尺蠖式机器人机构设计与运动学分析演示幻灯片
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中国卫生部，《第三次全国死因回顾抽样调查 报告》，2004-2005年中，消化道疾病死亡的人数 为因疾病死亡人数的16.87% ；消化道的肿瘤与癌 症在早期呈现出血与息肉征兆，其早期治愈率较 高；
4
消化道内窥镜系统
2020/4/11
1950年，由日本原Olympus光学有限公司研发 出第一款可商业化的胃镜原型；
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。
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
2020/4/11
2010年，以色列Zarrouk等人； 单电机实现； 足通过凸轮原理传动； 刚性管道中最高的运动速度可达25 mm/s ；
19
尺蠖运动特点
2020/4/11
由上可知，尺蠖运动具有以下特点： (1)尺蠖运动体的结构简单； (2)运动所需的驱动器数目少； (3)靠摩擦力传递运动； (4)尺蠖运动是一种周期性动作。
按功能用途来分可分为:焊弧爬行机器人、检测爬行机 器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行 机器人和玩具爬行机器人；按行走方式可分为：轮式、 履带式、蠕动式等
3
2020/4/11
微胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究背景
技术基础是微机器人技术，包括微机械技术、 微传感技术、微电子技术及智能系统等多学科交 叉的领域 ；微机电系统的一种典型应用；
2
尺蠖式机器人机构设计 与运动学分析 ———李晓阳
1
机器人的定义
2020/4/11
机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器 人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算 机技术等一样，属于高新技术。它涉及的学科有 材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、 微电子技术、通讯技术、人工智能、数学方法、 仿生学等等很多学科。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种 自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与 人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能 力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活 性的自动化机器”。
13
尺蠖式爬行机器人的原理
2020/4/11
尺蠖的运动方式是一种蠕动爬行，蠕动是一种 周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性 的变化。前夹紧机构和后夹紧机构分别起着保 持器的作用，使之在不同的阶段与管壁保持不 同的关系，而躯干部分则起着推进器的作用。
如果把尺蠖运动在一个动作周期内的蠕动分开， 可分为六步：
14
2020/4/11
(1)前部放松，躯干静止，后部夹 紧；
(2)前部前进，躯干伸长，后部夹 紧；
(3)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧；
(4)前部夹紧，躯干静止，后部放 松；
(5)前部夹紧，躯干收缩，后部跟 随；
(6)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧。
经过上述六步，在一个动作周期 中尺蠖的头部和尾部均向前移 动了一段距离 e和 f。
1969年推出了第一款商业化的消化道内窥镜。
5
2020/4/11
纤维内窥镜；品种繁多，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。
光电耦合传感器取代光纤进行图像采样。
6
传统内窥镜的优缺点
2020/4/11
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
2
爬行机器人的分类
2020/4/11
爬行机器人是移动机器人的一种，爬行机器人按仿生 学角度来分可分为:螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机 器人、蛇形机器人、尺蠖式爬行机器人等；
按驱动方式来分可分为:气动爬行机器人、电动爬行机 器人和液压驱动爬行机器人等；
按工作空间来分可分为:管道爬行机器人、壁面爬行机 器人、球面爬行机器人等；
11
核心问题
2020/4/11
（1）.微型疾病诊疗机器人如何在胃肠道内的 运动； (2).安全； (3).有效；
12
尺蠖
2020/4/11
尺蠖属于无脊椎动物，昆虫纲，鳞翅目， 尺蛾科昆虫幼虫的统称。鳞翅目(Lepidoptera) 尺蛾科(Geometridae)所有大型蛾类的幼虫，遍 布世界。因缺中间一对足，故以“丈量”或 “屈伸”样的具特征性的步态移动；即伸展身 体的前部，再挪移身体后部使与前部相触。
人为失误的隐患。
7
被动式胶囊内窥镜系统
2020/4/11
以色列Given Imaging公司，“M2A” ，2000年；
中国重庆的金山技术公司，“智能胶囊” ， 2005年
8
2020/4/11
日本Olympus公司，“EndoCapsule” ，2006年； 日本的RF System Lab ，“Norika”，图像， 药物释放与活检。
9
被动式胶囊内窥镜的优缺点
2020/4/11
优点： 体较小，易吞服；
缺点： 1.容易有盲区或漏检； 2.受电池体积限制，工作时间较短； 3.不能采集连续视频信号；
10
2020/4/11
微型尺蠖式胃肠道疾病诊疗机器人
能够提高诊察效率，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； 研究尚处于实验室阶段； 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。
15
仿尺蠖式机器人
2020/4/11
运动特点：
1、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；
2、需要有能够改变驻留舱相对距离的伸缩舱。
1994年，美国Grundfest等人，专利，Traction 单元和Extensor单元。1995年实现，气动
16
仿尺蠖式机器人
2020/4/11
意大利Dario。 1996年，气动，吸附，吸附效率较低。 2002年，钳夹，运动效率约为70% ，损伤活体肠 道的可能性极大 。
17
仿尺蠖式机器人wenku.baidu.com
2020/4/11
2005年，美国Karagozler等人； 足表面纤毛； SMA为驱动； 高密度的圆柱悬梁臂式 结构组成的纤毛；
18
仿尺蠖式机器人
4
消化道内窥镜系统
2020/4/11
1950年，由日本原Olympus光学有限公司研发 出第一款可商业化的胃镜原型；
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。
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
2020/4/11
2010年，以色列Zarrouk等人； 单电机实现； 足通过凸轮原理传动； 刚性管道中最高的运动速度可达25 mm/s ；
19
尺蠖运动特点
2020/4/11
由上可知，尺蠖运动具有以下特点： (1)尺蠖运动体的结构简单； (2)运动所需的驱动器数目少； (3)靠摩擦力传递运动； (4)尺蠖运动是一种周期性动作。
按功能用途来分可分为:焊弧爬行机器人、检测爬行机 器人、清洗爬行机器人、提升爬行机器人、巡线爬行 机器人和玩具爬行机器人；按行走方式可分为：轮式、 履带式、蠕动式等
3
2020/4/11
微胃肠道疾病诊疗机器人系统的研究背景
技术基础是微机器人技术，包括微机械技术、 微传感技术、微电子技术及智能系统等多学科交 叉的领域 ；微机电系统的一种典型应用；
2
尺蠖式机器人机构设计 与运动学分析 ———李晓阳
1
机器人的定义
2020/4/11
机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器 人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算 机技术等一样，属于高新技术。它涉及的学科有 材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、 微电子技术、通讯技术、人工智能、数学方法、 仿生学等等很多学科。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种 自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与 人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能 力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活 性的自动化机器”。
13
尺蠖式爬行机器人的原理
2020/4/11
尺蠖的运动方式是一种蠕动爬行，蠕动是一种 周期性的动作，蠕动体的姿态呈现某种规律性 的变化。前夹紧机构和后夹紧机构分别起着保 持器的作用，使之在不同的阶段与管壁保持不 同的关系，而躯干部分则起着推进器的作用。
如果把尺蠖运动在一个动作周期内的蠕动分开， 可分为六步：
14
2020/4/11
(1)前部放松，躯干静止，后部夹 紧；
(2)前部前进，躯干伸长，后部夹 紧；
(3)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧；
(4)前部夹紧，躯干静止，后部放 松；
(5)前部夹紧，躯干收缩，后部跟 随；
(6)前部夹紧，躯干静止，后部夹 紧。
经过上述六步，在一个动作周期 中尺蠖的头部和尾部均向前移 动了一段距离 e和 f。
1969年推出了第一款商业化的消化道内窥镜。
5
2020/4/11
纤维内窥镜；品种繁多，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。
光电耦合传感器取代光纤进行图像采样。
6
传统内窥镜的优缺点
2020/4/11
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
2
爬行机器人的分类
2020/4/11
爬行机器人是移动机器人的一种，爬行机器人按仿生 学角度来分可分为:螳螂式爬行机器人、蜘蛛式爬行机 器人、蛇形机器人、尺蠖式爬行机器人等；
按驱动方式来分可分为:气动爬行机器人、电动爬行机 器人和液压驱动爬行机器人等；
按工作空间来分可分为:管道爬行机器人、壁面爬行机 器人、球面爬行机器人等；
11
核心问题
2020/4/11
（1）.微型疾病诊疗机器人如何在胃肠道内的 运动； (2).安全； (3).有效；
12
尺蠖
2020/4/11
尺蠖属于无脊椎动物，昆虫纲，鳞翅目， 尺蛾科昆虫幼虫的统称。鳞翅目(Lepidoptera) 尺蛾科(Geometridae)所有大型蛾类的幼虫，遍 布世界。因缺中间一对足，故以“丈量”或 “屈伸”样的具特征性的步态移动；即伸展身 体的前部，再挪移身体后部使与前部相触。
人为失误的隐患。
7
被动式胶囊内窥镜系统
2020/4/11
以色列Given Imaging公司，“M2A” ，2000年；
中国重庆的金山技术公司，“智能胶囊” ， 2005年
8
2020/4/11
日本Olympus公司，“EndoCapsule” ，2006年； 日本的RF System Lab ，“Norika”，图像， 药物释放与活检。
9
被动式胶囊内窥镜的优缺点
2020/4/11
优点： 体较小，易吞服；
缺点： 1.容易有盲区或漏检； 2.受电池体积限制，工作时间较短； 3.不能采集连续视频信号；
10
2020/4/11
微型尺蠖式胃肠道疾病诊疗机器人
能够提高诊察效率，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； 研究尚处于实验室阶段； 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。
15
仿尺蠖式机器人
2020/4/11
运动特点：
1、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；
2、需要有能够改变驻留舱相对距离的伸缩舱。
1994年，美国Grundfest等人，专利，Traction 单元和Extensor单元。1995年实现，气动
16
仿尺蠖式机器人
2020/4/11
意大利Dario。 1996年，气动，吸附，吸附效率较低。 2002年，钳夹，运动效率约为70% ，损伤活体肠 道的可能性极大 。
17
仿尺蠖式机器人wenku.baidu.com
2020/4/11
2005年，美国Karagozler等人； 足表面纤毛； SMA为驱动； 高密度的圆柱悬梁臂式 结构组成的纤毛；
18
仿尺蠖式机器人