微型仿生多节蠕动机器人系统关键技术及试验研究

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1、上海交通大学博士学位论文微型仿生多节蠕动机器人系统关键技术及试验研究姓名：左建勇申请学位级别：博士专业：精密仪器及机械指导教师：颜国正20050601捅妥皇墨詈詈喜詈皇置昌暑昌皇n——H——皇量皇詈暑阜皇皇=皇昌鼍—●—E皇葛=量宣詈●母皇冀暑置—量—詈詈詈皇皇詈暑鲁巴詈暑=暑暑詈暑置量■鼍毫曹皇皇詈鼍优越性更加得以体现，为进一步提高机器人运动控制效率和故障容错提供了理论指导。3．在介绍了人体肠道组织生理特征的基础上，从生物力学的角度出发，采用冯元帧对血管组织的研究理论，分析并建立了肠道组织的粘弹性模型，并通过简化肠壁模型，分析了机器人驱动步距与

2、肠壁变形之间的关系，为机器人的步距设计提供参考；详细分析了肠道环境对机器人运动效率的影响问题，并建立了相应模型；通过机器人的猪肠离体运动性能试验，研究了机器人的运动效率和“钳位刀能力。4．研制了微型多节蠕动机器人头部姿态调整机构，建立了机构几何模型，分析了SMA驱动件伸长变化与调整机构转角之间的关系。针对微型管道环境的成像特征，提出了一种适于微管道环境的运动导航控制方法，即通过对管道中心位置的跟踪实现运动导航的目的。通过先“腐蚀’’后“还原”的图象处理方法有效地获得有用信息，再通过修正进而求得管道中心。实例分析结果表明该方法可用于对控制精度要求不

3、高的机器人运动导航。针对SMA的响应迟滞特性，采用Prcisach模型，通过试验建立了Prcisach模型离散数据表，构建了基于Prcisach模型的前馈补偿开环控制器，编制了相应的控制算法，进行了仿真试验，结果表明该控制器可用于机器人的运动导航控制。综合机器人头部姿态调整机构模型、管道图象特征处理方法以及基于Preisach模型的前馈补偿开环控制器，进行了机器人样机的猪肠离体运动导航试验，证明了上述控制系统的可行性。通过上述微型多节蠕动机器入系统几个关键技术的研究，研制了微型机器人样机，分析了机器人的运动步态与故障容错问题，探讨了机器人与肠道环

4、境的相容性问题，提出了适于微管道环境的机器人运动导航控制策略，进行了机器人系统的试验验证，为实用型医用微型仿生多节蠕动机器人的研制提供了新的思路和理论参考。关键词：微型仿生机器人，直线驱动器，步态分析，故障容错，粘弹性模型，姿态控制，运动导航Ⅱ卜海交通大学博}：学位论文KEYTECHNIQUESOFMINIATUREBIONICCREEPINGROBOTICSYSTEMANDEXPERIⅣ【ENTALRESEARCHAbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,weneedtoinvestiga

5、tethemechanismsthatamini-robotCallenterintothecavitiesofhumanbodyforminimalinvasiveornon-invasivediagnosisorCallenterintoindustrialpipesforonlinefaultdetection．BionicsprincipleandMEMStechnologyprovideanewwaytosolvethisproblem．UnderthesupportoftheNationalHighTechnologyResearch

6、andDevelopmentProgramofChi．na(863program)，thispaperstudiedaminiaturebioniccreepingroboticsystemforhuman,'sintestinesdetection，anddiscussedthedesignideas，motionprinciple，relationshipbetweenrobotandintestines，movementnavigationandattitudecontrolandrelativeexperiments．Theaimisto

7、provideaneweffectiveapproachandreferenceforthedesignofpracticalrobotendoscopesystem．Themaincontentandcontributionsofthispaperaresummarizedasfollows：1．Theevolutionandactualityofsimilarrobotendoscopesystemsaretotallystudied．Basedontheseanalysis，thesystemoverallschemeisdesigned．

8、Maintechnicalproblemsintheprocessofdesignandrealizationofthissystemi