蠕动式微型胃肠道机器人的设计_王益宁

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北京生物医学工程
第 31 卷
了多足行进的主动式机器人， 它有前后两组足部， 后 足主要提供驱动力， 前足控制泊位以及运动方向。 在 2008 年提出了一 种基于微型直线驱动器的仿蚯蚓蠕动机器人 。 但 是， 主动式检测机器人均存在驱动器体积难以进一 发热、 功重比无法进一步提高等问题， 且 步微型化， 能量需求远大于被动式胶囊， 无缆化难以实现。 本文介绍了一套基于成熟的微机械 、 微电子、 无 线通信与临床医学相结合的， 通过蠕动方式运动的 。 胃肠道检测机器人系统 使其能实现活检、 视频传 感器和药物释放等功能， 以及降低患者的不适感， 要 借助视频 求机器人能够在人体胃肠道中主动运动 ， 传感器实现肠道检查； 通过活检装置来对检查中发 现的可疑组织进行取样分析； 采用药物释放装置， 对 肠道出血或者病变部位直接用药， 以快速有效地治 疗。
30800235 ） 、 基金项 目： 国 家 自 然 基 金 （ 60875061 ， 国 家 863 计 划 （ 2007AA04Z234 ） 、 上海市科委项目（ 09DZ1907400 ） 资助 作者单位： 上海交通大学电子信息与电气工程学院（ 上海 200240 ） 作者简介： 王益宁（ 1988 —） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为医用微型 智能系统 通信作者： 颜国正， 男， 博士研究生导师 。 Email： gzhyan@ sjtu． edu． cn
第 31 卷 第 2 期 2012 年 4 月
北京生物医学工程 Beijing Biomedical Engineering
Vol． 31 No． 2 April 2012
蠕动式微型胃肠道机器人的设计
王益宁
摘 要 目的
林蔚
颜国正
为使机器人在胃肠道中主动运动以实现多种医疗功能， 本文设计了一种通过多点
第2 期
蠕动式微型胃肠道机器人的设计
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轴向伸缩机构
轴向伸缩机构如图 2 所示， 采用滑动螺旋原理 a 为电机； b 为外螺纹转动轮， 进行传动， 图中， 与电 机伸出轴直接相连； c 为电机的安装法兰； d 为内螺 纹杆， 其导向面位于法兰 c 上， 杆的形状为“凸 ” 字 形。这套机构的难点在于螺杆的加工与配合。 b 与 d 的详细数据见表 2 。
［2 ］ 为了弥补胶囊内镜的不足，Ikuta 等 在 1988 年率先使用 SMA 作为驱动器， 研制了 Mediworm 主 动式内镜机器人， 外形尺寸为 11 mm × 215 mm。 ［3－4 ］ 意大利 CRIM 实验室的 Dario 等 于 2008 年研制
随着人们生活水平的提高， 胃肠道疾病的发病 率逐年上升， 每 4 个肿瘤患者中就有一个是胃癌患 者。因此， 胃肠道检测系统在临床方面有着十分广 阔的应用前景和研究意义。
表1 Table 1
项目 优点 缺点
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由于胃肠道具有一定的黏附性、 较好的弹性以 活体情况下具有极其复杂的生物 及极佳的柔软性， 力学特性， 而且随着性别、 年龄、 饮食习惯不同而呈 。 ， 现出明显的个体差异 因此 胃肠道环境是典型的 非结构型环境。同时机器人的尺寸受到肠道尺寸的 限制， 而幽门处是人体内肠道内最窄的位置 ， 成人的 幽门直径约为 15 mm， 所以机器人的直径不能超 过这个值。 根据胃肠道环境， 通过多点接触的方式来改变 机器人与肠壁的摩擦力从而提高机器人在胃肠道环 境中的运动效率。其中， 多点接触机构有 3 ～ 4 个支 每个支撑杆撑起后直径在 1 ～ 2 mm 左右， 高 撑杆， 约为 3 ～ 4 mm， 支撑杆端部为半球形或平面， 以确保 不会对肠壁造成损伤。 模型的运动步态可分 为 4 步， 具体如图 1 所示。 （ 1 ） 尾舱径向支点机构凸起， 与肠壁增加摩擦 力， 前舱径向支点机构缩回以减少摩擦 ， 准备向前跨 步， 如图 1 （ a） 所示。 （ 2 ） 轴向机构伸长， 由于尾舱与肠壁的摩擦力 更大， 尾舱相对于肠壁保持静止， 而前舱发生相对运 动， 从而实现一次跨步， 如图 1 （ b） 所示。 （ 3 ） 前舱径向支点机构凸起， 尾舱径向支点机
每组有 3 ～ 4 根支撑轴， 每根支撑轴最大伸出高度 4 mm， 为了不对肠壁造成伤害， 轴端部为圆柱形。 为了实现支撑轴的凸起、 缩回功能， 设计了一种 可变矩式三支撑轴伸缩机构， 如图 3 所示。
图3 Figure 3 图2 Figure 2 轴向伸缩机构
可变矩式三支撑轴伸缩机构示意图 Diagram of the stretching mechanism with
threesupportshaft in variable torque mode
Axial telescopic mechanism
表 2 外螺纹转动轮与内螺纹杆详细数据 Table 2 Data of external threaded wheel and internal threaded rod in detail
三种驱动器优缺点比较
Comparison of three kinds of motors
超声波电机 适中 选择范围窄， 转 矩较低 微电机 选择范围广， 使用简单 体积较大
SMA 体积小 驱动慢， 安装不 便
为了实现多点触控式径向运动以及轴向蠕动 ， 需要驱动器提供较大的扭矩， 本文选取了 Namiki 公 司的带减速器的直流电机作为驱动器 。 该电机为三相无刷无传感器直流电机， 其型号 3 V 供电。 采用 337 ∶ 1 为 SBL04－0829 ， 直径 4 mm， 的减速器时， 总机身长 17. 4 mm， 空载转速为 80 r / min， 堵转转矩可达 10. 6 mN·m。
项目 螺纹公称直径 d 1 / mm 螺纹螺距 L / mm 牙形角 α / （ ° ） 螺纹中径 d 2 / mm 螺纹小径 d 3 / mm 螺纹导程 P / mm 螺纹升角 ψ / （ ° ） 螺母厚度 b / mm 当量摩擦角 ρ / （ ° ） 行程 s / mm 数值 5 0. 8 60 4. 480 4. 134 0. 8 3. 257 2 11. 106 8
Design of squirming microrobot for gastrointestinal tract
WANG Yining， LIN Wei ， YAN Guozheng School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240 【Abstract】 Objective In order to make the robot reside and move actively in the gastrointestinal （ GI ） tract to achieve a variety of medical functions， a squirming microrobot was designed with high movement efficiency by using multipoint attachment to increase friction． Methods The gait of the proposed model was simulated and the appropriate brushless DC motor with gear reducer was selected according to the GI tract environment． A series of stretching mechanism was designed and assembled． The axial stretching mechanism and the radial multipoint attachment mechanism were analyzed emphatically． Results The diameter of the assembled robot was 13mm， the length was 29mm， and the quality was 10． 2g． Driven by 3V DC voltage， the robot could operate constantly and stably for more than 40 minutes． Conclusions This squirming GI microrobot system for inspection realized the active movement． 【Key words】 gastrointestinal tract robot ； multipoint attachment ； squirming； stretching mechanism
接触方式提高摩擦力， 具有较高运动效率的蠕动式微型机器人 。方法 根据胃肠道的环境设计了机器人 选取带减速器的微型无刷直流电机作为驱动器 。并设计装配了一套运动机构， 并着重分析了其中 步态， 长度 29 mm， 质量 10． 2 g。在 3 V 的轴向伸缩以及径向多点接触结构 。结果 装配后的机器人直径 13 mm， 直流电压驱动下可持续稳定运行 40 min 以上。结论 该蠕动式胃肠道检测机器人系统实现了主动运动。 关键词 胃肠道机器人； 多点接触； 蠕动式； 伸缩机构 R318. 6 文献标志码 A 文章编号 1002－3208 （ 2012 ） 02－0183－05 DOI： 10. 3969 / j． issn． 1002－3208. 2012. 02. 15． 中图分类号
在电机的输出轴上安装一个齿轮， 从而将转动 传输到中心位置的从动轮， 它与一圆盘相紧箍， 而圆 盘上均匀分布的三根与支撑轴中间凹槽相配合 ， 通 过圆盘的转动， 改变了支撑轴的力矩， 从而实现控制 它们伸出、 缩回的功能。 用 Matlab 计算得到驱动轮转角与力矩的曲线 如图 4 所示。可以看出， 当转角在 0° ～ 10° 时， 关系， 电机的转矩主要为支撑轴提供转动， 在 10° ～ 103° 时， 主要提供径向推力， 而且推力比较平稳， 计算理 1. 3 N 。 论值能达到 图中还可以看出此机构的一大 特点， 在转角超过 80° 后， 径向推力出现下降趋势， 说明当支撑轴的伸出量较大后， 力会减小， 同时伸出 速率降低， 起到了缓冲保护肠道壁的作用。 实际加工时， 受材质选择、 加工难度和成本限 制， 先选用铜进行试验。零件图如图 5 所示。 1. 2 电路系统设计及程序流程图 受到机器人自身尺寸的限制， 对电路控制系统 的微型 化 是 本 设 计 的 难 点。 如 所 选 用 的 MCU 为 PIC16F690 ， 其尺寸为 4 mm × 4 mm × 0. 9 mm。硬件 框图如图 6 所示。 电机驱动器配合 2 个四刀双掷的多路复用器， 分时控制三个电机， 微处理器连接了无线半双工通 信芯片， 通过该芯片实现无线控制， 微处理器根据接 收到的指令进行相应的动作。 图 7 为上述系统的实物图， 右一是多路选择开 ， ， 关电路 右二是电机驱动模块 左一是微处理器和无 线通信模块。 三块电路板之间用直径为 0. 15 mm 的导线连接。