扩张-伸缩式机器人在肠道中的力学特性研究(3)

在机器人运行过程中，影响机器人机身所受到的阻力的因素可分为环境因素和机器人自身因素两类。环境因素包括肠道压力、摩擦系数以及黏滞系数等，机器人自身因素包括机器人的长度以及机器人机身的运行速度等，机器人的长度会影响区域D的面积，从而影响区域D的库伦摩擦力以及黏滞阻力，机器人机身的运行速度会影响黏滞阻力的大小以及区域F中的边缘阻力的大小，机器人机身的运行速度越快，黏滞阻力越大；与此同时，肠道在区域F中与机器人机身的接触面积越大，从而导致区域F中受到的边缘阻力越大。

4 实验研究

4.1 实验平台设计

图4为测试机器人在肠道中力学特性的实验平台。实验平台的核心部件是直线驱动器和测力计，如图4所示，测力计被固定在直线驱动器上，跟随直线驱动器的运动。在直线驱动器的一头放置了一个实验平台，平台上可以摆放猪体外肠道，肠道中放置机构模拟件用来模拟机器人在肠道内的运动，机构模拟件通过聚合物线与测力计相连，调整平台的高度使聚合物线处于水平位置。猪体外肠道的一端被固定在平台上，另一端的肠道内放置一个亚克力管，用于减小聚合物线与肠道之间的摩擦。

图4 实验平台Figure4 Experiment platform

4.2 扩张机构模拟实验

为了研究机器人扩张机构在肠道内的力学特性，设计一种扩张机构模拟件。模拟件由一个厚度为2 mm、直径为14 mm的圆柱体组成，在圆柱体的外围圆周上有3个腿式结构，在腿的顶端固定有一个金属圆弧片状零件，如图5所示。为了与机器人机身直径保持一致，圆弧片状零件的内径为14 mm，厚度为0.3 mm，圆弧片状零件的宽度用零件内径面的弧度宽表示，弧度的变化范围为20°～60°。在实验中的可变参数有：va，直线驱动器的运动速度；Di，体外肠道的内径；Dr，扩张机构模拟件的直径；Hp，圆弧片状零件的高度；Rp，圆弧片状零件的弧度。

图5 扩张机构模拟件Figure5 Expanding mechanism dummy

启动直线驱动器后，观察模拟机构在肠道中的状态，记录模拟机构与肠道发生相对移动瞬间的测试数据，测得的数据为当前参数扩张机构模拟件的最大驻留力。在测量扩张机构的直径对驻留力的影响时，为了使实验结果具备可比性，扩张机构模拟件的圆弧片状零件的尺寸均相同，其高度为5 mm，弧度为40°。为了同时研究肠道直径对扩张机构驻留力的影响，每个扩张机构模拟件均在3种不同直径的肠道下测试其最大驻留力，3种肠道直径分别是16.5 mm、18.5 mm、20.4 mm。 每个扩张机构模拟件在相同的肠道直径下做3组测试，分别在不同的直线驱动器运行速度下，以研究轴向伸缩机构的速度对扩张机构驻留力的影响，直线驱动器的运行速度分别为 1.92 mm／s、3.2 mm／s、4.48 mm／s。

图6为测试结果，从测试结果中可看出，当扩张机构模拟件的直径小于等于26 mm时，扩张机构最大驻留力的变化在0.2～0.4 N之间，与肠道直径也没有明显的相关关系。当扩张机构模拟件的直径大于26 mm时，扩张机构的最大驻留力随着扩张机构直径的增大迅速增加至1 N以上，且测试结果的曲线与肠道直径有明显的对应关系：在相同扩张机构直径下，肠道直径越小扩张机构的最大驻留力越大。

为了研究机器人扩张机构的驻留面尺寸变化对驻留力的影响设计了两组实验。第一组实验研究驻留面轴向长度的变化对驻留力的影响。实验中扩张机构模拟件圆弧片状零件高度的变化范围为3～7 mm，其他参数如下：圆弧片状零件的弧度为40°、猪肠道直径为20.4 mm、直线驱动器速度为3.2 mm／s、扩张机构模拟件的直径为28 mm。 图7（a）为实验测试的结果，从结果中看出，曲线变化平稳，没有明显的上升趋势或者下降趋势。实验中变化的参数主要影响库伦摩擦力的大小，造成这种现象的原因可能是扩张机构驻留力中库伦摩擦力的比例很小，因此库伦摩擦力的变化没有导致扩张机构驻留力的明显变化。

另一组实验研究驻留面宽度的变化对驻留力的影响，实验中扩张机构模拟件圆弧片状零件弧度的变化范围为20°～60°，其他参数如下：圆弧片状零件的高度为4 mm、体外肠道直径为20.4 mm、直线驱动器速度为3.2 mm／s、扩张机构模拟件的直径为28 mm。图7（b）为实验测试的结果，从结果中看出，曲线变化平稳，没有明显的上升趋势或者下降趋势。实验中变化的参数主要影响边缘阻力的大小，表明圆弧片状零件弧度的变化对肠道与驻留面侧面的接触面积产生的影响较小。

文章来源：《中国内镜杂志》 网址: http://www.zgnjzzzz.cn/qikandaodu/2020/1118/403.html