讨论了算法细节，比较了在不同阈值情况下的运算速度与误差。4.为验证机器人系统设计的正确性，进行了各个机器人的力学测试，在保证了机器人样机与设计要求一致的基础上，采用离体肠道实验验证了伸缩-驻留方式。为保证机器人的力学指标与设计参数相符合，测试了机器人足伸出长度与支撑力之间的关系，以及伸缩速度与输出力之间的关系。在验证了机构的设计有效性及实现的可靠性后，进行了柔性管道的模拟测试，通过测试机器人在水平与竖直管道中的爬行能力，进一步验证了机器人样机与设计的一致性。采用离体猪小肠为实验对象，验证伸缩-驻留运动方式，实验发现机器人在小肠直径上的适应性与设计一致，且机器人能够有效地运动在肠系膜支持良好的离体肠道模型中。与前人的工作相比，本文的创新在于：1.基于胃肠道组织应力-应变关系的超弹性本构方程，建立了描述机器人的运动速度和机器人长度等参数与临界步距之间关系的数学模型，并通过实验获得数学模型中的参数，为机器人本体的力学设计提供了可靠的依据；2.解决了机器人驻留机构的微型化问题，设计、实现并验证了三种能够实现机器人驻留的机械机构；3.提出了适用于微型胃肠道疾病诊疗机器人的视觉导航系统，该系统采用暗区识别的导航算法，在小肠内窥镜图像测试中能够实现肠腔走向的有效识别；4.实现了三代驻留-伸缩式运动的机器人样机，并对最终样机进行了模拟管道与离体肠道实验，验证了该运动方式对肠道环境的适应性及机器人设计的可行性。由于研究时间有限，研究工作无法在胃肠道主动运动诊查系统上详尽展开，取得的若干结论作为下一步工作的基础，可在以下几个方面做进一步的研究与工作：1.通过研究胃肠道组织的应力-应变本构关系，特别是对胃肠道组织的压缩特征的103 第六章总结与展望本构描述，进一步完善机器人与胃肠道组织相互作用的力学模型；2.实现视觉导航系统的转向与控制机构，在机器人物理平台上进一步优化导航算法；3.改进机器人现有的驻留方式，研究智能的驻留系统以适应各种不同直径肠道的驻留需求，且保证驻留的安全可靠；4.提高机械传动效率，进一步降低整机功耗，并对机器人的能量采用无线供应，以实现机器人无缆化，为临床应用进一步铺平道路；5.将机器人的实现进一步微型化，减小机器人尺寸，使机器人更加适合于胃肠道的工作环境中。104 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附录一微型电机参数附录一微型电机参数表7-1SBL04-0829PG电机参数Table7-1thespecificationsofmotorSBL04-0829PG参数SBL04-0829PG79SBL04-0829PG337额定电压3V3V齿轮箱减速比79：1337：1齿轮箱级数34齿轮箱最大输出功率0.03W0.02W最大效率25%25%允许最大轴向力5N5N空载电流26mA26mA齿轮箱输出轴空载转速345rpm80rpm齿轮箱输出轴堵转力矩2.92mNm10.6mNm恒定转矩38.1mNm/A138.9mNm/A摩擦转矩0.99mNm3.9mNm齿轮箱长度8.2mm9.4mm电机总长度16.2mm17.4mm总重量1010mg1030mg114 上海交通大学博士学位论文表7-20610RN电机参数Table7-2theSpecificationsofmotor0610RN型号0610RN01-59-30NL9-2.5额定转速11300rpm空载转速25000rpm空载电流25mm外径6mm机身长10mm额定转矩0.12mNm堵转转矩0.15mNm额定电压2.5V堵转电流190mA额定电流110mA电枢电阻14Ω无负载启动电压0.35V115 附录二通讯控制字附录二通讯控制字串口参数：波特率：9600校验位：无数据位：8停止位：1BYTE0BYTE6启停位控制位过流时间LSB过流时间HSB电压阈值LSB电压阈值HSB控制字长度为6个字节，若有控制字不足6字节，其余以0x00补齐。BYTE0:总启停位。0x59：电机单步运动使能，具体运动应结合其他控制字；0x6A:机器人以组合步态，A正转->C反转->B正转->C正转->A反转->B反转，6个动作顺序运动；0xA6:机器人以组合步态，C正转->A反转->B正转->A正转->C反转->B反转，6个动作顺序运动；0x95:电机停止，系统忽略BYTE1-5的所有参数值；其余值无效，系统将丢弃整帧数据；BYTE1:电机选择与控制位或步态起始状态选择。当BYTE0为0x59时：0x11:A电机正转0x33:A电机反转0x77:B电机正转0xEE:B电机反转0xCC:C电机正转0x88:C电机反转其余值无效，系统将丢弃整帧数据；当BYTE0为0x6A或0xA6:116 上海交通大学博士学位论文参数值有效范围0-6；其中，0将以默认起始步态运动；1-6对应各自起始步态；其余值无效，系统将丢弃整帧数据；BYTE2-3:电机启动时允许过流时间(BYTE2为低位，BYTE3为高位)参数值有效范围1-1000，单位5ms；若超出参数值范围，系统以缺省时间250ms启动电机.BYTE4-5:电机过流保护电压阈值(BYTE4为低位，BYTE5为高位)参数值有效范围200-2000，单位mV；若超出参数值范围，系统以缺省值500mV保护电机.应用实例：例1：需要启动A电机，正转，以默认过流时间与门槛电压工作控制字0x590x110x000x000x000x00例2：需要停止电机控制字0x950x000x000x000x000x00例3:需要启动C电机，反转，允许启动时过流时间为1500ms(1500/5=0x012c)，停转门槛电压为650mV(0x028A)控制字0x590x880x2c0x010x8A0x02例4：需要机器人以预定义步态向前运动，并允许启动时过流时间为1500ms(1500/5=0x012c)，停转门槛电压为650mV(0x028A)控制字0x6A0x000x2c0x010x8A0x02117 攻读博士学位期间已发表或录用的论文攻读博士学位期间已发表或录用的论文1.W.Lin,Y.Shi,Z.JiaandG.Yan.DesignofaWirelessAnchoringandExtendingMicroRobotSystemforGastrointestinalTract.TheInternationalJournalofMedicalRoboticsandComputerAssistedSurgery.2012，DOI:10.1002/rcs.1423.(SCI源,已录用)2.W.Lin,Y.Shi,G.Yan,Y.WangandL.Li.Aprototypeofananchoringandextendingintestinalmicro-robotandaninvitroexperiment.JournalofMedicalEngineering&Technology,2011,35(8),pp.410-415.(EI源)3.W.LinandG.Yan.AStudyonAnchoringAbilityofThree-legMicroIntestinalRobot.Engineering.(已录用)4.林蔚,颜国正,王志武,姜萍萍,刘华.基于微型电机的肠道机器人机构设计.机器人,2011,33(3),pp.319-323.(EI源)5.林蔚,颜国正,陈宗尧,史玉婷.径向伸长可控的微型肠道蠕动机器人.高技术通讯.2012,8.(EI源，已录用).6.林蔚，颜国正.驻留-伸缩式胃肠道机器人力学建模.机器人.(EI源，已录用)7.林蔚,史玉婷,颜国正.驻留-伸缩式微型肠道机器人的机构设计与测试.电机与控制.(EI源，已投稿)8.林蔚，颜国正.驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型及实验研究.上海交通大学学报.(EI源，已投稿)9.林蔚，颜国正.微型胃肠道机器人的发展与研究现状.北京生物医学工程.(核心期刊，已投稿)10.W.Lin,G.Yan,H.Liu,P.JiangandZ.Wang.AVision-BasedNavigationMethodfortheIntestinalMicroRobot.AdvancedRobotics.(SCI源,已投稿)118
