微型结肠疾病诊疗机器人系统及实验研究

《微型结肠疾病诊疗机器人系统及实验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

申请上海交通大学硕士学位论文微型结肠疾病诊疗机器人系统及实验研究国家自然基金项目国家863高技术研究发展计划项目载人航天领域预先研究项目上海市科委项目支持硕士研究生：高媛学号：1090359007导师：颜国正教授申请学位：工学硕士学科：精密仪器及机械所在单位：电子信息与电气工程学院答辩日期：2012年2月授予学位单位：上海交通大学 DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterMICROCOLONROBOTSYSTEMFORDIAGNOSISANDTREATMENTANDITSEXPERIMENTALSTUDYSupportedby:theNationalNaturalScienceFoundationofChina,863NationalHighTechnologyR&DProgram,MannedSpaceflightResearchProjectinAdvance,AndShanghaiScientificResearchPlanningProject.Candidate：YuanGaoStudentID:1090359007Supervisor：Prof.GuozhengYanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PrecisionInstrumentsandMachinerySchoolofElectronicsandElectricAffiliation：EngineeringDateofDefence：Feb,2012Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity 上海交通大学硕士学位论文微型结肠疾病诊疗机器人系统及实验研究摘要目前，国内罹患结直肠癌症以4.71%每年的速率在增长，超过国际的2%的水平。早期的结直肠肿瘤的治愈率是非常高的，及时、定期的检查是治疗结直肠肿瘤的关键。结直肠癌症的确诊需要做内窥镜检查及活检切片进行病理检查，目前临床应用的主要方法是纤维或电子结肠镜检查，但是也会给病患带来极大的痛苦，而且可能引发并发症，因此，研制微创或无创结肠诊疗技术成为当下的热点。消化道是人体唯一开放的腔道，这为研究微型结肠疾病诊疗机器人提供了很好的场所。许多研究机构以研制一款体积小、集诊疗一体、自主控制的结肠机器人为目的，展开了对微创或者无创医疗机器人技术的研究。但是现有的大部分研究成果是以研究机器人基本的运动方式和步态为主，对于诊疗机构的设计和实验涉及较少。本文在国家自然科学基金项目（31170968）、国家863高技术研究发展计划项目（2008AA04Z201）、载人航天领域预先研究项目（010203）、上海市科委项目（09DZ1907400）资助和支持下，在对前人的研究成果总结分析之后，以代替结肠内窥镜，并最终应用于临床为目的，设计研制的微型结肠疾病诊疗机器人（简称微诊疗机器人）。最终的微诊疗机器人体积小、能自主控制、集诊疗一体。微诊疗机器人选用微型直流电机作为驱动器，以仿尺蠖式的运动步态实现在肠道内的自主爬行。结合结肠肿瘤诊断需要，微诊疗机器人添加了视觉导航及监控、活检或热疗的功能。视觉导航能实时输出结肠内部视频图像，为医生判断疾病及机器人的定位提供信息；活检可以采集疑似病变组织，为后期的病理检查采集样本；热疗能对肿瘤细胞进行加热，达到杀死肿瘤细胞的目的。第I页 上海交通大学硕士学位论文微诊疗机器人使用PIC16F690作为主控芯片，在此基础上设计了直流电机驱动、电机电流采样、温度采集、通讯等电路，并使用C语言编程设计了步态控制程序、温控程序和射频通讯协议等。微诊疗机器人有无线方式供能和拖线供能两种供能方式可选择，由上位机发送控制指令，实现半自主控制。最终的微诊疗机器人直径为20mm，长度为170mm。为验证微诊疗机器人的功能，设计并完成了微诊疗机器人部分功能模块及整体的性能实验，实验表明微诊疗机器人能实现预期的运动步态，热疗机构的温度也能达到热疗温度范围，机器人步距在32.8mm。关键词：微型直流电机，仿尺蠖运动步态，视觉导航，热疗，活检第II页 上海交通大学硕士学位论文MICROCOLONROBOTSYSTEMFORDIAGNOSISANDTREATMENTANDITSEXPERIMENTALSTUDYABSTRACTNowadays,thenumberofinlandpeoplewhofallillwithColorectalcancerincreasesattherateof4.71%peryear,whichisoutnumberof2%,theinternationalaveragelevel.Asthehighrecoveryrateforearlycolorectalcancer,itispivotaltoexamineseasonallyandregularly.Todiagnosethecancer,theendoscopyandbiopsyforpathologicalexaminationisneeded.Fibercolonoscopyorelectroniccolonoscopyisnormolatpresent.However,itcausesthepatientsmiseryandcomplicationmoreorless.Sotheresearchofminimallyinvasiveornoinvasivecolonrobotfordiagnosisandtreatmentbecomethehottesttopics.Alimentarycanalistheonlynaturalopenings,whichprovidesaperfectenvironmentforthestudyofmicrocolonrobots.Recentlytheresearchofcolondiagnosticrobothasbeenopenedupinseveralresearchinstituteswiththeultimategoalofusingforclinicalapplication.Thedevelopedrobotweresmall-size,autonomouscontrolandakindofcollectionofdiagnosticandcure.Manyresearchesarefixedontherobot’sdrivemodeandlocomotion,fewonthediagnosticandtreatmentmechanism.ThispaperissupportbytheNational863Program(2008AA04Z201)、theNationalNaturalScienceFoundationofChina(31170968)、Mannedspaceflightresearchprojectinadvance(010203)andShanghaiscienceproject(09DZ1907400).Analysisandsummarizethepreviousstudy,describesthedevelopmentofaprototyperoboticendoscopeforcolondiagnosisandtherapy.Thegoalofthisdeviceistoaccess,inaminimallyinvasivefashion,theportionsofthesmallintestinethatcan’tbeaccessed第III页 上海交通大学硕士学位论文byconventionalendoscopes.Thispaperdescribesthemacroscopicdesignandfunctionofthedevice,andtheresultsofexperimentsthatvalidatetherobot.ThemicroDCmotorischoosingastherobot’sdrive.Auto-movementinthecolonisinchworm-likelocomotion.Thevisualnavigation,biopsyandhyperthermiatherapyareaddedtotherobotasneeded.Thefunctionofthevisualnavigationisoutputtingthevideoofinnercolon,whichcontainstheinformationthatthedoctorneedstodiagnosisthetumor.Thebiopsymeanscollectingsomesuspectedcellsfordiagnosing.Hyperthermiaisasafeandeffectivemethodtotreatearlycancer.Pic16F690ischoosingasthemastercontrolchipoftherobot.ThedrivecircuitfortheDCmotors,thecollectioncircuitforthecurrentofmotors,thecollectioncircuitforthecoil’stemperatureandthecommunicationcircuitaredesignedfortherobot.Theprogrammersforlocomotioncontrol，temperaturecontrolandRFcommunicationprotocolisdesignedinClanguage.Therearetwowaysfortherobotpowersupply:draggingwireandwirelesspowersupply.Theuppercomputersendsthecontrolcommandtotherobotwhichcouldbesemiautonomouscontrolled.Finally,thediameteroftherobotis20mm,and170mminlength.Toverifythemicrorobot’sfunction,designaseriesexperimentofserialmodulesoftherobotandrobotitself,whichdemonstratetherobothavetheabletomoveforwardandbackwardandstopattheexpectedlocation.Thesteppitchoftherobotis32.8mm.KEYWORDS:MicroDCmotor,Inchworm-likelocomotion,Visualnavigation,Hyperthermiatherapy,Biopsy第IV页 上海交通大学硕士学位论文目录摘要······························································································································IABSTRACT················································································································III第一章绪论·················································································································11.1研究背景及意义·································································································11.2胃肠道诊疗系统的国内外研究现状·································································31.2.1压电驱动······································································································51.2.2气动驱动······································································································51.2.3形状记忆合金驱动······················································································61.2.4微型电机驱动······························································································71.3本文研究内容·····································································································8第二章结肠道环境分析及微诊疗机器人运动方式的选择·····································102.1结肠道动力学分析····························································································102.1.1结肠构成·····································································································102.1.2结肠力学····································································································112.1.3结肠内壁机械感受器·················································································132.2微诊疗机器人驱动方式选择············································································132.2.1驱动方式优缺点对比·················································································142.2.2本文的驱动方式选择·················································································152.3微诊疗机器人的运动步态················································································162.4本章小结···········································································································18第三章微诊疗机器人机械结构设计········································································193.1运动机构··········································································································193.1.1径向钳位机构····························································································193.1.2轴向伸缩机构····························································································233.2活检机构··········································································································263.3热疗机构··········································································································293.3.1热疗技术的发展························································································293.3.2热疗机构设计及实现················································································313.4视觉机构··········································································································35第V页 上海交通大学硕士学位论文3.5本章小结··········································································································36第四章微诊疗机器人的控制系统············································································384.1微诊疗机器人内部电路设计···········································································394.1.1步态控制电路····························································································404.1.2视觉控制····································································································414.1.3热疗或活检控制························································································424.2双向通讯设计···································································································424.3辅助电路··········································································································444.3.1供能系统····································································································444.3.2上位机········································································································454.4软件设计··········································································································464.5整体调试··········································································································534.6本章小结··········································································································53第五章系统实验········································································································545.1整机性能实验···································································································545.1.1径向力实验·································································································545.1.2轴向力实验·································································································555.1.3整机实验·····································································································565.2离体实验··········································································································585.2.1玻璃硬管道实验·························································································585.2.2离体猪肠道实验·························································································605.3活体实验··········································································································625.4本章小结··········································································································62第六章结论与展望····································································································646.1本文总结··········································································································646.2研究展望··········································································································65参考文献···············································································································66致谢·························································································································69攻读硕士学位期间已发表或录用的论文··································································70第VI页 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景及意义2011年3月29号，由中国抗癌协会主办的第二届“世界癌症宣传日——消[1]化道肿瘤专题”宣传活动正式拉开序幕。活动以宣传大肠癌和肝癌为重点，以“坚持规范化，探索新希望”为主题，呼吁公众增强对消化道肿瘤危害的高度重视，提高规范化防治意识。此次世界癌症日的主题是“癌症是可以预防的疾病”，向我们展示了与癌症抗争的美好未来，但摆在我们面前的数据却触目惊心：近年来，我国肝癌、大肠癌等消化道恶性肿瘤发病呈显著上升趋势，据有关方面统计，我国大肠癌发病率以4.71%逐年递增，远超2%的国际水平。面对如此严峻的发病形势，无数癌症治疗专家曾呼吁“消化道肿瘤与生活方式息息相关，‘规范生活’、‘规范早检’和‘规范治疗’是公众有效抗击消化道肿瘤的三把利剑。”人们往往谈癌色变，其实癌症并不可怕，尤其是结直肠癌，早期发现治愈率非常高。但是由于结直肠癌早期症状往往不明显，当症状出现时便已错过了最佳治疗时期，为生命留下遗憾。“早期发现、早期诊断、早期治疗”是国际医学界公认的肿瘤防治手段，而有效实施的关键在于提高公众自我检测意识，将防癌抗癌的主动权掌握在自己手上。张苏展教授充满信心的表示：“我们有理由相信，当全社会都能对身边的疾病加以重视和正确恰当的认识，再加上医疗技术的不断发展和所有医务人员的不断探索，‘肿瘤’和‘癌症’在公众心目中将不再是“绝症”的代名词。”及时、定期的胃肠检查是预防的关键。从临床角度来看，肿瘤与癌症在早期呈现出血与息肉的征兆，其早期治愈率较高。因此，针对消化道进行早期肿瘤与癌症筛查有重大意义。[2]如图1-1所示，大肠癌在我国以直肠癌最多见、占56%~70%，余依次为乙状结肠癌12%~14%，升结肠和盲肠癌7%~9.5%，降结肠癌3.4%，横结肠癌3%，结肠脾曲癌0.6%~3%，结肠肝曲癌0.7%~2.7%。最近的研究认为，大肠的恶性肿瘤应该根据部位分成三类，即右半结肠癌、左半结肠癌和直肠癌。这样分类方法主要基于以下几点：这三个部位的肿瘤在世界上的不同地区有着不同的发病率，因此可能存在着不同的致病因素；不同部位的大肠癌在发病的年龄和性别上存在第1页 上海交通大学硕士学位论文差异，如右半结肠癌好发于女性，而直肠癌好发于男性；时间趋势显示近端结肠肿瘤较远端结肠肿瘤的发病率有增加的趋势，提示二者存在不同的致病病因和危险因子。图1-1结直肠生理位置及各组成部位癌变比例Fig.1-1Thephysiologypositionofthecolonandtheproportionofeachcomponent我国首部面对普通大众的公众版《消化道肿瘤规范化防治手册》指出，治疗的不规范性是造成国内消化道肿瘤治愈率与发达国家存在巨大差距的原因之一。以大肠癌治疗为例，目前我国早期大肠癌患者平均用药时间显著低于标准，因各种原因造成的治疗不足，严重影响治疗效果，甚至导致疾病复发。张苏展教授指出，“选择科学、有效的化疗药物至关重要，研究表明，以乐沙定为代表的奥沙利铂的化疗方案，在大肠癌的治疗中发挥了显著的疗效，可使Ⅲ期大肠癌患者死亡风险降低20%，晚期大肠癌患者生存5年的总机会可达到9.8%。”[3]对于出现疑似结直肠癌，其诊断流程为：必须进行钡剂灌肠和直肠镜、乙状结肠镜或者结肠镜检查，以确诊和排除第二原发结直肠癌。对于怀疑病变的，同时进行活检。[3]早期结直肠癌局限于黏膜层和黏膜下层。一般认为局限于黏膜层的癌（黏膜内癌），无淋巴和血道转移，只要局部完整切除即可达到根治目的。而侵犯黏膜下层的癌（黏膜下癌、Sm癌），约有10%的淋巴转移和5%的血道转移。[4]目前，常用的诊断工具为纤维或者电子结肠镜，它不但可以进行细胞涂片或组织检查取得病理诊断，且能对病灶的定位、浸润范围做出诊断，还可发现大肠多原发肿瘤。在《斯坦福大学开放课程：健康图书馆》中的第11集——机器人手术用于癌症治疗中，斯坦福大学医学中心副教授MarkGonzalgo介绍了目前治疗肿瘤的方第2页 上海交通大学硕士学位论文法有传统的开刀手术、化疗、内视镜手术，相对于其他同等控癌速度的方法来说，内视镜手术造成的伤害最小，给病人带来的痛苦最少。到最近6到8年，使用机器人协助技术也是一种内视镜工具，相比起传统腹腔镜途径，有一定的优势。并介绍了斯坦福医院现有的内视镜仪器能提供3D、高清的视频图像，使用该仪器治疗的病患，其住院时间比开放式治疗短，并发症少，不需要或者需要少量的输血。[2]但同时，结肠镜检查也会带来一些并发症，比较少见，主要有肠穿孔出血、结肠系膜撕裂、气体爆炸、呼吸心搏骤停等。主要原因是操作不当（机械性肠道准备不良、盲目进镜、注气过多、电流过大等），其他因素包括结肠扭曲、肠粘连、结肠肿瘤等。综上所述，结直肠的不同癌变部位其形态不同、肿瘤诊断可能导致的并发症和更有效的治疗癌症，为针对特定部位的微创医疗机器人的发展创造了契机。1.2胃肠道诊疗系统的国内外研究现状机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。从西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，到1959年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。在医疗领域，人体的所有腔体中，人体消化道为自然开放式腔体，是进行机器人无创检查与治疗最适宜的环境。如今，电子计算机，微机电系统，新型材料第3页 上海交通大学硕士学位论文的发展也给消化道无创介入式诊疗装置的问世带来了契机。最早将机器人概念引入医疗领域的是美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校，微机电系统研究中心的KojiIkuta，在他1988发表的“TheApplicationof[5]Micro/MiniatureMechatronicstoMedicalRobotics”中说道：阻碍医疗机器人发展的最大问题可以概括为三类：机械技术问题；产品费用问题；人机交互问题。同时也指出第三个应该由工程师、医生和病人合作解决。前两个问题需要依靠未来几年微机电系统的发展来解决。第一次提出了微医疗机器人“MEDIWORM”的概念，概念机模型如图1.2。功能较齐全，在该设计中，已经将许多诊疗功能集成进去，如CCD摄像头（视觉导航）、微泵（可用于药物释放）、超声、活检钳；尺寸较小，外形尺寸为Φ13×215mm；功耗较大，为12V，1A；驱动使用的是形状记忆合金（SMA，ShapeMemoryAlloy）驱动的头部弯曲机构，为了加速SMA的回复，该机构在工作过程中需要流动水冷却。图1.2概念微医疗机器人“MEDIWORM”Fig1.2Basicconceptofminiaturemedicalrobot“MEDIWORM”随着新型材料技术、精密加工技术的发展，在无创或微创医疗机器人方面的研究越来越多。已有的微创医疗机器人的研究设计主要从三方面着手：驱动器、执行机构和运动方式，其中驱动器的选择至关重要，驱动器的体积、驱动力大小、作用方式和稳定性关系到微创医疗机器人所能实现的功能种类的多少及功能实现的质量的高低，因此从选择不同的驱动器出发，可以将已有的研究成果概括为以下四类。第4页 上海交通大学硕士学位论文1.2.1压电驱动韩国智能微系统中心（IntelligentMicrosystemCenter）在21stCenturyNewFrontierR&DProjects支持下，从1999年开始开展了IMP（IntelligentMicrosystemProgram）的项目研究，该项目的最终目的是利用智能微系统和集成技术开发一种人体消化道微诊疗系统，如图1.3（a）所示，就是IMP提出的概念样机。该系统分为三节，包括图像采集、温度传感器、PH值及生化传感器、活检、药物释放和无线能量传输等模块。采用基于蚯蚓蠕动仿生原理设计的牵引机构，夹持部分使用了模拟昆虫爪子的机构。[6]在该研究中心2005年发表的文章中，设计了一个基于冲击式的压电驱动器，如图1.3（b）。驱动器本身最大直径为11mm，长度约于20mm，最终的胶囊内窥镜直径为14mm，长度为30mm，轴向位移采用压电冲击式驱动器，理论步距可达11mm，实际在离体小肠中的步距5mm。钳位机构是仿昆虫的钳子结构，呈锯齿形，通过改变锯齿的倾斜角度，来改变径向机构与肠壁之间的摩擦力，即径向机构是通过被动产生的摩擦力来实现径向钳位。另外，采用压电式驱动的工作电压较高，为±85V。.（a）韩国智能微系统中心提出的胶囊内窥镜的（b）压电驱动胶囊内窥镜概念机（b）Thecapsuleendoscopewhichis（a）ConceptdesignofthemicrorobotforcapsulebasiconthePZTendoscope图1.3韩国智能微系统中心的PZT机器人Fig1.3TherobotbasiconthePZTofIntelligentMicrosystemCenterofKorea1.2.2气动驱动美国Slatkin等人在20世纪90年代研制了旨在进入小肠的仿尺蠖型机器人内[7]窥镜，如图1.4（a）所示。机器人由三个钳位单元和两个伸缩单元组成，并集第5页 上海交通大学硕士学位论文成了视觉导航和活检功能。其运动单元均采用气动方式进行驱动——轴向伸缩、径向气囊扩张。对机器人进行的猪结肠离体、体内以及人体肠道的离体试验，结果表明了机器人的可控性，但由于采取了有缆方式，事实上无法深入人体腔道。（a）美国Slatkin等人的研究成果（b）意大利Dario等人的研究成果（a）TheSlatkin’sresearch（b）TheDario’sresearch图1.4气动式机器人内窥镜的发展Fig1.4Thedevelopmentoftheairoperatedendoscoperobot意大利CRIM（CenterforResearchInMicroengineering）实验室的Dario等人[8]在90年代也采用气动方式先后研制成几代肠道检查内窥镜机器人，如图1.4（b）所示。机器人包括前后两个径向钳位单元和一个轴向伸缩单元，和美国的不同的是：其伸缩单元是采用橡胶波纹管来提供恢复力，钳位单元是通过表面的许多小孔对肠壁进行真空吸附来获得夹持力。在猪肠离体和在体试验中，初步验证了机器人的运动性能，并分析了运动效率等问题。但是，由于采用的是拖线方式，限制了机器人的可移动性，导致机器人进入肠道未能超过1米。1.2.3形状记忆合金驱动1996年，比利时Reynaerts等人研制出一种基于尺蠖仿生原理的微小消化道[9]介入系统样机。机器人直径为Φ15mm，长95mm，主要包括头尾两个完全一样的泊位机构和一个位于中间的伸缩机构，采用弯曲机构连接泊位机构和伸缩机构，机构均使用SMA驱动。泊位机构伸出板支撑在肠壁上，前后交替泊位，在伸缩机构的轴向驱动下实现行走，弯曲机构用以改变机器人的前进方向。仅弯曲机构工作时所需电流达1.2A，导致10℃温升。[10,11]韩国科学技术学院微系统研究中心也开展了胶囊机器人的研究。分别在2005年设计基于SMA的胶囊机器人，如图1.5所示。其执行机构直径9.5mm，长50mm，电池供电，电压3.1V，电流66mA，驱动力低温下0.95gf/mm，高温下第6页 上海交通大学硕士学位论文5.90gf/mm，理论步距3.4mm/10s，实际步距1.2mm/13s。图1.5韩国智能微系统研究中心的SMA机器人Fig1.5TherobotbasicontheSMAofIntelligentMicrosystemCenterofKorea1.2.4微型电机驱动意大利比萨圣安高等师范学校CREV1实验室在2007年机器人及自动化国际[12]会议上发表了关于十二足胶囊机器人的设计，如图1.6（a）所示。该机器人既能撑开泄气的结肠，也能在结肠脾曲这种急剧转弯的部分航行。使用了直流无刷电机（直径4mm，输出力矩2.92mNm，NamikiPrecisionJewelCo.,Ltd），机器人的12条腿全打开，最大直径为32mm，最小直径11mm，长度26mm，并分析计算了机器人的受力和尺寸。2009年，日本东京早稻田大学M.Shikanai等人研制了一基于直流电机的螺旋[13]驱动的内窥镜机器人，如图1.6（b）所示。机器人直径30mm，长度190mm，机器人分前后两个螺旋单元，转向不同，其用于前进的螺旋机构的材料为SEPTON热塑性弹性体，可以通过充气来改变螺旋机构的直径，以实现更有效地与肠道接触，提高钳位力，后期的动物肠道离体和体内实现都验证了该设计的可行性。[14]国内哈尔滨工业大学在2009年也研制了一款主动式胶囊机器人，如图1.6（c）所示。其驱动器选用的是双轴电机，完成驱动外螺旋机构直线运动及在CCD辅助下完成转向机构的运动，可减小机器人的体积。最终机器人的尺寸为直径18mm，长度70mm。并对机器人样机进行了实验，将其放在水平的管道中测试其运动性能，前进速度可达10mm/s，实现18°的转弯。但由于该机器人的设计不能实现轴向直径的变化，无法提供有效地径向钳位力，不能实现竖直方向的爬行。且螺旋式牵引只有在严格的润滑膜形成机制条件下才能够获得理想的牵引能力，第7页 上海交通大学硕士学位论文在人体这种非结构环境中，消化道内壁表面起伏剧烈、肠道柔软易于变形、浮动性大，螺旋牵引能否有效可靠，可能还需要作进一步的深入研究。（a）意大利十二足内窥镜（b）日本M.Shikanai等人研（c）哈工大设计的主动式胶机器人究的机器人囊机器人（a）TheItalianPill-Sized（b）TheresearchofWaseda（c）Thecapsulerobot12-leggedEndoscopicUniversityofTokyoCapsuleRobot图1.6基于微型电机的内窥镜机器人Fig1.6TheEndoscopiccapsulerobotsbasicontheMircomotor1.3本文研究内容传统插入式内窥镜和胶囊内镜都有其缺点和局限性，因此，可以利用成熟的微机械技术、微电子技术、无线通信技术、无线能量传输技术与临床医学技术来研究一种微型机器人诊查系统，使微型机器人能够自主进入人体胃肠道，并且能够适应柔软、弯曲、狭小的人体胃肠道环境，携带工具完成设定微／无创诊疗，弥补了插入式内窥镜和胶囊内镜存在的缺陷。另一方面，拖揽方式限制了机器人的运动灵活性、机动性，制约了机器人在胃肠道内的爬行距离和速度。同时，由于缆线存在刚度，当缆线逐渐深入胃肠道时，会对胃肠壁造成不同程度的损伤。综合考虑机器人的能量传输和通信控制，本次设计的微型结肠疾病诊疗机器人系统的主要研究内容有：第一章阐述了本文的研究背景意义、国内外现状及本文研究内容。介绍了目前结肠各组成部分癌变的发变率及其变化，调查了内窥镜机器人和胶囊机器人的国内外研究现状。第二章介绍了结肠道组成及各部分简单的生物运动，简单地分析了结肠的生物力学——长向应力和环向应力，并在此基础上，对比现有的驱动方式和运动方第8页 上海交通大学硕士学位论文式，确定了本文微型结肠疾病诊疗机器人的驱动方式（微型直流电机）和运动步态（仿尺蠖式）。第三章介绍了微型结肠疾病诊疗机器人的机械组成结构：运动机构——径向钳位和轴向伸缩，诊疗机构——活检、热疗和视觉导航，在直流电机基础上，采用丝杠-螺母实现大部分的机械运动，并对各部分机构进行动力学、运动学或功能性分析。而视觉导航中有转角控制，采用了步进电机作为驱动器。第四章介绍了微型结肠疾病诊疗机器人控制电路的软硬件，包括机器人的运动控制、无线通讯、照明、图像采集和传输、热疗或活检及无线能量供应。同时，采用无线能量供给的方法解决微诊查装置的能源问题，这也是微诊查装置技术发展的基础。第五章分别对微型结肠疾病诊疗机器人的运动模块做了实验，测试其性能后，整机组装，调试整体功能后，分别进行了玻璃硬管道、塑料软管道、猪大肠离体实验和猪活体实验。第六章总结了本文的研究成果，并对后期研究进行展望。第9页 上海交通大学硕士学位论文第二章结肠道环境分析及微诊疗机器人运动方式的选择2.1结肠道动力学分析2.1.1结肠构成人体肠道是食物输送、消化及吸收的重要场所。研究肠道的生物力学性能，可以从设计上保证微诊疗机器人能和结肠有很好的相容性，给出一定的设计指标，例如，径向钳位的直径、钳位力大小，轴向伸缩速度及步距等。[15]研究结肠癌不同于其他多数易癌变的内部脏器，人体消化道是自然开放式腔体，我们容易了解和分析结肠，通过结肠镜（一种由直肠插入的有弹性的光学导管）可以获得结肠内壁细胞的直观视图。构成正常结肠上皮的细胞——即大肠壁的细胞层——更替通常很快。上皮细胞形成、成熟、然后脱落在结肠腔内，这一典型过程只有两三天时间。如此迅速的更替意味着这些细胞只有短暂的有效寿命，这兴许是因为它们易受肠容物——消化物及结肠内的大量细菌——的侵害。这样也可以避免有缺陷的受损的细胞积累过多，其中包括了生长控制基因已经发生突变的细胞。尽管肠壁在不停地更替，但作为一个整体，它的组织结构通常保持在非常稳定和良好的状态。[15,16,17]根据国际抗癌联盟（UICC）TNM分期中解剖学的划分原则，大肠包括结肠（阑尾、升结肠、结肠肝曲、横结肠、结肠脾曲、降结肠和乙状结肠）、直肠（直乙状结肠交界处和直肠）和肛管。结肠在右髂窝内续于盲肠，在第3骶椎平面连接直肠。结肠在腹部形成一个方框分布，框内为小肠。升结肠位于腹腔的右侧，是从回盲瓣向上至结肠肝曲的一段结肠。横结肠位于结肠肝曲与结肠脾曲之间，横跨腹中线，是结肠中最长的一段。降结肠位于腹腔的左侧，起自结肠脾曲，向下至髂嵴移行为乙状结肠。乙状结肠位于右下腹与盆腔，其肠管的形态、位置和长度变化较大。[16]成年人结肠的长度大约是1.3m，但是由于乙状结肠长度变化较大，因此结肠长度的个体差异也较大，人体结肠壁的综行肌分布不均匀，集中形成了三条大致等距离的平行肌束，称为结肠带，结肠带之间只有一层薄的环形肌，由于环形肌的分节收缩和结肠带短于肠管长度，导致结肠的肠壁节段性向外膨隆呈囊袋状，称结肠带，它是结肠特有的外观，借此与小肠区别。[16]结肠的组织结构可以分为黏膜、黏膜下层、肌层和浆膜四层。（1）黏膜层大肠的肠壁没有皱壁，黏膜层由肠上皮、固有膜和黏膜肌层构第10页 上海交通大学硕士学位论文成。肠上皮为单层高柱状细胞和较多的杯状细胞，内分泌细胞很少。（2）黏膜下层黏膜下层为疏松的结缔组织，含有黏膜下血管丛、淋巴管丛和神经丛，并有大量的淋巴细胞。（3）肌层肌层分为两层：内层是厚度一致的环形平滑肌，聚集成三条肌带又称结肠带，结肠带之间的纵形肌很薄或不完整。在环形肌和纵形肌之间有肌间神经丛和神经节。（4）浆膜层浆膜层为结肠的最外层，附含有较多脂肪组织和疏松结缔组织的肠脂垂。升结肠和降结肠没有肠系膜，活动度较大，而横结肠和乙状结肠有肠系膜，活动度较小。结肠系膜分别云回盲部、肝曲、脾曲部变短，形成所谓的“韧带”结构。这使结肠在多个位点上被固定。这种结构能够使固定点间的结肠处于相对游离的状态，从而增加了结肠的活动度。同时，这种结构并不影响结肠平滑肌的基本收缩运动。结肠的各段的基本运动形式：1.右半结肠：运动的特点之一为间歇性逆向蠕动。运动的方向朝向盲肠。间歇性逆向蠕动主要由环形肌节律性收缩完成。同时，右半结肠也存在正向蠕动，除方向不同，正向蠕动与逆向蠕动的其他性质类似。2.左半结肠：仅存在正向蠕动。2.1.2结肠力学[17]生物组织具有介于固体和液体之间的机械力学特性：有限变形、非线性应力-应变关系、明显的黏弹性和源于管壁非匀质状态的各向异性。由于生物组织含大量水分，通常具有弹性固体和黏性液体的双重特性。这些机械特性具有时间依赖性，因此，受力后应力-应变反应不会立即发生。突然施加一固定应变并维持不变，管壁的应力会随时间减弱，此现象称为应力松弛。突然施加一固定应力，变形会随时间持续进行，这一现象称为蠕变。若加载和卸载反复进行，加载的应力-应变曲线轨迹与卸载的不同，此称为滞后现象。[17]生物力学领域中，Laplace定理广泛应用于消化道和心血管领域，它可解释管壁为何在过分拉伸处破裂。管壁应力与压力盒半径-管壁厚度比均有关，比较扩张性和张力等管壁特性时，在同样压力和机械感受器阈值下忽略半径-管壁厚度比会造成结论错误。在生理学中使用Laplace定理时，有以下假设：管壁截面必须呈管状、管壁各点厚度相等、匀质，外力必须稳定在平衡状态，也就是说不能有加速度存在。问第11页 上海交通大学硕士学位论文题在于消化道属于薄壁管道还是厚壁管道。在厚壁圆柱管道内，应力不可能均匀地分布于管壁中。通常以壁厚度/半径等于0.1为界线（此情况下，管壁的内表面和外表面应力分布相差小于5%）。心脏、动脉和小动脉壁的厚度/半径分别为0.25、0.20和1.0，属厚壁管道，而静脉值为0.03。因此，严格将只有静脉属于薄壁管道。然而，Laplace定理仍广泛应用于心血管系统，认为计算结果可有效地估计应力平均值。在低压状态下，十二指肠和空肠也为厚壁器官，回肠接近薄壁结构。Gao和Gregersen（2000）的研究数据表明，大肠为一薄壁器官。（a）局部图示径向、长向和环向三方向的应力。（b）圆柱体被纵向切开。（c）垂直于中轴切开的圆柱自由体。（d）压力下的圆球体图2-1压力下的圆柱体和球形体Fig2-1Theperformanceofthecylinderandsphereunderthepressure环向扩张柱状器官主要引起环向拉伸应力，平衡状态下，肠壁圆周方向的力与肠腔内扩张的力相等。根据Laplace定律，柱状管道的平均环向应力可用下列公式表达：Priτ=(2-1)θh其中，P、r、h分别代表压力、内径和管壁厚度。i肠道的长向应力和肠壁截面积的乘积等于作用于肠壁长向方向的力。假设外2222Pri界压力位零，肠壁长向的力τπ()rr−=Pπr，则长向应力τ=。zoiiiz22()rr−oi如果壁厚度和半径的比值很小，rr==r,rrh−=,公式可以简化为：oioiPriτ=（2-2）z2h这些计算，是假设结肠道是呈圆形截面的，而动物实验显示，小肠在低压时第12页 上海交通大学硕士学位论文的截面是椭圆形的。对于结肠受力的分析，目的在于分析出，结肠所能承受的最大环向应力和长向应力，以及二者在什么范围内对生物是安全的。即在设计微型结肠疾病诊疗机器人结构时，需要考虑到结肠能承受的力道，保证结肠道的安全。2.1.3结肠内壁机械感受器[17]内脏疼痛是病人就诊的最常见原因之一。消化道扩张后激发内在或者外在神经反射介导的抑制和兴奋，产生诸如疼痛等内脏感觉。肠壁内机械感受器在这个感觉反应中起重要作用。动物实验表明，有些感受器对机械刺激的阈值较高，在有害刺激范围内感受功能就被激活。其他感受器则对机械刺激的阈值较低，而编码功能从无害到有害的范围都存在。通过一些动物实验进一步证明，黏膜中神经末端发挥频繁调整机械感受器的作用，而肌肉内的神经末梢则缓慢调整机械感受器。上述结果提示，快速扩张激活黏膜内的感受器，而缓慢扩张则主要激活肌肉内的感受器。机械感受器的直接性刺激不是压力或容积的变化。对不同种属进行的蠕动反射和感知的大量研究进一步证实了这一点。感受器可能被消化道管壁的机械力和变形所激活。因此，在研究消化道感觉运动功能时一定要考虑机械扩张性刺激和组织的生物力学组织特性等多方面因素。可扩张生物管道的环向伸展张力和应力最大，而环向张力和应变最有可能是感受器的直接性刺激。众所皆知，阶段式扩张的气囊在人体能够激发非疼痛和疼痛感；连续式扩张的气囊在人体能激发疼痛感。在结肠构成一节，已解释过结肠的结构多为黏膜结构，肌肉较少，即结肠内的快速扩张会带来疼痛感，而慢速扩张则没有疼痛感。因此，在设计微型结肠疾病诊疗机器人的径向扩张机构时，可以考虑使用慢速阶段扩张法，减轻病人疼痛感。2.2微诊疗机器人驱动方式选择设计微型结肠疾病诊疗机器人（简称微诊疗机器人）时，微驱动器的选择关系到运动机制是否能有效执行。驱动器的选择会影响到机器人的尺寸、能量供应、[18]运动产生的力量大小、运动范围和生物安全性。第13页 上海交通大学硕士学位论文2.2.1驱动方式优缺点对比从上章节国内外现状的描述可以看出，机器人的主要驱动方式有：气动式、记忆合金式、压电材料、直流电机式。各有优缺点：2.2.1.1气动式驱动使用气动式驱动的好处是，与结肠壁的接触时柔性接触，对结肠的伤害最小；另外气源容易获得，大气即可。但是使用气体驱动也有一些问题：首先是气压问题。人体结肠自身对外界刺激的反应，会对机器人径向扩张机构产生一定的反作用力，气囊内部的气压必须达到一定值之后，才能将结肠撑开，这就对气泵所能形成的最高气压提出了要求，即气泵本身的设计在理想状态下，经流体力学的计算，其最高气压要满足一定的条件，对于不拖揽的机器人气泵的要求较高。其二是气密性问题。消化道是个开放的系统，通常的内窥镜检查也会使用气囊或者喷气保证内窥镜的观察视野，但是消化道内的气体压力也不能太大，即需要考虑机器人长时间在活体肠道内爬行时的气体泄漏量。其三是气源问题。前人的研究中使用的是拖揽，是外部气源，而本文论述的机器人是不拖揽的，所以若采用气动结构的话，机器人本身就需要携带一个气源，在不考虑气体泄漏问题的情况下，气源本身对机器人外形尺寸有一定影响。其四是摩擦力问题。气囊即要能膨胀，有一定的弹性，又要能在与结肠壁接触时提供足够的摩擦力，及气囊的摩擦系数要尽量大。这是两个相矛盾的要求，需要从材料或者技术上解决这个问题。[17]另外，结肠属于管状内脏，而管状内脏的径向扩张阻力大于轴向的阻力，所以在前人的实验中所有气囊更容易伸长而非径向扩张，即使用气动做为径向钳位机构的话，并不一定能提供足够的径向钳位力。在技术条件能解决上述问题的情况下，使用气动式驱动是医用体内机器人的很好的选择。2.2.1.2压电驱动压电材料属于新型材料，有压电效应及逆压电效应，即具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。第14页 上海交通大学硕士学位论文使用压电材料的缺点：工作电压太大，使用在生物体中，一方面，功耗大，另一方面，存在安全隐患。自锁时，还需要持续供电，当没有输入电压时，材料将恢复初始状态。步距小，压电材料在电压下的变形相对于其原尺寸来说要小很多，所以要实现较大步距时，要使用更多的压电材料，导致其在机器人中占的体积大。2.2.1.3SMA驱动[19,20]SMA是一种特殊的合金材料，当其形状被改变之后，一旦加热到一定的相变温度时，它又可以变回到原来的形状。形状记忆合金作为集传感、驱动和执行功能于一体的新型材料，具有重量轻便、结构简单、无噪音、易于控制等特点，在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。但是使用SMA驱动的微型机器人，由于SMA自身特性的限制，往往存在以[20]下几个问题：1．响应时间太慢，SMA加热产生动作需要一定的时间，SMA回复需要散热，也需要一定的时间。2．功耗很大，SMA的工作电流比较大。3．步距很小，SMA的长度变化范围是有限的，否则会破坏SMA材料的形状记忆效应。4．自锁问题，SMA需要依靠保持温度，即持续供电，来维持形状，能耗大。5．散热问题，要提高响应速度，有一点是加快SMA散热，使机器人结构变复杂。这些缺点极大限制了SMA在微型机器人中的实际应用。2.2.2本文的驱动方式选择[21,22,23,24,25]本次设计采用了直流行星齿轮减速电机，主要原因：1.体积小，直径6mm，机身长度16mm（不包括输出轴）；2.功耗小，额定电压3V，额定电流≤150mA；3.输出稳定，减速比26，额定转速900r/min，额定输出功率2.0g⋅cm。第15页 上海交通大学硕士学位论文图2-2微电机实物图Fig2-2Thephotoofthemicromotor对电机的实际性能做了测试，电机的输出轴为一字槽，使用车床加工了一ABS圆盘，外径20mm，中间开一字槽，安装在电机输出轴上，再在圆盘外圆曲面沿轴向固定（502强力胶）一棉线，棉线的另一头连接的是测力器测力挂钩，使用的测力器型号是NIDEC-SHIMPODigitalforcegauge。实验时，确定电源输出电压后，测量电机最大输出力矩，得到表2-1。表2-1电机空载输出力测试Table2-1Thetestofthemicromotorwithoutload电压/V2.633.3输出力矩/gf232527从表2-1可以看出，电机的输出扭矩和输入电压近似成线性比例，考虑到机器人的整体功耗要尽量小，最终确定电机的工作电压为3V。由于此次测试电机性能时只测量了一个电机，因此后续计算中，电机的输出扭矩是按照厂家给出的额定值来计算的。2.3微诊疗机器人的运动步态自然界中有大量昆虫和蜘蛛纲动物，它们形态不一、体型各异，在长久的生物进化过程中，各自都拥有适应各自环境的能力，而这些能力也是人类的一个很重要的灵感源泉。因此微诊疗机器人的运动方式可以借鉴在生物体肠道内生活的寄生虫的运动模式。前人研究的微型机器人系统所采用的运动步态研究有十二足仿生运动、仿[26,27]蚯蚓式运动、仿尺蠖式运动等。十二足仿生模仿多足爬行动物，对于生物体的安全性还有待研究。仿蚯蚓、仿尺蠖式运动方式和肠道内的寄生虫运动方式类似，适合用于结肠道的微型机器人。以色列理工技术学院机械工程中心的DavidZarrouk对这种蠕动式的运动方式[28]做了研究，发现：仿蚯蚓机器人的位移效率跟以下因素有关：切向弹性模量、第16页 上海交通大学硕士学位论文摩擦系数、机器人径向单元个数及其他外部因素有关。研究针对机器人的径向单元数与机器人运动效率之间的关系展开的，通过计算和实验表明，随着径向单元数的从2个往上增加，机器人运动也稳定，但同时也导致机器人的整体长度增加，控制难度上升。[29,30]权衡上述因素后，本文选用仿尺蠖步态，有两个径向钳位单元，一个轴向伸缩单元，结构简单，也适合在结肠的生理构造；在此基础上的编程控制简单，出错率较之多径向单元的要少。图2-3仿尺蠖运动步态Fig2-3TheInchworm-likelocomotion仿尺蠖式周期运动的步骤，每步只有一个机构运动，如图2-3所示：Step1：假设初始状态为：径向钳位机构A打开，径向钳位机构C收缩，轴向机构B处于收缩状态；Step2：伸缩机构B伸长，将径向钳位机构C送出；Step3：径向钳位机构C打开，提供径向钳位力；Step4：径向钳位机构A收缩，径向钳位机构C和轴向伸缩机构状态保持；Step5：轴向伸缩机B构收缩，将径向钳位机构A向前收回。Step6：径向钳位机构A打开，提供径向钳位力；经过上述六步，在一个运动周期内微诊疗机器人整体向前移动了一个步距。由上可知，尺蠖式机器人具有以下特点：（1）运动所需驱动源较少；（2）依靠钳位机构与肠道表面的摩擦力传递运动；（3）其运动是一种周期运动，运动长度易于控制。第17页 上海交通大学硕士学位论文2.4本章小结结肠道由阑尾、升结肠、结肠肝曲、横结肠、结肠脾曲、降结肠和乙状结肠组成，除升结肠有间歇性逆向蠕动外，各部分结肠都只有正向蠕动。对结肠的生物力学简单分析了其长向应力和环向应力，为设计微型结肠疾病诊疗机器人的输出动力提供了参考。通过对比现有的驱动方式的利弊，确定了本文微诊疗机器人所使用的驱动方式——微型直流电机。仿尺蠖式运动步态更接近结肠道寄生虫的运动，且采用两个径向钳位机构和一个轴向伸缩机构，其结构简单。人体肠道是食物输送、消化及吸收的重要场所。研究肠道的生物力学性能，为分析机器人需要满足的性能提供了一些指标，例如，径向钳位的直径、钳位力大小，轴向伸缩速度及步距等。第18页 上海交通大学硕士学位论文第三章微诊疗机器人机械结构设计3.1运动机构人类结肠的直径的自然值在25mm到60mm变化，长度在1.3m，成类“M”形。对微型结肠疾病诊疗机器人的外形要求是：最小外形尺寸下，直径小于25mm，长度小于200mm。需要实现的功能有：基本的运动步态、视觉导航、诊疗功能。[31]在此基础上，设计其机械组成部分。微型结肠疾病诊疗机器人的主要构成有本[32,33,34,35,36]体的运动机构及诊疗功能的视觉系统和活检或热疗机构。微诊疗机器人的驱动器选择为直流电机，需要实现仿尺蠖式的运动步态，微诊疗机器人设计了两个径向钳位机构和一个轴向伸缩机构。轴向伸缩机构位于中间位置，两个径向机构分别为轴向机构两端，三个机构之间配合完成仿尺蠖运动的步态。3.1.1径向钳位机构结肠直径是自25mm到60mm变化，微诊疗机器人要在这个直径范围内既要提供有效的径向钳位力，又要保证前进的快速性，因此在设计时，限定其本身在最小形态下的最大直径在20mm；同时设计的径向钳位机构需要满足能提供足够的钳位力，即钳位直径最大在60mm左右，因此采用了丝杠螺母及连杆机构以实现大尺寸的径向钳位，丝杠螺母机构能自锁且锁死后不再变形，可提供持续的钳位力，且当结肠自身直径小于最大钳位直径时，结肠对连杆-丝杠螺母机构产生的反作用力，将限制径向机构继续扩张，而保障结肠生物安全。（a）（b）图3-1径向钳位机构Figure3-1Themodeofradialmechanism第19页 上海交通大学硕士学位论文单独一个连杆机构只能实现一个方向的伸缩，作用于一点，而径向钳位中需要大的环向支撑接触面积，以提供足够大的摩擦力，即钳位力。同时考虑到微型结肠诊疗机器人的体积空间有限，因此在环向上均布了3个连杆机构：为电机预留了空间，也可以起到很好的支撑作用，如图3-1（a）所示。图3-1（b）图为径向钳位机构的爆炸模型，显示了径向机构各个零件之间装配的位置关系。电机的输出力矩经齿轮减速传递到与从动轮过盈配合的丝杠，再由丝杠旋转带动螺母做直线运动。此处使用的丝杠上加工了两段螺纹，一段是右旋，另一段是左旋的，两段长度相同，首尾相接，与丝杠配合的螺母也是一个右旋螺纹，一个左旋螺纹，丝杠和螺母的螺纹只有旋向不同，其他参数一致，如此，当丝杠转动时，两个螺母可以相向或相反移动，带动连杆机构实现径向尺寸的变化。设计的丝杠总螺纹长度15.6mm，连杆结构采用两级连杆传动（比一级多了一个平行四边形），相对于一级连杆来说，相同轴向位移可以获得更大的径向伸张尺寸，且收缩状态的外经小于等于20mm，对控制机器人的整体尺寸有利。三个连杆机构是径向平均分布的，当所有连杆机构处于收缩状态时，机体的最大外径[37]为20mm。在进行受力计算时，将实际机构进行简化，不考虑丝杠的预留尺寸（加工时，丝杠两端的螺纹精度不高，螺母在此部分启动时，摩擦力较大），计算的尺寸是以两零件的转动中心间的尺寸计算，不考虑零件外形尺寸。径向钳位机构采用的元器件参数见表3-1。表3-1径向钳位机构各零件参数Table3-1Theparametersofradialmechanism’sparts零件参数指标单位电机电压U3V额定扭矩T2mN·m额定转速ω900r/min直径6mm主动轮齿数16从动轮齿数38丝杠公称直径1.6mm螺纹部分长度（左右旋）15.6mm径向机构丝杠的螺纹为粗牙，公称直径d2=1.6mm，螺距P=0.35mm，牙形角α=60°，材料为45#钢，GB/T699-1999，螺母材料为黄铜H68，GB/T2059-2000，二者之间的静摩擦系数以最大值0.15计算，所以有：（1）自锁判断第20页 上海交通大学硕士学位论文P0.35螺纹升角：tanψ===0.06963(3-1)ππd1.62所以，ψ=3.9831°f0.15当量摩擦角：tanρ===0.1732(3-2)v0cos(/2)βcos30所以，ρ=9.8264°v得，ρ≥ψ即，丝杠螺母可以自锁。v（2）受力分析图3-2径向连杆、丝杠受力Figure3-2ForceanalysisofRadialmechanism当径向连杆机构运动时，其径向尺寸变化，会受到结肠自身弹性变形引起的作用力作用，但结肠自身生物力学复杂，计算时将受力简化，假设：3个连杆机构的变化完成一致；均布的3个连杆机构受相同的外力，且3个连杆作用在丝杆上的力也完全相同，作用于径向方向；不考虑3个连杆同时运行时，螺母相对于丝杆所产生的扭转力。如图3-2所示的受力分析，将单独的一个连杆机构看成一个整体，连杆于螺母是通过铰链连接，螺母对连杆的作用方向是沿着杆件的方向。所以连杆机构的受力作用于图示三点，作用方向如图。则有F1与F2对称，大小相同，即分力FN1和FN2方向相同，大小相等，都是F/2；分力Fa1与Fa2大小相等，方向相反，都是有左右旋的丝杠产生，设转动的丝杠其轴向作用力与Fa，则Fa=Fa1+Fa2。计算受力时，设两螺母与连杆相连的转动中心间的间隙为2χ。如图3-2所示，与螺母相连的杆1，两段长度分为是6.6mm、9.2mm，螺母自身厚度为2mm。所以，由F与Fa的力的合成与分解关系，及对应的直角三角形尺寸关系，可知：第21页 上海交通大学硕士学位论文2F(6.6-2)χ=(3-3)Faχ丝杠产生的轴向作用力Fa是由电机的输出扭矩传动产生：齿轮的传动效率一般为95%~98%，此处及下文的齿轮效率都为：η=95%1tanψ丝杠螺母的传动效率：η=(3-4)2tan(ψ+ρ)votan3.9831所以，η==0.28332ootan(3.9831+9.8264)由表1，可以看到电机的输出扭矩Tm=2(N⋅m)螺纹力矩：TTm=××=ηη0.5383(N⋅m)112又：TF=××+adtan(ψρ)/2(3-5)12v2T所以，轴向作用力1(3-6)Fa=d×+tan(ψρ)2v由式（3-3）和式（3-6）得：22(T6.6-2χ)1(3-7)F=dtan(ψ+ρχ)2vχ的范围可由丝杠右旋螺纹（或左旋螺纹）长度确定，在0-6.8mm变化，所以可以得到：图3-3径向机构推动力随两螺母间距的变化Figure3-3Withthechangeofthedistancebetweentwoscrewnuts，thepushforceofradialmechanismchanges考虑到螺母的厚度及行程余量，χ实际的变化范围应该在1mm至5.4mm，则由传动产生的径向力在15.2411N到1.6418N之间，则每个连杆机构顶端推动力在5.0804N到0.5473N，即当在相应唯一位置处所受的径向方向的外力小于计算值时，径向机构可以继续完成径向钳位过程。第22页 上海交通大学硕士学位论文（3）运行时间由表1可知，电机额定转速900r/min38齿轮减速比：i==2.37516丝杠螺距：Pm=0.35(m)900/60螺母的移动速度：ν=×0.35=2.2105()mms/a2.375单个螺母的行程为：Lm=−=5.514.5(m)4.5即所需时间为：ts==2.0357()2.2105则连杆径向尺寸变化有：⎛⎞9.222Lr=+×⎜⎟126.6-1()+νat（3-8）⎝⎠6.6所以，当时间变化时，连杆机构的径向尺寸变化如图3-4所示。图3-4连杆机构变化尺寸Figure3-4Thechangeofthelinkagemechanism由图3-4可知，连杆最大径向伸长量为24.7114mm，再加上连杆的外形尺寸——连杆顶端圆半径为1mm，及连杆与螺母相连的转动中心到丝杠中心的距离3.8mm，则机器人径向最大直径理论可达59mm。基本上满足了机器人在结肠中爬行的尺寸要求。且实际中最终的装配误差较小，机器人的径向最大直径为58.7mm。3.1.2轴向伸缩机构在前人的研究中，对径向的钳位机构的设计有的并不是采用主动钳位，但对轴向伸缩都采用了主动伸缩，即使用了驱动器及执行器。人体结肠道是具有弹性的、可蠕动的，当微诊疗机器人的轴向伸长量不能有效抵抗结肠的弹性变形的话，而收缩时，发生弹性变形的结肠也会随着收缩，会导致微诊疗机器人在结肠内停滞不前。这个过程跟径向钳位结构的钳位直径、轴第23页 上海交通大学硕士学位论文向伸缩机构的总伸长量及速度、整体长度有关。径向钳位直径大的话，能将结肠撑开，结肠粘附在该机器人上的面积减少，二者之间的相互作用力减少，结肠的变形量减小；上一章节已经描述过，结肠有蠕变及滞后现象，所以在轴向伸缩时，当速度足够快，伸长量足够大时，在结肠还未能达到最大伸长量时，机器人已经完成了一次轴向位移（前进或后退），此时其有效轴向伸缩量最优；目前微诊疗机器人只有两个径向钳位机构，每次在轴向变形时，只有一个径向钳位机构作用，若机器人长度越长，则结肠粘附在其外壁上的面积则越大，轴向伸缩阻力越大，有效步距降低，甚至无法前进，但微诊疗机器人也不能太短，否则径向机构的作用面不能垂直于结肠的轴向方向，发生倾斜，有效的钳位力降低。总体来说，轴向伸缩机构在收缩状态下长度要短，伸长量要大，伸缩速度要快。所以，轴向伸缩机构同样采用了丝杠螺母机构，不同的是使用了两套丝杠螺母机构，实现双向位移，使行程增加一倍，如图3-5所示。图3-5轴向伸缩机构Figure3-5Themodeofaxialmechanism和径向机构的运动原理相似，由电机带动主动齿轮转动，主动齿轮与从动轮1啮合，从动轮1再与从动轮2啮合，两从动轮的参数一致，则从动轮1与从动轮2的转速相同、转向相反，从而有与之配合的两个丝杠转向相反（轴向机构的两根丝杠都是右旋螺纹），两螺母移动方向相反，即轴向机构实现了两端同时伸或者缩，伸缩尺寸是螺母位移尺寸的两倍。表3-2轴向伸缩机构部分零件参数Table3-2Theparametersofaxailmechanism’sparts零件参数指标单位主动轮齿数32从动轮1齿数22从动轮2齿数22丝杠公称直径2mm螺纹部分长度（右旋）21.5mm第24页 上海交通大学硕士学位论文轴向伸缩机构采用的元器件参数见表3-2。电机与径向机构使用的是同一款，输出的丝杠螺纹为粗牙，公称直径d′=2mm，螺距P′=0.4mm，牙形角α'=60°，2丝杠的材料也是45#钢，GB/T699-1999，螺母材料为黄铜H68，GB/T2059-2000，即二者静摩擦系数最大为0.15，有：（1）自锁判断由式（3-1）和式（3-2）可得：螺纹升角：tanψ′=0.06366所以，ψ′=3.6426°ρ′=9.8264当量摩擦角：ν°ρ′′≥ψ得，ν即，丝杠螺母可以自锁。（2）力学分析与径向机构相似：齿轮的传动效率按两级传动齿轮计算，η'=95%95%⋅=90.25%1丝杠螺母的传动效率由式（3-4）得：otan3.6426所以，η′==0.26582ootan(3.6426+9.8264)得，Tm′=⋅0.4798()Nm1由式（3-5）、式（3-6）得到：FaN=2.0033()8（3）运行时间齿轮减速比：i′==220.6875，32丝杠螺距：Pm′=0.4(m)900/60螺母的移动速度：ν′=×0.4=8.7273()mms/0.6875丝杠螺纹部分长度21.5mm，螺母厚度1.5mm，所以螺母的行程Lm′==21.5-1.520(m)L′可得，螺母所需的时间：ts'==2.2917()ν′设计中，机器人产生的最大径向钳位力与最大轴向推动力，相对于人体结肠或猪结肠来说，还是合适的，是肠道能够承受的。此外，轴向伸缩机构与两端的径向钳位机构通过万向节相连，有一定的转弯半径，以便微诊疗机器人适应结肠形状，被动转弯。第25页 上海交通大学硕士学位论文3.2活检机构一般认为，结直肠癌的癌前病变包括腺瘤性息肉、溃疡性结肠炎和克隆病等，而腺瘤与结直肠癌变的关系尤为密切。流行病学、动物实验以及临床和病理研究证实绝大多数结直肠癌是由腺瘤癌变而来，特别是大的、绒毛状的和有重度不典[2]型增生的腺瘤癌变的可能性更大，如图3-6所示。根据Morson的研究，大肠腺瘤如未摘除，则5年内有4%的患者可发生结直肠癌，而在10年内则有14%的可癌变。Stryker等也证明，未经治疗的大肠腺瘤患者20年内其结直肠癌的发生率可高达24%。因此，早期发现并及时治疗大肠腺瘤是防止和减少结直肠癌发生的理想途径。[18]图3-6以结、直肠癌为例的肿瘤发生的多步骤遗传损伤学说Fig3-6Tumors’produceofmultiplestepsgeneticdamagetheorytakingthecolorectalcancerforexample在判断细胞是否癌变时，临床医生除了要完成各项相关检查（如体格检查、照X线、CT检查或超声波检查）与血化验的同时，还需要通过用手术、钳取或穿刺吸取等方法从患者身上取得小块病变组织（或细胞成分）即活体组织检查（简图3-7腹腔镜手术中用到的工具Fig3-7Thetoolsusinginthelaparoscopicoperation第26页 上海交通大学硕士学位论文称活检），并经由病理医生进行病理诊断。因此，该机器人添加了一活检机构，当发现有可疑的病变处，便可以采集部分细胞组织，带出体外。目前在腹腔镜手术中所使用的工具如图3-7所示，工具的驱动器都在人体外部，伸入体内机构的材料只要是满足生物安全性要求的材料即可，不会对人体造成伤害。且这些工具由医生来操控，设计相对比较容易。而在本次设计中，微诊疗机器人整个是需要进入结肠道的，在设计活检机构的时候，也需要考虑到后续的密封问题。设计使用的驱动器是直流电机，在活体实验时，需要在电机输出轴端做好密封工作，防止活检机构无法正常工作。考虑到活检机构的的运行速度不用太快，而且夹取需要一定的力道，综合考虑电机直径和机器人长度，同样选用的是直径6mm，长度16mm的直流行星齿轮减速电机。同时活检机构即要完成伸出体外的动作，也需要完成夹取的动作，而驱动器只有一个直流电机。综合考虑以上限制，执行机构同样采取的齿轮减速、丝杠螺母传动的方式，并在活检手臂上设计了一导向槽，导向槽的形状如图3-8（a）所示。（a）（b）（c）图3-8活检钳的设计Fig3-8Thedesignofthebiopsyforceps图3-8（b）中，导向槽的设计包含了伸缩段和开合段两部分，保证了微诊疗机器人在只有一个驱动器的情况下，活检机构能实现先伸出微诊疗机器人外，再张开，同时配合轴向机构向前推进，再闭合手臂，采集细胞组织，之后收缩回微诊疗机器人体内，完成活检操作。轴向伸缩机构采用的元器件参数见表3-3。电机与径向机构使用的是同一款，输出的丝杠螺纹为粗牙，公称直径d''=1.6mm，螺距P''=0.35mm，牙形角α''=60°，2材料为45#钢，GB/T699-1999，螺母材料为铝材，即二者静摩擦系数最大为0.17，有：第27页 上海交通大学硕士学位论文表3-3活检机构部分零件参数Table3-3Theparametersofbiopsyforcepsmechanism’sparts零件参数指标单位一级主、从动轮齿数比20：36二级主、从动轮齿数比22：40三级主、从动轮齿数比18：13丝杠公称直径1.6mm螺纹部分长度（右旋）14mm（1）自锁判断由式（3-1）和式（3-2）可得：螺纹升角：tanψ''=0.06366所以，ψ''=3.6426°当量摩擦角：ρ''10.9071=°v得，ρ''≥ψ''即，丝杠螺母可以自锁。v（2）力学分析与径向机构相似：齿轮传动为三级，所以效率为：η''=95%95%95%⋅⋅=85.74%1丝杠螺母的传动效率由式（3-4）得：otan3.6426所以，η''==0.24532ootan(3.6426+10.9071)得，Tm''=⋅0.4206()Nm1由式（3-5）、式（3-6）得到：FaN''=2.0257()图3-9活检钳的设计Fig3-9Thedesignofthebiopsyforceps第28页 上海交通大学硕士学位论文此即为活检机构沿丝杠轴向能提供的力，当活检机构开合时，钳口的咬合力是该力的分解，跟活检钳开合角度有关，从3-8（a）图中，可以看到活检钳单边最大张开角度为50°，设单边张合角度为θ，由力的合成和分解关系可以得到：FFτ=⋅=a''sinθθ2.0257sin（3-9）如图3-9所示，为活检钳咬合力与活检钳张开角度的关系，可以看出，当θ=50°时，咬合力最大，可达1.55N。（3）运行时间364013齿轮减速比：i''=⋅⋅=2.3636202218丝杠螺距：Pm''=0.35(m)900/60螺母的移动速度：ν''=×0.35=2.2212()mms/2.3636丝杠螺纹部分长度14mm，螺母厚度2mm，所以螺母的行程12mmL''可得，螺母所需的时间：ts''==5.3025()ν''即，活检单向行程所需时间为5.3025s。3.3热疗机构3.3.1热疗技术的发展当前恶性肿瘤已成为人类所面临的各种重大疾病中致死的主要疾病之一。长期以来，如何有效地消除人体肿瘤一直是临床医学界竞相追求的重大目标。迄今，除传统的手术切除、放射治疗外，生物医学工程界正逐步发展出各类治疗肿瘤的[37,38]新方法，微创治疗是肿瘤临床医学中的一项重要举措。高温热疗其他治疗方式相比，由于其热疗的核心在于提升人体目标组织的温度，其对人体的副作用及伤害性均远低于常规手术切除、放疗和化疗等措施，该方法因此在肿瘤医学中赢得了“绿色疗法”的美誉。正是由于以上这些优点，热疗法已拓展应用到几乎所有肿瘤临床科目，如口腔、皮肤、直肠、肝脏、胃、肺、乳腺、前列腺及大脑等部位肿瘤的治疗。[37]癌细胞对热的耐受力是只有41摄氏度。癌细胞没有自己固定的供血血管，受热后，难以及时散热，致使内部温度持续提高，最终导致破坏。热疗治癌法的原理是：首先，处在这一温度下的癌细胞，摄取葡萄糖的速度大大放慢，生长速度也就相应放慢；其次，癌细胞的分裂必须在弱碱性的环境中进行，加热会增加第29页 上海交通大学硕士学位论文细胞的酸性，直接阻碍其遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)的分裂；第三，高热还会使癌细胞合成DNA所需要的一种--B23大大减少，抑制或阻断DNA的合成，使癌细胞死亡。图3-10非同步CHO细胞（中国仓鼠卵巢细胞）[37]受不同温度在不同持续时间加热下的存活曲线.Fig3-10ThesurvivalcurveoftheasynchronousCHOcells(Chinesehamsterovary)heatingunderdifferenttemperaturewithdifferentpersistentperiod.热疗的温度控制在41~43摄氏度之间，因为这次系统使用的是无线能量，热疗机构拟采用线圈结构，利用电磁感应，加热线圈。使用热敏电阻实时采集温度，对线圈的温度进行控制。通常，超出人体正常生理温度范围（33~37℃）的加热作用可能对组织及细胞造成伤害，且超出的数值越大，所导致的损害越严重，但目标细胞经受加热作用时，最终是否被成功杀灭既取决于加热温度，也依赖于作用时间，如图3-10所示。所以说，肿瘤高温治疗中存在热疗剂量的问题。而且，在实际治疗过程中，并不能一味地升高肿瘤部位的温度，因为在杀灭肿瘤的同时还要尽可能地确保不会对邻近的健康组织或器官造成损伤，否则就可能得不偿失。但遗憾的是，目前为止，大多加热治疗方案仅仅依据临床医生的经验来确定，理论指导比较缺乏。由于人体组织不同于一般工程材料，其传热除了受组织的高度非均匀性、代谢产热及血液灌注等影响外，大血管的作用也不容忽视，因而其传热机制远非普通传热定律所能描述，这就决定了热疗过程中的热物理问题实际上是一个极复杂并极具挑战性的研究课题。当前影响肿瘤热疗效果的各种因素中，最为关键的是加热技术。理想的加热要求做到100%的肿瘤组织被加热到其杀伤阈值温度以上，并维持一定时间，以彻底摧毁病灶组织，但同时还要避免肿瘤周围的正常组织或器官过热而受损伤。[37]为了获得一个理想的肿瘤热疗效果，加热时必须满足一下条件：在限定时间内将肿瘤组织加热到43℃以上，并维持一定时间；在肿瘤组织内不能存在41℃第30页 上海交通大学硕士学位论文以下的冷点；肿瘤周围组织温度必须保持在45℃以下。肿瘤热疗法受加热控制方面的困难导致其离被临床普遍接受还存在一定差距。一方面，人们对高温损伤的物理化学机制尚缺乏完整的认识，因而难以准确预示加热范围及待杀伤组织区域；另一方面，面对形状不规则的瞬态加热区域进行实时监测存在极大困难，而这在选择性肿瘤杀伤上又是一个核心问题。图3-11现有热疗技术的温度范围Fig3-11Thetemperaturerangeofexistinghyperthermiatechnology如图3-11所示，就目前有的热疗技术，有使用经皮穿刺的，如微波热疗、激光诱导；有通过感应出涡流生热的，如射频热疗；有循环热介质加热及全身加热的。而热疗中温度监控的方法可分为局部体温检测（使用了热电偶、热敏电阻、光纤等温度传感器）、影像监测（CT、MR、超声）和数学模型预测法。这些温度监控技术都有一定的测量精度，问题在于监测设备与热疗设备同时工作时是否会相互有影响（例如MR扫面件内不能引入外来有磁物质或导磁物质）、或者监测对人体是否有创伤（热电偶需要植入热疗区域）。3.3.2热疗机构设计及实现图3-12热疗线圈温度对比实验Fig3-12Thecomparisionexperimentofthehyperthermiacoils’temperature本文研究的微诊疗机器人是以能够进入结肠道进行观测的，能够直接接触到第31页 上海交通大学硕士学位论文结肠壁，可以直接从内部对肿瘤进行热疗。限于机器人的体积有限，不能选用结构复杂的热源，最简单的发热方式是电流的热效应，即焦耳定律，类似白炽灯的发热原理，选用电阻率大、熔点较高的发热体，即电阻丝，将其绕在支撑设备上即可。如图3-12所示，使用了漆包铜线做为发热部件，铜线直径0.25mm，为了了解线圈温度与线圈的电阻和并联股数的关系，设计了两组对比实验，一组是绕制后的电阻相同，分别是4股长1米、8股长2米、12股长3米和16股长4米——A组；另一组铜线股数相同，都是12股，长度分别是1米、2米、3米和4米——B组。图3-13热敏电阻标定使用的胶囊Fig3-13Thecapsuleusingforthethermistor’scalibration在对各组线圈进行热效能实验前，先对温度测量工具——热敏电阻进行标定，选用的热敏电阻为NTC的热电阻温度传感器，实验装置如图3-13所示。将胶囊置于以可调恒温密闭灌中，测试热敏电阻在不同恒定温度下的电阻值，环境温度由FLUKE公司的1502A(ThermometerReadout)测定，胶囊将测的电阻值模数转换图3-14热敏电阻的标定Fig3-14Thestandardizationofthethermistor后通过射频通讯系统，发送到PC机上。标定得到的热敏电阻阻值与温度的关系第32页 上海交通大学硕士学位论文如图3-14所示，热敏电阻的温度与阻值关系近似线性，特别是在41.5℃~45℃，这段温度在我们确定的微型结肠诊疗机器人的热疗温度42℃~44℃范围内，其中热敏电阻在20KΩ时温度约为50℃，24KΩ时温度约为45℃，34KΩ时温度约为35℃。有了热敏电阻的标定曲线就可以对两组线圈进行试验了。设计的A组对比线圈，其阻值相似，近似为2.5Ω，设定该组对比实验的条件是相同的功耗，为400mW，该线圈的电压在1.1V左右，电流360mA左右，环境温度为20℃，密闭空间。使用PC机和安捷伦的6位半数字万用表配合对实验进行记录，到热敏电阻的阻值降至20KΩ，即热敏电阻测得的温度在50℃时，停止供电，让线圈自然冷却。最终得到的结果如图3-15所示。从图3-15中可以看出，电阻相同、输入功耗相同时，线圈都能达到的最高温度50℃，但所需要的时间不同。16股4米的线圈的实验结果明显有问题，造成的原因可能是在做实验时，内部空间与外部空间发生了空气对流，导致线圈的散热加快，温升减缓。除去16股4米的线圈后，可以看出随着股数和长度的增长，温升速度有一定的上升。图3-15同阻值热疗线圈对比实验Fig3-15Thecontrastexperimentofthethethermistorcoilswiththesameresistance第33页 上海交通大学硕士学位论文图3-16相同电流值热疗线圈对比实验Fig3-16Thecontrastexperimentofthethethermistorcoilswiththesamecurrent图3-17相同电压值热疗线圈对比实验Fig3-17Thecontrastexperimentofthethethermistorcoliswiththesamevoltage对于B组线圈，分别做了在相同输入电流、相同输入电压下的两组对比实验。第34页 上海交通大学硕士学位论文其实验结果分别如图3-15和图3-16所示。从图3-16中可以看出，相同输入电流、相同股数下，其长度不同，线圈的最高温度不同，温升速度也不同。1米长时，绕制的线圈的温度需要10分钟时间升到最高温度为35℃；2米长时，需要9分钟时间升到最高温度为45℃；3米长和4米长时，都需要6分40秒升到最高温度为50℃。从图3-17中可以看出，相同输入电压、相同股数下，其长度不同，线圈的最高温度不同，温升速度也不同。1米长时，绕制的线圈的温度需要2分20秒时间升到最高温度为50℃；2米长时，需要3分钟时间升到最高温度为50℃；3米长时，需要6分40秒升到最高温度为50℃；4米长时，需要13分10秒升到最高温度为45℃。造成这种现象的原因，可能是：受铜线长度影响，绕制成的线圈的电阻、散热面积和散热率不同。以上三组实验中都有一个相同的线圈：12股3米，电压1.1V，电流360mA，功耗为396mA，约为400mA。其最高可以达到的温度为50℃，高于本文机器人热疗的温度，从而有利于对其的温度控制，当测得的线圈温度高于热疗温度上限时即断开线圈的供电；当低于下限温度时，开启线圈的热疗供电，保证了热疗对人体的安全性。除了热疗以外，在治疗癌症时，还有其他方法，例如，与所有人体细胞一样，[14]形成早期肿瘤的细胞也需要来源充足的养分和氧气。同时，他们还必须不断地清除二氧化碳和代谢废物。他们必须找到一条获取养料、排泄废物的更好的路子。就是导致肿瘤会发展自己的血液循环系统。因此，从切断肿瘤的血液循环系统也可以达到治疗肿瘤的效果。3.4视觉机构[39,40]微诊疗机器人要实现诊断功能，需要添加视频采集系统。在微诊疗机器人本体上添加的一些附加功能，其中最重要的一项功能是微诊疗机器人的视觉导航及监控。视频采集是由微型摄像机及其辅助电路组成，所采集的图像由射频收发电路，无线发射出体外，让医护人员观察结肠道内有无病变，以便在体外操作体内的微诊疗机器人，发出驻停指令及后续的活检指令。微诊疗机器人的样机一上共集成了两个视觉系统（样机二上只有一个视觉系统，下文将以论述样机二的微诊疗机器人为主），一个位于微诊疗机器人的头部，负责观察微诊疗机器人“前进方向上的路况”——是否前进方向在结肠近似圆形第35页 上海交通大学硕士学位论文界面的中心位置（在此位置上，机器人机体与结肠壁粘黏的部分比较少，摩擦阻力小）是否发现病灶或疑似病灶；另一个位于微诊疗机器人的“颈部”，可以实现360°可视范围，其靠近头部的一侧是热疗机构，即该视觉系统能够在微诊疗机器人实施热疗的同时，实时观察整个热疗过程，以便外部医护人员在需要的时候进行控制。图3-18双摄像头结构Fig3-18Thestructureofthedualcamera前置摄像头不需要旋转，直接放置在微诊疗机器人头部，即可。旋转摄像头需实现360°的可视范围，需要添加旋转台，选用步进电机作为驱动器，通过控制步进电机的，从而控制旋转台的转角，旋转台并不是朝一个方向一直转动，只能从初始位置顺时针转180°，再逆时针转到-180°，实现360°旋转。摄像头使用的图像传感器型号为OV6920，是美国OmniVision技术公司日前推出的号称是世界上最小的（直径3.2mm）的CameraChip产品，性价比合适的新型OV6920传感器（属于CMOS型）是目前业界唯一的1/18英寸传感器，而同类传感器宽度为1/12～1/7英寸，感光芯片灵敏度达到111.5兆像素，摄像头的可视角为68°。能提供NTSC制式彩色视频信号，可以直接与VCR、TV、监控或者其他输入阻抗大于75欧姆的设备相接。整个芯片外形尺寸为2.1×2.3毫米，它可安装在3.2毫米口径照相机的机身上。能实现自动曝光/增益/白平衡，带孔径校正，+3.3V直流电压供电，功耗小。总的来说，OV6920传感器是体积小、引脚少、功耗低、价格低的彩色图像传感器。本文使用的视觉导航模块单独一个的尺寸为：直径10.2mm、长度9mm，体积小，便于安装在机器人体内。3.5本章小结本章介绍了微诊疗机器人的机械机构的设计过程，分析了径向钳位机构、轴向伸缩机构及活检机构的效率、受力及运行速度及行程。对于微诊疗机器人的诊第36页 上海交通大学硕士学位论文疗机制做了分析，明确了个诊疗机构的用途，设计了各诊疗机构的机械基础，并对热疗机构做了详细的对比分析。第37页 上海交通大学硕士学位论文第四章微诊疗机器人的控制系统上一章节已经描述了微诊疗机器人的机械组成部分，本章节将介绍微诊疗机器人的控制系统，由三部分组成：人机界面系统、通讯系统和体内控制系统，如图4-1所示。图4-1机器人控制系统组成Fig4-1Thecompositionoftherobotcontrolsystem人机界面系统，即上位机，使用VS2010开发设计的图形化界面，集成了视觉显示、参数控制及显示的功能，通过连接PC机的RS232串口与微诊疗机器人通信，完成控制命令的发送以及体内参数、信息数据的接收，实时显示无线接收的体内肠道视频图像，为体外医护人员提供体内肠道的信息。通讯系统包括视频图像接收和无线收发控制两部分。视频图像的接收是由上位机发送指令控制视频采集电路的启停来实现的，体内视频采集一旦开启，便可实时的向体外发送采集的数据，上位机通过射频接收盒将信号转变成视频信号显示。无线收发控制部分实现了体内微机器人和体外系统之间的双工通信，完成外部指令控制机器人并接受微诊疗机器人反馈的当前状态信息，通讯在每个控制步距之内分别完成一次数据的收发，保证了通信的实时性。体内控制系统，在接受到外部控制指令后，执行指令并反馈当前状态，根据指令完成微诊疗机器人的运动步态控制、视频控制（摄像头启停及转动）及热疗或活检机构的控制。第38页 上海交通大学硕士学位论文根据微诊疗机器人的控制系统功能的要求，在保证系统稳定可靠运行的前提下，设计并实现了微诊疗机器人的硬件电路，并通过软件编程分别实现了微诊疗机器人的功能要求。4.1微诊疗机器人内部电路设计在设计微诊疗机器人的机械结构时，考虑到微诊疗机器人控制电路大致的大小，以便为控制电路预留了放置电路板的空间。微诊疗机器人的腔内直径16mm、体长15.6cm。在微诊疗机器人轴向机构的侧面留有9mm*2.5mm*27mm的空间。由于微诊疗机器人需要完成的功能比较多，设计了两块电路，一块就位于此侧面空间，为长方形电路板，另一块为圆形电路板，位于微诊疗机器人头侧径向钳位机构的端部。为了减少体内线路，两块电路板完成任务安排如下：轴向机构侧面电路板为A板，完成控制微诊疗机器人的运动和双向无线通讯的功能；径向机构的圆形电路板为B板，完成控制热疗线圈的温度或活检机构的伸缩、转台的转动角度、摄像头的启停；同时A板和B板之间需要互相通讯、协调动作。+3.3VC60.1μFGNDIN1AIN1BICSPDATU62019181716VDDVSS+3.3VR6RA4/AN3/OSC2200KRA5/T1CKI/OSC1MCLR1RA0/AN0/ICSPDAT15ICSPCLKRA3/MCLR/VPPRA1/AN1/ICSPCLKFFIT214IN2ARC5/CCP1/P1ARA2/AN2/TOCK1/INTADI313IN2BRC4/C2OUT/P1BRC0/AN4/C2IN+FSK412IN3ARC3/AN7RC1/AN5/C12IN-nSEL511IN3BRC6/AN8/SSRC2/AN6/P1DRC7/AN9/SDORB7/TX/CKRB6/SCK/SCLRB5/AN11/RX/DTRB4/AN10/SDI678910RFSDITXSCKRXRFSDOU4图4-2PIC16F690的控制电路Fig4-2ThecontrolschematicofPIC16F690第39页 上海交通大学硕士学位论文选用美国Microchip公司的PIC16F690单片机，做为主控芯片，其封装如图4-2所示。与其他系列单片机相比，它的最大优点表现在引脚少、占用体积小（QFN20封装），并且功能强、可直接带LED负载，带同步串行口和SPI模式（主控和从动），增强了通讯的灵活性。具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护，外围配置简单、明晰、提高了整机的可靠性，并且具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，在本系统的无线供能电磁场中可以更好抵抗外部电磁干扰。4.1.1步态控制电路前文已介绍微诊疗机器人是仿尺蠖运动步态的，并设计了前后两个径向钳位机构及中间的双向轴向伸缩机构，三者依次使用万向节连接形成微诊疗机器人本体，如图4-3所示。图4-3微型结肠机器人的运动机构Fig4-3Thelocomotionmechanismofthemicrocolonrobot径向、轴向都使用了微型直流电机做为驱动器，电机的额定工作电压为3V，考虑到电路体积得限制，选择了Aimtron公司的AT555-系列芯片，可低电压驱动、小功率、体积小、所需外围器件少的芯片。GNDGND+3.3V_motorR9C10.1C20.1uFLOAD0.1uFU1U2110M1A110M3AVccOUT1AVccOUT1AIN1A29M1BIN3A29M3BIN1AOUT1BIN1AOUT1BIN1B38M2AIN3B38IN1BOUT2AIN1BOUT2AIN2A47M2B47IN2AOUT2BIN2AOUT2BIN2B5656IN2BGNDIN2BGNDAT5550AT5550GNDGNDGND图4-4AT5550的电机驱动电路Fig4-4ThedrivecircuitdiagramofAT5550该系列芯片通常用于数码相机的对焦、镜头伸缩等，具有低功率、小封装、第40页 上海交通大学硕士学位论文功能强的特点。AT5550芯片是双通道低饱和、低电压、H桥电机驱动芯片，DFN-10的小封装，操作电压高于2V即可。AT5556芯片是6通道H桥的电机驱动芯片，包括4个恒压源的驱动和2个恒流源驱动，外围芯片只需要几个电容和电阻，工作电压2.5～5.5V，驱动电流为-400mA～400mA，QFN48封装。可用于驱动步进电机、直流电机完成恒压或恒流控制。其驱动电路如图4-4所示。微诊疗机器人的位移控制，是通过检测堵转电流来完成的。为了使微诊疗机器人在肠道内伸或缩运动时，在受到一定的阻力后能够停止伸或缩运动，保证完成运动步态的同时保护肠壁，通过检测直流电机的堵转电流来控制电机的启停，完成径向、轴向伸缩机构的位移控制。U316ADIGNDGNDOUT25LOADGNDRS-+3.3V_motor34+3.3V_motorVccRS+C350.1uFMAX4173GND图4-5MAX4173电流检测电路Fig4-5TheMAX4173’scircuitforcurrentmeasurement控制电路设计时使用的电流检测芯片，选择了低成本、SOT23封装的MAX4173FEUT-T芯片，具有50倍的放大增益，能够输出一定电压完成电流检测放大器的功能。MAX4173检测当前的电流大小，判断当前电机的运动状态，电路设计如图4-5所示。4.1.2视觉控制微诊疗机器人的视觉系统是单独的一个模块，外部控制电路只负责视觉导航及监控系统的启动、转动及停止。只是控制器电源的开启和旋转台的旋转，其他功能有视觉模块自主完成。驱动旋转台使用的是步进电机。选用的步进电机16个步序可以转动360度，使用AT5556衡压驱动，PIC的四个IO口控制步进电机的四个输入端。控制命令发送转动角度（步序0～15，每增加1转动22.5度）和转动方向（正转为0，反转为1），根据正转和反转的不同要求步进电机各个引脚的正负次序依次赋值，且每转22.5度间隔10ms。在每个控制周期保存转台的旋转角度到EEPRORM中，并在上电重启或复位时从EPRORM读出当前转台的角度数据。第41页 上海交通大学硕士学位论文摄像头的启停使用了AT5556的两个衡压输出端口。通过PIC的输出IO口控制AT5556按要求驱动控制摄像头的启停，可完成前后摄像头不同的启停要求。视觉导航及监控系统与体外人机界面是实时通讯的，其有自己的射频发射系统，和微诊疗机器人本身的射频通讯系统类似。两套视觉系统可以通过对视频接收盒调频来分别显示，也可以使用两个视频接收盒同时显示。4.1.3热疗或活检控制热疗的温度检测使用的是NTC的热电阻温度传感器，检测信号需要通过放大电器放大，选用了linear的LTC2053高精密仪表放大器，电源供电2.7V到5.5V，最大失调电压10uV，实现轨到轨的输入输出，增益值由两个外部电阻器配置，LTC2053的封装：330mm××mm.8mmDFN封装。图4-6热疗温度检测电路Fig4-6Thecircuitfortherapeuticaltemperaturemeasurement热疗温度检测电路如图4-6所示，NTC热敏电阻即RT4，与RT1、RT2、RT3RTR11+T12形成检测桥路，电路增益公式为Gain=+1，放大器的输出为RT13Vout=−Gain(VV)V+。检测范围为30℃～50℃，首先设计实验模拟人体环in+−inref境，对热电偶的电阻特性进行了标定，在测量范围内为了获得合适的增益，配置RT1~RT3的值为20kΩ、RT11和RT13的值分别为75kΩ和15kΩ，温度测量范围的值对应电压输出值为3.3V～0V。4.2双向通讯设计通讯部分选用了SiliconLaboratories公司的EZRadio系列的Si4420芯片（其前身为Integration公司的IA4420芯片）。中国目前可以使用的ISM频率是：433MHz第42页 上海交通大学硕士学位论文和2.4GH，而2.4GHz的频段干扰太大，选择在433MHz工作的芯片有：Integration公司的Si系列、Nordic公司的nRF系列和TI公司的CC系列，相比其他两种，Si4420有更少的外围器件，这对有限的机器人体内空间极为重要。Si4420是一颗全集成的单晶片低功耗、多频道的FSK收发器，是一个很有弹性、低成本、高集成度的、在生产中无需统调的产品，仅需要一个晶振和几颗退藕电容。在无须申请注册的433M、868M、915M频段的设计应用完全符合FCC和ETSI的相关规定。Si4421内部集成包括高频功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、I/Q转换混频器、基带滤波器、放大器、I/Q解调器，所需的RF功能都集成在一起。现在基于Si4420芯片的应用大多是单向通讯，应用双向通讯一般是基于应用层的双向握手来开启一端收一端发的通讯模式，为了适应控制要求，需要实时发送控制指令并接收机器人测量参数。这里设计了一种双向半双工的通讯方式，结合PIC16f690芯片实现了与Si4420的同步数据传输和无线通讯控制，分别设计了TX缓冲寄存器发送和轮询的FIFO数据接收模式，通过设计合理的通讯时序实现胶囊机器人的射频双向实时通讯，如图4-7所示。+3.3VC7C8C10C90.1uF100pF10pF1uFGNDU7RFSDI116SDInINT/VDISCK215SCKARSSIC12nSEL314nSELVDDRFSDO413RF14.7pFSDORF1L2GND512RF227nHnIRQRF2C13FSK611ANTFSK/DATA/nFFSVSSANTFFIT7104.7pFDCLK/CFIL/FFITnRESL389XTAL390nHCLKXTAL1IA4420Y110MHz+3.3V3图4-7基于Si4420芯片的无线通讯电路Fig4-7ThewirelesscommunicatecircuitbasiconSi4420结合项目要求选择主控芯片为PIC16f690，由于PIC芯片自带SPI模式允许同步串行发送和接收8位数据，在PIC主动模式下只需要3根引线就可实现PIC与Si4420的同步数据传输。将PIC的SDO、SDI、SCK引脚分别与Si4420的SDI、SDO、SCK相连。为了方便在有限的空间内布线，尽量减少连接引线，这里设计第43页 上海交通大学硕士学位论文PIC单片机与Si4420芯片的连线如图4-8所示，Si4420的SDO引脚用于从Si4420串行输出数据到PIC；SDI用于从PIC串行输出数据到SI4420；FFIT在FIFO接收的通信方式下用于指示Si4420是否接收的标识；nFFS控制FIFO的输入数据是否允许；nSEL是输入数据使能，只有nSEL为低电平才可在SCK的上升沿时将SDI的数据移入。图4-8PIC单片机与SI4420电路连线图Fig4-8TheconnectcircuitbetweenPICchipandSI44204.3辅助电路4.3.1供能系统使用了两套供能系统，一套是拖缆式由外部电源供能，一套是无线供能，微诊疗机器人内部配置接受线圈，通过电磁感应，和外部发射磁场耦合供电。U5XC6412P3.3VGND1VSS3+3.3VVOUTVIN2VINC52C51XC6214P332PR1uF1uFGNDGND图4-9基于XC6214P332芯片的稳压电路Fig4-9ThecircuitforthevoltagestabilizationbasicontheXC6214p332微诊疗机器人所使用的芯片都有一定的工作电压范围，而无线供能方式经过整流出来的电压有波动，电压的峰值可能会对芯片造成不可逆的损伤，因此，在无线供能和拖揽供能的公共端添加了一稳压电路，其电路原理图如图4-9所示。为了稳定电路芯片的供电电压，考虑到封装大小和稳压精度，这里选择稳压芯片XC6214系列。芯片为SOT23-5封装，占用较小体积和很少的外围电路可以满足控制电路的电压供给，使用CMOS技术，具有低压差，高精度输出电压，低第44页 上海交通大学硕士学位论文消耗电流正电压型电压等特点。内置有低通态电阻晶体管，压差低，能够获得最大500mA的输出电流。为了使负载电流不超过输出晶体管的电流容量，内置了过载电流保护电路、短路保护电路。而外围元件只需两只1.0uF小容量电容，节省安装尺寸。4.3.2上位机上位机的主要功能是实现人机交互界面，便于实验者控制微诊疗机器人的指令和查看机器人运行状态。上位机上集成了微型机器人的控制指令按钮及选项、微诊疗机器人的当前状态显示（前进、后退、停止等），并且可以显示微诊疗机器人摄像头采集到的视频。C3+5VU1121ufC1+V+C1C41uf36C1-V-41ufC2+C2GND1uf5C2-J1TX11141T1INT1OUT6107211T2INT2OUT7RC1213310R1OUTR1IN8984R2OUTR2IN+5V916155VCCGNDC51ufDConnector9max232GNDGND图4-10MAX232电平转换电路Fig4-10ThematchcircuitforMAX232上位机的指令需要通过无线通讯收发盒发送给微诊疗机器人。基于无线通讯的体外信息收发盒使用了PIC16F690单片机控制Si4420芯片完成无线双工通讯电路，PIC16F690芯片自带SPI通讯接口可以提供与SI4421通讯的同步全双工串行总线，只需要使用五根线与SI4421的SDI、SDO、SCK、FFIT、nFFS引脚相连即可，采用螺旋天线，根据信号波长计算天线长度。与上位机的串口通讯需要串口接口并选择使用MAX232芯片来做电平转换，再加入稳压电路就可以完成整个信息收发盒的功能。上位机与微诊疗机器人通讯，需要经过射频收发电路完成，而射频收发电路与上位机是通过串口RS232连接，两者的电平不同，RS232电平为+12V为逻辑负，-12V为逻辑正，而TTL电平为5V为逻辑正，0V为逻辑负，二者电平不匹第45页 上海交通大学硕士学位论文配，需要经过电平转换电路，匹配二者的电平，其原理图如图4-10所示。4.4软件设计图4-11微型结肠诊疗机器人软件流程图Fig4-11Thesoftflowchartofthemicrocolonrobotfordiagnosisandtreatment微诊疗机器人的编程使用了Maplab软件，用C语言完成软件设计。设计软件流程如图4-11所示，人机界面通讯软件通过RS232串口将控制命令字符串发送到无线通讯体外收发盒，收发盒等待至接收到数据，验证通过后将控制字符串无线发送。体内微诊疗机器人控制板A板接收到无线发送来的数据，检验之后就可用于微诊疗机器人控制，如果长期接收不到数据，将发送错误码并重新等待接收控制命令。A板接收到的控制命令字符串后，首先通过PIC芯片自带串口将控制命令发送到B板，然后控制直流电机转动使机器人运动一个步距，或者手动执行某一动作，同时通过检测电机电流值判断当前的运动状态以控制运动的步序。B第46页 上海交通大学硕士学位论文板等待接收到控制字符串后，经校验后用来控制两个视频摄像头的启动及摄像头的旋转角度，如果检验错误将发送错误码回A板。如果要求启动热疗功能，PIC执行PID控制调整热疗温度到控制字给定值，在一个运动循环周期内要将当前检测的温度、转台转动角度由串口通讯发送回A板。A板把当前的三个电机的堵转电流值、热疗温度、转台角度等参数由无线通讯发送到通讯收发盒，收发盒再通过串口发送回人机界面接口并显示。为了保证通讯的流畅，使之不会出现死循环和无限等待，必须合理设计通讯的时序。如图4-12所示发送到无线通讯体外收发盒，收发盒等待至接收到数据，验证通过后将控制字符串无线发送。体内微诊疗机器人控制板A板接收到无线发送来的数据，检验之后就可用于机器人控制，如果长期接收不到数据，将发送错误码并重新等待接收控制命令。A板接收到的控制命令字符串后，首先通过PIC芯片自带串口将控制命令发送到B板，然后控制直流电机转动使微诊疗机器人运动一个步距，或者手动执行某一动作，同时通过检测电机电流值判断当前的运动状态以控制运动的步序。B板等待接收到控制字符串后，经校验后用来控制两个视频摄像头的启动及摄像头的旋转角度，如果检验错误将发送错误码回A板。如果要求启动热疗功能，PIC执行PID控制调整热疗温度到控制字给定值，在一个运动循环周期内要将当前检测的温度、转台转动角度由串口通讯发送回A板。A板把当前的三个电机的堵转电流值、热疗温度、转台角度等参数由无线通讯发送到通讯收发盒，收发盒再通过串口发送回人机界面接口并显示。图4-12所示，微诊疗机器人软件通讯时序涉及到无线通讯收发盒、体内A控制板、体内B控制板。整个程序的设计过程从易到难,按照设计的软件流程，分别实现通信子程序和各机构的控制子程序，最后连调测试。首先配置了PIC芯片的配置字，选择时钟方式、使能看门狗、开中断、禁止保护等；其次，配置内部时钟，设置芯片的IO端口功能并初始化；然后，分别调试A板和B板各个子程序，包括：调试串口中断程序保证与上位机通讯流畅，调试Si4420芯片的单向收发程序，并联合调试双向收发程序，运动步序控制和热疗温度控制、转台控制子程序，并分别在实验环境中验证可行性；最后，将所有程序连调，按照控制时序的条件调整控制参数。各部分子程序模块的具体的设计如下。第47页 上海交通大学硕士学位论文图4-12微型结肠机器人的软件通讯时序Fig4-12Thecommunicationsequenceofthemicrocolonrobot1.串口通信串口通信采用中断的方式接收和发送数据，先接收后发送的过程如下：初始化设定串口配置字开启总中断和外部中断，并使能接收中断，在中断处理子程序中判断是否使能接受中断且中断标识位置1，如果是则从接收寄存器中读入数据，然后验证接收数据，验证通过后存入接收数据组，否则重新读入。接收完毕之后发送应答码，关闭接受中断开启发送中断，当发送中断标识位置1时开始发送。之后，处理控制子程序。最后将所需发送的数据存入发送数据组，当发送中断标识位置1时开始发送直到收到应答码再关闭发送中断。另外，在串口通讯的另一端则需要先发送后接收，具体实现与先接受后发送的串口通信相似。串口通信两端具体的程序流程图如图4-13所示。第48页 上海交通大学硕士学位论文图4-13串口通讯程序流程图Fig4-13Theprogramflowchartofserialportcommunication2.射频数据发送使用TX缓冲寄存器完成数据发射的功能。配置Si4420的控制命令，使能配置设定控制命令位el（el=1）使数据可以串入8位移位寄存器，使能电源管理位et（et＝1）发射定时开始，此时发送寄存器开始发送数据，在发送无线通讯数据之前必须先通过SDI写入发送寄存器写允许命令0xB8AA，此时SDO引脚用于检测发送寄存器是否准备好接收下一发送数据。在微诊疗机器人中使用主控芯片PIC16f690控制SI4420发射数据的步骤如下：首先，使能PIC单片机SPI口发送功能和边沿模式，并使用内部时钟给出串第49页 上海交通大学硕士学位论文行时钟频率SCK；然后，通过SPI发送SSBUF寄存器值到SI4420，初始化其发送数据的控制命令，包括设置收发频段（收发频段一致）、数据率（与定时器频率有关）和滤波方式，使能数据寄存器（el＝1）和时钟输出（ef＝0）；最后，置et为1开启发送，先由同步串口发送0xB8AA以允许发送寄存器写入，再发送射频通讯数据。在此过程中通过检测PIC的RB4引脚判断寄存器是否为空，为0则可写入下一数据。3.射频数据接收使用FIFO寄存器读入接收数据。该模式下通过时钟串入16位的数据到FIFO缓冲器中，为防止读入干扰信号，当同步格式识别电路指示有潜在的接收数据输入时，接收器开始填充。可以选用轮询模式或是中断控制模式。轮询模式时序：当nFFS为低电平时，FIFO的输出连接到SDO的输出，接收到数据时FFIT指示为高，当FFIT指示为低电平时FIFO没有数据读入。中断模式可以定义接收位的个数，当超过这个个数时FFIT就会产生中断信号。中断模式和轮询模式各有优劣，中断模式可以更迅速的响应，但是VDI引脚必须连接，轮询模式只需要当前五根连线即可实现。结合胶囊机器人的实际情况，主控芯片IO口数量有限，为了减少连线和电路空间，采用了轮询的方式。具体设计如下：配置PIC芯片的SPI接收模式，根据数据传输率的需要并尽量减少误码率，这里用定时器给出接收频率SCK；然后通过SPI发送控制命令到SI4420，例如使能接收寄存器、使能接收、设置滤波器、数据率命令设定、开启FIFO命令；nFFS置低开启接收，当读入数据识别到同步字时，FFIT值判断为高，开始读入16位控制数据。4.双向通讯设计采用TX缓冲寄存器和轮询的FIFO方式可以分别实现射频数据的发送和接收，但是要实现双向通讯还需要设计合理的通讯流程，以保证收发两端通讯相互协调、流畅，同时不会出现相互等待的死循环。射频通讯的两端分别是体外的通讯收发盒和肠道内胶囊机器人的控制板。体外通讯收发盒通过RS232串口从上位机接收控制命令字符串（16位），验证通过后射频发送。体内胶囊机器人控制板接收到无线发送来的数据，检验通过后用于机器人控制，如果长期接收不到数据，将发送错误码并重新等待接收控制命令。之后，胶囊控制板控制直流电机转动使机器人运动一个步距，或者手动执行某一动作，同时通过检测电机电流值判断当前的运动状态以控制运动的步序。最后，将检测到的当前运动状态等信息发送回无线通讯收发盒，并由串口发送回上位机第50页 上海交通大学硕士学位论文显示。具体的通讯时序如图4-14所示。Trec图4-14双向无线收发时序图Fig4-14Thetimingsequencechartoftheduplexwirelesstransmit-receive无线通讯盒的收发时序有几个关键时间T1、T2、T3、T4。其中，T1是接收串口通讯数据的时间，接收到之后再将数据发送回上位机检验，同时加入了指示灯来显示字符的发送；T2是无线发送控制字符串的总时间，为了保证机器人体内控制板有足够的时间来检测接收的数据，T2时间段内要反复发送控制字持续一段时间，但该时间段又不能长到影响收发盒的接收时间，否则收发盒与体内控制板的收发时间就会错开；T3是等待接收数据的时间段，该时间段的长度受体内控制时间和通讯周期长度的影响；T4是收发盒通过串口发送检测数据到上位机并点亮指示灯的时间。微诊疗机器人体内控制板的关键时间段有T5、T6、T7。在T5时间段内，控制板处于等待控制命令阶段，直到接收到通讯盒发送的控制命令，为了防止控制板和无线通讯盒都处于等待接收状态，导致死循环，这里设置了控制板的最长等待时间T，当控制板的等待时间超过T时，能够自动跳出等待状态，并进入无recrec线发送状态，将错误码发送回无线收发盒；检验通过的控制命令用于控制三个直流电机，完成机器人的运动步序，此阶段的时间设为T6；通过无线发送将检测到的当前运动状态等信息发送回无线通讯收发盒，发送持续时间为T7。从上述通讯的工作时序可以得到双向通讯正常工作所需要满足的条件包括：在一端发送无线数据的同时另一端接收已经处于等待状态，以防止通讯收发交错，保证TTT+≥；为了防止通讯出现死循环，必须在其中等待一方设置最长417等待时间T，满足TTTTT≥+++，如果超过T还未收到数据，跳出等待状recrec7412rec第51页 上海交通大学硕士学位论文态。收发盒是整个体内控制系统和人机界面之间的通讯中转站，为了保证收发盒在通讯中止或误码率过高时能及时纠错，当TTTT≥++或出现连续校验为误码3567超过三次时，开启软件看门狗重启体外无线收发盒；5.运动步序控制接收到控制命令之后，判断所要求的运动状态并执行相应的运动指令。为了实时控制机器人的运动状态，通过AD口中断读入MAX4173测得的电压值（该值正比于AT5550的驱动电流值），当直流电机堵转时驱动电流升高达到控制命令给定值，电机停转并进入下一个运动状态。所要注意的是，电机刚开始转动时，为了克服很大的静摩擦力此时电机电流升的很高，AD口读入的数据会超过控制指令给定值而造成对运动状态的误判断，这里处理的办法是在程序中加入电机启动的延时500mS。另外，轴向的伸缩机构在运动过程中，由于机构受力不均会在伸缩的中间阶段短时间内产生很大的电机电流，为了避免对运动状态判断错误，这里对AD口输入电压值间隔20ms后再重复判断是否超过堵转电流的给定值，经实验验证该方法简单可靠。6.温度控制图4-15PID温度控制程序流程图Fig4-15TheprogramflowchartoftemperaturePIDcontrol第52页 上海交通大学硕士学位论文根据特制线圈加热时热电偶测量的温度参数，设定温度控制设定值表，从AD口读入测量值（0－0x3FFF）对应温度范围30°C～50°C。控制时序如图4-12所示，主要受T10、T11、T12的影响，采样时间大概为1s，采用中断的通讯方式无论是否收到接收命令，温度控制都在进行。由于特制加热线圈本身的散热很快，依靠电流加热可以迅速的稳定温度，这里采用了简单的PID控制，针对不同温度偏差范围分别选择增量PID和PD控制，如图4-15所示，当温度偏差超过0.5°C时选择PID控制，当温度偏差值低于0.5°C时选择PD控制，可更稳定的达到设定值。PID的参数和温度给定值通过控制命令给入，以适应不同的肠道环境。4.5整体调试微诊疗机器人所使用的两块电路板A板和B板都选择了PIC16f690作为主控芯片。A板位于微诊疗机器人侧面体腔，完成与体外通信盒的无线通讯和三个直流电机的控制，无线通信部分与体外通信盒一致选择了SI4420芯片，直流电机的驱动使用了两片AT5550芯片。B板位于微诊疗机器人的头部，靠近热疗线圈和摄像头转台，完成摄像头转台控制、热疗线圈的温度控制以及摄像头的电源启停，同时还要与A板实时通讯，获得控制命令，并将温度数据和转台当前转动角度发送回A板。这里选择了电机驱动芯片AT5556配合PIC16f690完成与转台连接的步进电机和热疗的电流的控制任务，AT5556的4个恒压源的驱动和2个恒流源驱动足够完成控制要求。从调试结果看，所设计的通讯方法和控制方案能够满足控制任务的要求，通讯误码率在容许的范围内，运动步序稳定、可靠，转台转动流畅，摄像头能够接收到肠道清晰图像。但是由于设计时间紧迫，实际工程应用和编程经验较少，还有很多问题需要进一步改进。4.6本章小结本章对微诊疗机器人的电路构造做了介绍，整个系统各模块的功能及各模块之间的通讯。以PIC16F690为主控芯片，AT5550为电机驱动芯片，SI4420为通讯芯片，OV6920为视频采集芯片，MAX4173为电流检测芯片，设计了一系列相关的电路，并编程调试。通过上位机发送控制指令，实现半自主控制；采用拖揽供能或无线供能两种能源供应方式，为后续的实验提供便捷。第53页 上海交通大学硕士学位论文第五章系统实验5.1整机性能实验微诊疗机器人经设计计算后，各部分零件由Solidworks绘制成三维模型，在装配体中组装后进行干涉分析、运动仿真，初步验证可行性，之后出图纸加工。在选用材料时，大部分结构件使用的是铝材，齿轮使用的是黄铜，丝杠使用的是45#钢大部分零件是使用线切割技术完成，部分零件——丝杠由外协加工，标准件购买而得。零件加工完成后，去毛刺，用汽油或酒精清洗后，经过组装成个各运动模块。前面章节，已经经过理论的计算推到出了微诊疗机器人径向及轴向机构的推力、拉力，而在在实际的机械运动过程，情况比较复杂，如机械加工精度、运动件之间的磨合度、受到结肠道的反作用力比较复杂，综合上述环境，对微诊疗机器人各模块所能提供的作用力做了一个测试。5.1.1径向力实验（a）（b）（c）图5-1径向机构实验测量装置Fig5-1Themeteringequipmentforradialmechanism经过组装之后的径向机构如图5-1（a）图，目前对环向力的测试工具比较短缺，而设计的环向测试机构也不能够正确模拟微诊疗机器人在结肠内的受力，这是因为生物体的结肠是具有弹性的，具有蠕变性，即突然施加一固定应力，变形第54页 上海交通大学硕士学位论文会随时间持续进行，而一般的测力工具是满足胡克定律，力的大小是与位移大小成线性关系的。为了检测径向机构的钳位力，设计实验测试径向机构能提供的力的大小，实验装置如图5-1（c）所示，图5-1（b）是对图5-1（c）的一个放大。实验所使用的测力计是为日本电产新宝公司（NIDEC-SHIMPO）生产的，型号为Digitalforcegauge，可以使用串口与个人电脑相连，将测得的数据直接记录在电脑上。为了便于多次测量径向机构的力的大小，实验室添加了一个控制电机正反转的控制开关。图5-1（c）所示为测径向机构的拉力，在径向机构的顶端和测力计的触头之间连接了一个棉线，径向机构完全撑开时，棉线为松弛状态，当径向机构收缩时，棉线渐渐绷直。考虑到实际应用时，都参考径向机构的推动力，因此在测其推动力时，将棉线去掉，将径向机构向测力计方向靠近，以保证当径向机构撑开到大约有2/3的时候，可以与测力计触头相碰即可。图5-2实际测量径向单一连杆推动力Figure5-2Themeasurevalueoftheradialpushforce实际中，对微诊疗机器人径向机构的力进行测试时，将电机的工作电压设置为3V，径向机构固定，在接近径向机构变形最大处内部放置日本电产新宝公司的测力计。通电后，使用正反转控制开关使连杆机构连续运行，测力计可以连续采集其受力采集端的受力大小。图5-2所示显示了使用测力计对径向机构单个连杆顶端推动力连续测试的记录。如图取平均最大单个径向推动力为500gf，即5N，则三组连杆机构的总动力约为15N。比较理论值小。造成这种现象的原因有，测量有一定误差；另外在机械结构上，为防止螺母随丝杠一起转动，添加两导杆，保证螺母沿直线移动，由此导致的摩擦力和扭矩将影响到电机的实际转速及输出扭矩，造成偏差。5.1.2轴向力实验组装好的轴向机构测试实验实物如图5-3（a）所示。对于轴向机构只需要测第55页 上海交通大学硕士学位论文量机构的轴向推力和拉力即可。所以其实验装置与径向的实验装置类似，如图5-3（b）和（c）。（a）（b）（c）图5-3轴向机构实验测量装置Fig5-3Themeteringequipmentforaxialmechanism测试时，电机工作在3V电压下，将轴向机构固定，通过正反转控制开关控制伸缩机构使其连续运行，在轴向伸长最大尺寸内放置一测力计，测试所得结果如图5-4所示，可得平均最大的轴向推动力约为160gf，即1.6N，比理论值小，造成的原因和径向机构相似。图5-4实际测量的轴向机构推动力Figure5-4Themeasurevalueoftheaxialpushforce5.1.3整机实验测完各模块单独的作用力，将其组装成整体，各功能模块经测试后，安装在微诊疗机器人本体上，最后对微诊疗机器人进行必要的密封，使用的波纹管、ABS圆柱薄壳、ABS球形壳和有机玻璃圆片，如图5-5所示。第56页 上海交通大学硕士学位论文图5-5密封件Fig5-5Sealingelements图5-6所示，从上到下、从左到右，依次是：微诊疗机器人部分机械零件、微诊疗机器人的运动机构（两个径向机构和一个轴向机构，同时为控制电路预留了部分安装空间）、微诊疗机器人的两块控制电路板、微诊疗机器人最终外形。得到的微诊疗机器人收缩状态的直径为20mm，总长170mm。图5-6微诊疗机器人的零件、电路板及整机Figure5-6ThecomponentsandthePCBoftherobot,aswellasthewholerobot整个微诊疗机器人系统由上位机、无线通讯收发控制盒、微诊疗机器人、无线供能和视频接收盒组成，将各模块单独调试好之后，组装在一起，调试整体性能，整个系统如图5-7所示。上位机即个人电脑，与无线通讯收发控制盒及视频接收盒相连，微诊疗机器人置于无线能量收发系统的发射线圈内，通过微诊疗机器人的内部接收线圈接收能量，稳压后为整个微诊疗机器人系统供能。无线通讯收发系统在无线能量的电磁场中不受干扰，实现上位机与为诊疗机器人之间的通第57页 上海交通大学硕士学位论文讯。视频接收系统也不受无线能量的电磁场干扰，为诊疗机器人可以将拍摄到的图像无线传递给上位机，由上位机显示出来。图5-7整体系统实验平台Fig5-7Theexperimentalplatformoftherobotsystem实验的结果是微诊疗机器人在无线供能情况下，能与上位机完成双向通讯，完成上位机发送的指令要求，实现仿尺蠖式运动步态，能根据指令完成活检机构的动作，能实时发送视频图像。效果如图5-8所示，可以看到微诊疗机器人在无线供能情况下，完成两径向机构和一轴向机构的收缩运动，完成仿尺蠖式的运动步态。图5-8微诊疗机器人整体调试Fig5-8Debuggingtherobotsystem5.2离体实验5.2.1玻璃硬管道实验为了测试微诊疗机器人是否满足最初的设计要求，搭建了一硬玻璃管道实验第58页 上海交通大学硕士学位论文平台，玻璃管道外径为45mm，壁厚2mm。分别将玻璃管道置于水平、倾斜30°、倾斜60°及竖直位置，做微诊疗机器人爬行观测实验。图5-9微诊疗机器人在水平硬玻璃管道内爬行Figure5-9Therobotcreepsinthehorizontalglasstube如图5-9所示为微诊疗机器人在水平放置的玻璃硬管道内实验，微诊疗机器人采用拖揽方式供电，可以看出微诊疗机器人可以很好地完成爬行功能。图5-10所示为玻璃管道倾斜成60°角时，微诊疗机器人的爬行实验，图中右下角放置一杯染色的水作为参考水平面，和水平爬行效果一样，能顺利完成爬行实验。图5-10微诊疗机器人在60°硬玻璃管道内爬行Figure5-10Therobotcreepsintheglasstubewith60°angleofinclination第59页 上海交通大学硕士学位论文图5-11微诊疗机器人在竖直硬玻璃管道内爬行Fig5-11Therobotcreepsintheverticalglasstube如图5-11所示为微诊疗机器人在竖直放置的玻璃硬管道内实验，实验结果为微诊疗机器人能提供足够的钳位力以克服自身重力，顺利完成爬行实验。将微诊疗机器人放入玻璃硬管道中，无线通讯盒通过串口与上位机相连，微诊疗机器人收发芯片与通讯盒的距离理论上可到20m，由于试验环境干扰这里最远可到2m。通过上位机发送控制命令，微诊疗机器人的运动步序稳定可控，测量数据在运动完一个步序之后传回上位机显示。实验时，微诊疗机器人通过电缆由外部电源供能，内部控制电路板控制径向钳位机构、轴向伸缩机构分时动作，形成尺蠖式运动方式，且在管内可以向上爬行，而不会因为自重落下。图5-9和5-10中可以看到，正在爬行的微诊疗机器人，从机器人尾部对应的标尺位置，可以看到微诊疗机器人的步距约为32.8mm，小于理论值40mm，造成这种情况的原因可能是，波纹管压缩时，有部分堆积在轴向机构与径向机构之间，使轴向机构不能收缩完全。微诊疗机器人头部带有摄像头，有自带的电源，图中头部光源即是。实验表明微诊疗机器人可以还好地在管道内爬行，能将拍摄到的图像传输到上位机，完成任务。5.2.2离体猪肠道实验为了验证设计方案的可行性和有效性，设计了肠道离体实验。猪的消化道的结构尺寸与人的最相近，可以通过微诊疗机器人在离体猪肠道内的爬行实验来进一步验证微诊疗机器人的性能，因此购买来了新鲜的猪大肠，长度约40cm，做为第60页 上海交通大学硕士学位论文实验材料。（a）（b）图5-12离体猪肠道实验Figure5-12Theexperimentinapieceofpigintestines图5-13微机器人在有弧度的离体猪肠道内爬行Fig5-13Therobotcreepsinapieceofcamberedpigintestines如图5-12（a）所示，将离体猪肠道两段固定，悬挂起来，测试微诊疗机器人可否适应有一定绷紧力的肠道。实验中微诊疗机器人由外部电源供电，从左端进入管道，顺利向右端爬去，爬行至结肠接近右端的50mm处，由于肠道自身的伸第61页 上海交通大学硕士学位论文缩特性及坡度影响的摩擦力变化，微诊疗机器人的每步的伸缩变化，与肠道的伸缩变化及打滑影响，微诊疗机器人有效步距变小，耗时比较长。图5-12（b）中，将离体猪肠道自由摆放成一定弧度，测试微诊疗机器人可否自行转弯。从图5-13中，可以看出微诊疗机器人在有弧度的猪肠道中的爬行情况，实验的结果是微诊疗机器人顺利爬过弯道。所以微诊疗机器人在离体肠道中的爬行实验是成功的。5.3活体实验图5-14机器人的活体实验Fig5-14Theexperimentinalivingpigintestines最后，将微诊疗机器人置于活体猪的肠道内实验，如图5-14所示。该实验的在上海第六人民医院及医师的支持下完成的。将活体猪麻醉后，置于手术台上，手术将活体猪的部分大肠内的粪便抽离并向肠内注入空气，之后将微诊疗机器人塞入，用手术钳夹住伤口后，给微诊疗机器人上电，微诊疗机器人开始爬行，实验结果为微诊疗机器人在体外部分的肠道爬行顺利，进入体内后，由于转弯半径太小，机器人受阻，无法前进。造成的原因也有可能是猪肠道内的粪便并没有完全清理干净，只是将体外部分的肠道清理了一下，造成微诊疗机器人无法前进。5.4本章小结实验中测得的轴向推动力与径向推动力与理论计算值接近；将微诊疗机器人置于玻璃管内及离体猪肠道内进行爬行实验，都验证了所设计的机器人能实现在管道、肠道内前进、驻停、后退。第62页 上海交通大学硕士学位论文总的来说，在微诊疗机器人的设计时，考虑到了人体结肠道生物力学特性复杂多变，微诊疗机器人径向变形达58.7mm，能将结肠完成撑开，减少结肠附着在微诊疗机器人表面的面积，减少伸缩阻力，也扩大了微诊疗机器人在结肠内的可视范围，有利于视觉导航；轴向可双向变形，有效克服了肠道自身的弹性变形，步距达32.8mm。第63页 上海交通大学硕士学位论文第六章结论与展望6.1本文总结随着国民饮食结构由以素食为主到肉类越来越多的的变化，以及生活节奏的变化，罹患消化道肿瘤的比例也在逐年增加。众所周知，在消化道肿瘤早期发现并及时治疗，其治愈率是很高的。但目前结肠肿瘤的确诊，需要使用内窥镜，加之人体结肠道形状复杂，会给病人带来极大的痛苦。本文在前人的研究基础上，进一步开发研究用于结肠道的微型诊疗机器人，在对结肠生物力学特性分析的基础上，选用常用的微型直流电机作为机器人的驱动器，采用新型的仿生运动学——仿尺蠖式运动步态，完成机器人在结肠道内的基本运动。详细分析了运动机构的效率、受力及运行速度，并设计实验验证机构的性能。对于微诊疗机器人的诊疗功能详细地介绍其工作原理、实现方式及控制方法。特别是对热疗机构做了详细地实验分析。整个微诊疗机器人完成之后，做了多个实验，验证了其可行性。本文的创新点在于：1.微诊疗机器人使用丝杠-螺母+连杆机构钳位，伸缩腿式支撑结构具有较大的运动行程，可以灵活适应不规则的肠道结构；2．微诊疗机器人中使用了无线技术，包括通讯控制、图像传输和供能系统，在保证供能性的同时，提高了气体运动的灵活性，较少了机器人诊疗对患者的侵入性，而且也消除了缆线对机器人运动机动性的限制；3．微诊疗机器人上装配了视频成像装置，可以使用观察的办法来确诊病例，但是单独依靠目视，极易误诊肿瘤的恶性和良性，与同期研究相比较，增加的活体取样装置更具有临床使用价值，对于肿瘤的早期发现具有十分重大的意义；4．胃肠道肿瘤位于人体的自然腔道内，利用微诊疗机器人携带加热器介入的局部热疗与现有的热疗方法相比较具有无创伤、加热充分、定位精度高、副作用小等优点。另外，本文设计中主要使用的执行机构为丝杠-螺母机构，这种机构非常常见，且简单、实用性高。用简单的方法解决复杂的问题，这才是王道。第64页 上海交通大学硕士学位论文6.2研究展望本文所设计的微诊疗机器人依然存在着一些问题。针对这些问题，下一步的研究可能需要从以下方面着手：寻找或者开发体积更小，输出扭矩更大的驱动器；优化机械人的运动机构，使机器人的运动更高效、可靠、安全；优化热疗、活检机构，并开发其他具有诊疗功能的机构，如药物释放；寻找更好的密封材料，保证安全性。随着科技日新月异的发展，机器人技术也在不断地提高，医疗微型机器人的发展离不开新型材料的发展、高效体积小的能源发展、新型驱动材料的发展。医疗机器人，特别是进入人体的微型机器人，不同于家用机器人、探测机器人等，但可以借鉴其他种类机器人或机器的技术来发展医疗机器人，研制出更符合生物以降低对生活质量的影响。同时，我们也要意识到：目前降低癌症死亡率，主要依靠识别和消除癌症的不同病因——尤其是膳食结构和生活方式的某些方面。第65页 上海交通大学硕士学位论文参考文献[1]39健康网：坚持规范化探索新希望——第二届“世界癌症宣传日消化道肿瘤专题”举办.http://news.39.net/qydx/2011329/1649017.html[2]王成峰,赵平.现代结肠、直肠及肛管区肿瘤学.山东大学出版社.2009年5月第一版：前言[3]束永前.肿瘤科疾病诊断流程与治疗策略.科学出版社.2008年2月第一版:P224-P225.[4]郑树，万德森.结直肠癌.北京大学医学出版社.2008年7月第一版:P8、P94-95.[5]KojiIkuta.TheApplicationofMicro/MiniatureMechatronicstoMedicalRobotics.IntelligentRobots,1988,31Oct-2Nov:9–14.[6]ByungkyuKim,SukhoPark,ChangYeolJee,Seok-JinYoon.Anearthworm-likelocomotiveechanismforcapsuleendoscopes.IntelligentRobotsandSystems.2005:2997–3002.[7]Slatkin,A.B.,Burdick,J.,Grundfest,W..Thedevelopmentofaroboticendoscope.IntelligentRobotsandSystems95.'HumanRobotInteractionandCooperativeRobots',Proceedings.1995IEEE/RSJInternationalConference.5-9Aug1995,vol.2:162–171.[8]Carrozza,M.C.;Lencioni,L.;Magnani,B.;Dario,P.;Reynaerts,D.;Trivella,M.G.;Pietrabissa,A..Amicrorobotforcolonoscopy.MicroMachineandHumanScience.2-4Oct1996:223–228.[9]ReynaertsDominiek,PeirsJan,VanBrusselHendrik.Shapememorymicro-actuationforagastro-intestinalinterventionsystem.SensorsandActuatorsA:Physical,1999,77(2):157-166.[10]ByungkyuKim,MoonGuLee,YoungPyoLee,etal.GeunHoLee.Anearthworm-likemicrorobotusingshapememoryalloyactuator.SensorsandActuators.2006,A125：429-437.[11]ByungkyuKim,SukhoPark,Jong-OhPark.MicrorobotsforaCapsuleEndoscope.AdvancedIntelligentMechatronics.2009,14-17July:729–734.[12]QuiriniM,WebsterRJ,MenciassiA,etal.Designofapill-sized12-leggedendoscopiccapsulerobot.[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2007:1856-1862.[13]ShikanaiM,MuraiN,ItohK,etal.Developmentofaroboticendoscopethat第66页 上海交通大学硕士学位论文locomotesinthecolonwithflexiblehelicalfins.EngineeringinMedicineandBiologySociety,2009.EMBC2009.AnnualInternationalConferenceoftheIEEE.2009:5126-5129.[14]ChenJ,ZhuXR,QiuCX,etal.LocomotionandSteeringDesignofanActiveCapsuleRobotforEndoscopicInspection.RoboticsandBiomimetics(ROBIO),2009IEEEInternationalConferenceon,19-23Dec.2009:2344-2348.[15]罗伯特·温伯格.细胞的叛逆者——癌症的起源.上海：上海科学技术出版社.1999年12月第一版：P56.[16]侯晓华.消化道运动学.科学出版社.1998年1月第一版：P347-357.[17]HansGregersen.胃肠生物力学——胃肠动力新视角.人民卫生出版社.2006年7月第一版.[18]穆晓枫,周银生,胡飞,贺慧农.无损伤医用肠道机器人驱动原理[J].上海交通大学学报,2004.38(8):1314-1317.[19]秦昌骏，马培荪，姚沁.一种基于SMA的微小型蠕动机器人[J].机械工程师,2004，20（1）：23-27.[20]周益路,颜国正,刘华,张明卿,陈宗尧,高媛.一种基于SMA驱动的仿生机器人设计.http://www.edu.cn中国科技论文在线.2011-02-17.[21]王坤东,颜国正,张涛.无创诊疗微机器人结肠镜系统的研制[J].北京生物医学工程,2006,25（5）：498-502.[22]WangK,YanG,JiangP,etal.Awirelessroboticendoscopeforgastrointestine.Robotics.2008；24:206-210.[23]YanGZ,WangKDShiJ.ResearchonMicroRobotforColonoscopy.EngineeringinMedicineandBiologySociety,2005.IEEE-EMBS2005.27thAnnualInternationalConferenceofthe17-18Jan.2006:5050-5053.[24]左建勇，颜国正.用于肠道检查的微小型蠕动机器人[J].上海交通大学学报,2004，38(8):1310-1313.[25]李传国.主动可控式内窥镜胶囊机器人的研究.[学位论文]2010年.[26]施卫平,任露泉.蚯蚓蠕动过程中非光滑波纹形体表的力学分析[J].力学与实践,2005:P73-74.[27]安瑞永,黄薇.蚯蚓运动行为的观察与研究[J].生物学通报,1995.30(6):P42.[28]Zarrouk,D.Sharf,I.Shoham,M.AnalysisofWormlikeRoboticLocomotiononCompliantSurfaces.BiomedicalEngineering,2011,58(2):301-309[29]GaoP,YanG,WangZ,etal.Aroboticendoscopebasedonminimallyinvasivelocomotionandwirelesstechniquesforhumancolon.IntJMedRobot.2011；7（3）：第67页 上海交通大学硕士学位论文256–267.[30]林蔚，颜国正，王志武，等.基于微型电机的肠道机器人机构设计[J].机器人，2011，33(3):319-323.[31]彭文生，李志明，黄华梁.机械设计[M].北京：高等教育出版社,2008.[32]ZhangZ,QianJW,ZhangYA,etal.ANewNavigationMethodforIntelligentColonoscope.ComplexMedicalEngineering,2007.CME2007.IEEE/ICMEInternationalConferenceon23-27May.2007:31-34.[33]付国强,梅涛,孔德义,等.无线微型机器人肠道内窥镜系统中图像采集与无线传输子系统的设计[J].光学精密工程,2002,10(6):614-618.[34]钱晋武,张震，章亚男,等.智能内窥镜视觉导航技术和系统研究[J].光学精密工程,2004,12(3):76-80.[35]LowSC,TangSW,ThantZM,etal.Master-SlabeRoboticSystemforTherapeuticGastrointestinalEndoscopicProcedures.EngineeringinMedicineandBiologySociety,2006.EMBS'06.28thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEAug.302006-Sept.2006:3850-3853.[36]ChenJ,ZhuXR,QiuCX,etal.LocomotionandSteeringDesignofanActiveCapsuleRobotforEndoscopicInspection.RoboticsandBiomimetics(ROBIO),2009IEEEInternationalConferenceon,19-23Dec.2009:2344-2348.[37]刘静,邓中山.肿瘤热疗物理学.北京：科学出版社.2008年:P1-12.[38]李鼎九,胡自醒,钟毓斌.肿瘤热疗学.郑州：郑州大学出版社.2003年第一版：P1-9.[39]黄胜,陈锦昌,黄平.基于OV7930芯片磁控人体胶囊式无线内窥镜的研究与实验.机电工程技术.2007,36(12):51-56.[40]刘建青,黄平.基于OV6920体内无线窥视胶囊设计与实验研究.《机械设计与制造》.2010,第6期：183-185.第68页 上海交通大学硕士学位论文致谢本论文是在导师颜国正教授的悉心指导下完成的。在此谨向尊敬的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。感谢颜老师在我研究生阶段的学习和课题研究上给予的指导和帮助。颜老师治学严谨认真，生活朴实无华，工作兢兢业业，从颜老师身上学到了严谨的科研态度和积极的奋斗拼搏精神，很高兴能在研究生阶段学到这堂人生奋斗之课，为以后的工作和生活树立了标杆。同时还要由衷地感谢实验室王志武老师、刘华老师、姜萍萍老师，感谢各位老师在我研究生阶段所给予的支持和帮助。感谢王志武老师为项目组提供的技术支持和帮助，对调试电路板进行测试并分析出现问题的原因，组织讨论机器人所遇到的问题，提高项目的整体效率。感谢刘老师耐心、认真、负责地回答我提的每个问题。这里还要感谢实验室吴成庚师傅，机器人的零件，除了小部分由于实验室没有机械加工设备拿出去外协加工，大部分都由吴师傅加工完成，并在设计机械结构时，给出了实用性的建议。感谢上海第六人民医院及医师为活体动物实验所提供的帮助，从而能进一步验证微型仿生诊疗机器人的性能。感谢项目组组员高鹏博士和陈雯雯博士。从正式加入实验室项目组开始，就在高师兄悉心指导下，学习和设计微型机器人，师兄能着眼全局，合理安排了项目进展并设计实验，在他的指导下，顺利完成了微型机器人的设计和实验。感谢陈雯雯师姐在机器人电路及编程上作出的贡献，并细心地指导我使用AltiumDesign和Mplab。能和高师兄和陈师姐在一个项目组，我感到万分荣幸。感谢贾智伟博士、石煜博士在调试机器人无线供能方面提供的帮助。感谢周国洪帮忙制作的视频摄像头。感谢实验室所有的师兄师姐师弟师妹，有你们营造的轻松和谐的氛围，让我的科研工作更加地有趣。感谢B0903591班的所有同学，和你们一起度过了人生中的黄金时代，我会永远记住你们的。最后要感谢含辛茹苦把我养大的父母，有你们的支持和鼓励是我学习工作的最大动力。第69页 上海交通大学硕士学位论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文[1]高媛，颜国正，高鹏，陈雯雯，刘华.仿生结肠诊断机器人运动系统.中国组织工程研究与临床康复（已录用）第70页