扩张-伸缩式机器人在肠道中的力学特性研究(4)

图6 轴向伸缩机构的速度对扩张机构驻留力的影响Figure6 Influence of the speed of axial motion mechanism on the resident force

图7 驻留面尺寸变化对驻留力的影响Figure7 Influence of the resident surface dimension on the resident force

4.3 机器人机身模拟实验

为了研究机器人机身在肠道环境下的力学特性，设计了机器人机身模拟件做实验测量。机器人机身模拟件是由铝合金加工而成的圆柱体，直径为14 mm，模拟件的长度为 8 mm、11 mm、14 mm、17 mm、20 mm，一共5种不同的长度。每个机器人机身模拟件均在3种不同直径的肠道下测试其所受到的阻力，3 种肠道直径分别是 16.5 mm、18.5 mm、20.4 mm。每个机器人机身模拟件在相同的肠道直径不同的直线驱动器运行速度下做3组测试，以研究轴向伸缩机构的速度对机器人机身在肠道内受到的阻力的影响，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8为测试结果，可以看出，机器人机身模拟件在肠道中受到的阻力大概在0.1～0.4 N之间，且没有与肠道直径呈对应关系，这反应出肠道直径并不是影响机器人机身在肠道内受到阻力的主要因素。

5 讨论与结论

为了研究扩张-伸缩式机器人在肠道中的力学特性，分别针对机器人扩张机构和机器人机身与肠道之间的相互作用建立了两个力学模型，并对两个模型开展了实验研究。比较两组实验的结果可以发现，当机器人扩张机构的直径小于等于26 mm时，扩张机构与肠道之间的驻留力和机器人机身在肠道中受到的阻力基本在同一范围之内，这说明如果扩张机构在肠道内扩张的直径小于等于26 mm，那么在机器人轴向伸缩机构伸长时，扩张机构与肠道之间可能会出现相对移动，也就是驻留失效。本文中所提出的机器人与肠道之间相互作用的力学模型以及实验结果可为胃肠道机器人的设计提供参考。对于本文所提出的模型以及实验结果还有以下的讨论。

（1）通过模型以及实验结果发现，库伦摩擦力和黏滞阻力在机器人受到的肠道阻力中所占的比例都比较低。

（2）实验结果显示边缘阻力与直线驱动器的运行速度呈正相关，这与前面的理论分析一致。结合文中所提出的模型来看，直线驱动器的运行速度会影响肠道与驻留面侧面的接触面积，也就是区域A和区域C中机构与肠道的接触面积，从而影响边缘阻力的大小。

（3）图7中的实验结果表明扩张机构的驻留力受圆弧片状零件弧度的影响较小。根据模型，推测造成这种现象的原因是：当机器人扩张机构受到轴向伸缩机构施加的轴向作用力时，肠道与驻留面侧面接触区域发生变化的部分集中在驻留面侧面的两端。假设肠道与驻留面侧面接触区域的形状如图9中A和B所示，推测B更加接近真实情况。

图8 机器人机身模拟实验结果Figure8 Experimental results of the simulation robot body

图9 肠道与驻留面侧面接触区域的形状Figure9 Shape of the contact surface between intestine and axial flank of anchoring mechanism

（4）因为在体内环境下测量机器人与肠道之间的作用力较为困难，因此本实验是在体外环境下进行的，与体内环境相比，体外环境的摩擦系数与肠道压力是最有可能出现误差的参数。但是，因为肠道与机器人之间的摩擦系数很小，两种环境下摩擦系数的差别不会给实验结果带来大的误差。后续争取开展体内实验获得更加接近真实情况的实验数据。

文中研究了扩张-伸缩式机器人内镜与肠道之间的力学特性，研究表明，利用机器人不同部位与肠道之间的力学差可使机器人实现在肠道内的自主运动，并且提高这种力学差有助于提高自主运动的可靠性。文中建立模型研究了扩张机构与肠道之间产生作用力的原理，通过模型有助于设计更加合理的机构，以实现机器人在肠道内高效自主运动。

［1］ Menciassi A，Ciuti G，Cavallotti C.Future developments of video capsule endoscopy： Hardware［M］ ／／Video Capsule ， Heidelberg：Springer， 2014： 543-556.

［2］ Iddan G， Meron G， Glukhovsky A， et capsule endoscopy［J］.Nature， 2000， 405（6785）： 417.

［3］ Valdastri P，Simi M，Webster III R technologies for gastrointestinal endoscopy［J］.Annual Review of Biomedical Engineering， 2012， 14： 397-429.

［4］ 杨凯，颜国正，高晋阳.胶囊机器人无线能量传输系统设计［J］.北京生物医学工程， 2016，35 （5）： 510-515.

Yang K， Yan GZ， Gao of wireless power supply system for robotic capsule［J］.Beijing Biomedical Engineering，2016，35 （5）： 510-515.

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