扩张-伸缩式机器人在肠道中的力学特性研究(5)

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0 引言随着人们生活水平的提高，肠道疾病的发病率在近年来呈逐渐上升的趋势［1］。应对这类疾病的最佳方式为“早发现、早治疗”，但是现有的肠道疾病诊疗方法大多会给人带来一定程度的痛苦，这也给肠道疾病的大面积筛查造成阻碍。2001年，以色列Given Imaging公司开发了一款用于检查小肠疾病的胶囊内镜PillCam SB［2］，它利用肠道自身的蠕动来实现在肠道内的行进。这种胶囊内镜的优点是体积小，检查过程中不会给人带来痛苦，但由于不能扩张肠道，对于藏匿在肠道皱褶中的病灶存在一定的漏检率，同时，自主运动能力的缺乏也是这类设备的主要缺点［3］。因此，具备肠道扩张机构和自主运动能力的肠道机器人内镜被广泛研究［4-6］。由于肠道机器人运行环境的特殊性，对机构与肠道之间力学特性的研究就显得尤为重要。Terry等［7-9］研究了小肠的生物力学特性，并设计了实验平台用于测量小肠的生物力学响应；Zhang等［10-11］提出了一种基于速率的摩擦力模型用于研究胶囊机器人内镜与肠道之间的相互作用；其他学者也在这一领域做了一些类似的研究［12-13］，但是还没有人针对机器人扩张肠道后与肠道之间的力学特性做相关的研究。为此本文拟通过建立机器人与肠道之间的力学模型研究扩张-伸缩式机器人内镜与肠道之间的力学特性。本文构建了力学模型，研究扩张机构与肠道之间、机器人机身与肠道之间的力学特性，并通过模型解释这种机器人可以在肠道内自主运动的原理，最后通过实验测量了机构与肠道之间的力学特性。1 扩张-伸缩式机器人及其运动原理人体肠道的特点是湿滑、易变形，可提供的力学支撑很小。本文模拟尺蠖的运动方式设计了一种扩张-伸缩式运动机构来实现机器人在肠道内的自主运动，机器人样机及运动原理如图1所示。机器人的运动机构包括3个部分，分别是前端扩张机构、轴向伸缩机构、后端扩张机构，其中扩张机构可实现径向扩张与缩回，轴向伸缩机构可实现轴向伸长与缩短。机器人在肠道内运动时，利用前后两端受肠道作用力的不同而实现自主运动。产生这种有效运动的前提是机器人扩张机构扩张后与肠道之间的阻力大于机器人机身与肠道之间的阻力。图1 扩张-伸缩式机器人样机及运动原理Figure1 Expanding-extending robotic endoscopeand its locomotion gait2 扩张机构与肠道之间的力学建模2.1 力学模型机器人在肠道内受到的轴向作用力包括库伦摩擦力、边缘阻力和黏滞阻力，其中库伦摩擦力与肠道对机器人的压力成正比，边缘阻力是因为肠道在机器人某些机构的边缘产生的形变所导致的，黏滞阻力与机构跟肠道间的相对速度成正比。机器人在肠道内受到的轴向作用力可用下式表示：式中：fc是轴向的库伦摩擦力；fm是轴向的边缘阻力；fv是轴向的黏滞阻力。建立扩张机构与肠道之间的模型如图2所示，从图中可看出，肠道被扩张机构扩张后在扩张机构扩张面的两端产生了变形，因此与扩张面的侧面有一定面积的接触，肠道在这部分面积上施加的压力就是轴向边缘阻力产生的原因。在模型中将肠道与扩张面的接触区域分为3个部分（图2）：区域A为肠道跟前端的扩张面侧面的接触区域；区域B为肠道跟扩张面正面的接触区域；区域C为肠道跟后端的扩张面侧面的接触区域。图中（x，y，θ）是一个三维坐标轴，O点为坐标轴的原点，位于机器人横截面中心，PA（x，y，θ）为肠道施加在区域 A上的压强，PB（x，y，θ）为肠道施加在区域 B 上的压强，PC（x， y， θ）为肠道施加在区域C 上的压强，FA、FB、FC分别是肠道施加在区域 A、区域 B、区域 C上的压?受力分析在图2所示的机器人状态中，机器人后端扩张机构处于扩张状态，前端扩张机构处于收缩状态，轴向伸缩机构正在伸长。假设机器人后端扩张机构与肠道之间没有产生相对移动，那么机器人后端扩张机构受到的肠道作用力有：区域A的边缘阻力、区域B的库伦摩擦力、区域C的边缘阻力。根据图2中的模型，扩张机构受到的轴向库伦摩擦力为：式中：μs为机器人扩张机构与肠道之间的静摩擦系数。假设肠道施加在扩张机构区域B上任意位置的压强均为PB，那么库伦摩擦力可用下式表示：式中：SB为扩张机构区域B的面积，如果μs和SB是确定的，那么库伦摩擦力fca与肠道施加在区域B上的压强成正比。根据图2中的模型，机器人扩张机构所受的边缘阻力由肠道施加在区域A和区域C上的压力引起。图2状态中，边缘阻力为肠道施加在区域C上的压力减去肠道施加在区域A上的压力：假设肠道施加在区域C和A上任意位置的压强均为PAC，那么机器人扩张机构受到的边缘阻力又可表达为：式中：SA为肠道与区域A的接触面积；SC为肠道与区域C的接触面积。图2 径向机构扩张肠道的力学模型Figure2 Mechanical model of the expanding 驻留机理分析下面将分析机器人扩张机构能够有效驻留的机理。当机器人扩张机构没有受到轴向伸缩机构的作用力时，扩张机构只受到肠道对其的作用力，此时，SA跟SC是相等的，因此对外表现为扩张机构受到的边缘阻力为0，库伦摩擦力也为0。当扩张机构受到了轴向伸缩机构的作用力时，如受到了图2中所示的推力，那么由于肠道的变形，SA会减小，同时SC将增大，因此依据式（5），边缘阻力开始产生，与此同时，在区域B也会产生轴向库伦摩擦力。随着轴向伸缩机构施加给扩张机构的推力的增大，肠道的变形也因此而加剧，SC与SA之差会随之加大，扩张机构与肠道之间产生更大的边缘阻力来抵抗轴向伸缩机构施加给扩张机构的推力，以保证扩张机构与肠道之间保持相对静止的状态。这个过程就是扩张机构的驻留原理。一旦扩张机构无法产生足够的驻留力来抵抗轴向伸缩机构施加给扩张机构的推力或拉力，肠道与扩张机构之间会发生相对移动，出现了驻留失效。扩张机构的驻留力过小的原因主要有以下几点。（1）肠道施加在扩张机构上的压力太小。（2）肠道与扩张机构之间的静摩擦系数太小导致轴向库伦摩擦力过小。（3）扩张机构的结构原因导致肠道在扩张机构两侧无法产生足够的变形量，导致扩张机构与肠道之间的边缘阻力太小。3 机器人机身与肠道之间的力学建模3.1 力学模型建立机器人机身扩张肠道的模型，如图3所示。从图中可看出，肠道被机器人机身扩张后在机器人机身端面的变形将导致边缘阻力的产生。模型中将肠道与机器人机身的接触区域分为3个部分，如图3所示，区域D为肠道跟机器人机身平行于机器人轴线部分的接触区域，区域E为肠道跟机器人机身端头弧形区域的接触区域，区域F为肠道跟机器人机身端头垂直于机器人轴线区域的接触区域。图中（x，y，θ）是一个三维坐标轴，O点为坐标轴的原点，R为机器人机身的直径，PD（x，R，θ）为肠道施加在区域D上的压强，PE（x，y，θ）为肠道施加在区域 E 上的压强，αE（x， y， θ）为压强 PE（x， y， θ）与机器人机身横截面的夹角，rE为区域E上机器人机身直径，PF（0，y，θ）为肠道施加在区域 F上的压强。假设FD、FE、FF分别是肠道施加在区域D、区域E、区域F上的压?受力分析在机器人的运动过程中，机器人机身受到的轴向方向上的作用力包括库伦摩擦力、边缘阻力和黏滞阻力。具体来看，区域D因为平行于机器人机身轴线，因此没有边缘阻力的作用，只受到轴向库伦摩擦力以及轴向黏滞阻力的作用；区域E受到3种力的作用，但是因为肠道压力施加的角度并非垂直于机器人机身轴线或者机身横截面，因此需要将相应的力换算至机器人轴向或者横截面方向；区域F因为平行于机器人机身横截面，因此在轴向方向上只受到边缘阻力的作用。根据图3中所建立的模型，机器人机身在肠道中运动时与肠道之间的的轴向库伦摩擦力为：式中：μd为肠道与机器人机身之间的动摩擦系数；FEr为FE在机器人轴向方向上的分力。机器人机身在运动时受到肠道施加在机身上的边缘阻力为：式中：FEa为FE在机器人径向方向上的分力。机器人机身在运动时与肠道间的黏滞阻力为：式中：vb是机器人机身在肠道中的运动速度；δ（Nvb）是机器人机身与肠道之间的黏滞系数；Nvb是肠道施加在机器人机身上的径向压力。图3 机器人机身扩张肠道的力学模型Figure3 Mechanical model of the robot body结合此机器人结构以及机器人的运动步态，当机器人轴向伸缩机构伸长时，由于机器人机身的运动方向与机身所受到的3个轴向阻力的方向相反，因此机器人机身受到的轴向阻力等于轴向库伦摩擦力fcb、轴向边缘阻力fmb以及轴向黏滞阻力fvb之和。当机器人轴向伸缩机构缩回时，库伦摩擦力fcb、轴向黏滞阻力fvb与机器人机身的运动方向相反，轴向边缘阻力fmb与机器人机身的运动方向相同，因此机器人机身受到的轴向阻力等于fcb+fvb-fmb。显然前一种情况下机器人机身受到的阻力大于后一种情况下机器人机身受到的阻力。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 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。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 force4.3 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。参考文献［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）： K， Yan GZ， Gao of wireless power supply system for robotic capsule［J］.Beijing Biomedical Engineering，2016，35 （5）： 510-515.［ 5 ］ Valdastri P， Webster RJ， Quaglia C， et al.A new mechanism for mesoscale legged locomotion in compliant tubular 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文章来源：《中国内镜杂志》 网址: http://www.zgnjzzzz.cn/qikandaodu/2020/1118/403.html