賀術(shù) 顏國(guó)正

摘 ?要： 具備自主運(yùn)動(dòng)能力的腸道機(jī)器人內(nèi)窺鏡是腸道疾病診療設(shè)備的發(fā)展方向，文中研究一種擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人內(nèi)窺鏡在腸道中的運(yùn)動(dòng)效率并提出提高運(yùn)動(dòng)效率的方法。計(jì)算了擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率，研究了駐留失效導(dǎo)致的步距損失，同時(shí)提出腸道壓縮和拉伸模型分析腸道變形導(dǎo)致步距損失出現(xiàn)的原因。離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人在離體腸道中的運(yùn)動(dòng)效率在34.2%～63.7%，實(shí)際運(yùn)行速度在0.62～1.29 mm/s，機(jī)器人在腸道中的運(yùn)動(dòng)效率隨著運(yùn)動(dòng)步態(tài)之間的時(shí)間間隔的增加而提高。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)在腸道內(nèi)的駐留能力是提高運(yùn)動(dòng)效率的關(guān)鍵，同時(shí)也提出提高運(yùn)動(dòng)效率的方法。文中的模型能對(duì)胃腸道機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞： 胃腸道; 機(jī)器人; 運(yùn)動(dòng)效率; 擬態(tài); 內(nèi)窺鏡; 生物力學(xué)

中圖分類號(hào)： TN98?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）13?0146?06

Research on locomotion efficiency of an expanding?extending robot in intestinal tract

HE Shu1， YAN Guozheng2

（1.The Thirty?Second Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shanghai 201800， China;

2.School of Electronic Information and Electronical Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：The intestinal tract robotic endoscope with ability to move autonomously is the development direction of the intestinal disease diagnosis and treatment equipment. The locomotion efficiency of the expanding?extending robotic endoscope moving in the intestinal tract is researched and the way for improving its locomotion efficiency is proposed in this paper. The locomotion efficiency of the expanding?extending robot is calculated， and the step?size loss caused by lingering failure is researched. The reasons of occurring as the step?size loss caused by intestinal tract variant are analyzed by means of intestinal tract expression and Tensile model. The results of the vitro experiment show that the locomotion efficiency of the expanding?extending robot moving in vitro intestinal tract is between 34.2% and 63.7%， the actual locomotion speed is between 0.62 mm/s to 1.29 mm/s. The locomotion efficiency is improved with the increase of the time interval between locomotion gaits. It is found in the research that the key to improve the locomotion efficiency of the robot is to enhance the lingering ability of expanding mechanism of the robot in the intestine tract. Some methods to improve the locomotion efficiency of the robot are presented in this paper. The model proposed in this paper can provide a reference for the design of gastrointestinal robot.

Keywords： gastrointestinal tract; robot; locomotion efficiency; mimesis; endoscope; biomechanics

0 ?引 ?言

作為一種現(xiàn)代社會(huì)常見的疾病，胃腸道疾病的特征是較高的發(fā)病率以及較長(zhǎng)的潛伏時(shí)間，早發(fā)現(xiàn)和早治療是應(yīng)對(duì)這類疾病的最好方式[1]。但是現(xiàn)有的腸胃道內(nèi)窺鏡檢查會(huì)給人帶來(lái)痛苦，這給此類疾病的大面積篩查造成阻礙。近年來(lái)，許多研究機(jī)構(gòu)和組織致力于開發(fā)解決這些問(wèn)題的替代方案，如以色列Given Imaging公司開發(fā)了型號(hào)為M2A的膠囊內(nèi)窺鏡，這種內(nèi)窺鏡只有膠囊的大小，可以在消化道中隨著蠕動(dòng)行進(jìn)，它可以捕捉消化道內(nèi)實(shí)時(shí)的圖像信息并傳送至外部接收器[2]。這種設(shè)備的行進(jìn)依賴于消化道蠕動(dòng)，自主運(yùn)動(dòng)功能的缺失導(dǎo)致這類檢查存在一定的漏檢率。

近年來(lái)，具備自主運(yùn)動(dòng)能力的胃腸道機(jī)器人內(nèi)窺鏡成為研究熱點(diǎn)[3?8]。這些設(shè)備可以自主地在消化道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，是傳統(tǒng)胃腸道內(nèi)窺鏡最有前景的替代方案之一。文獻(xiàn)[9]開發(fā)了一種機(jī)器人內(nèi)窺鏡，機(jī)器人的兩端都有一組腿，通過(guò)兩組腿的配合使機(jī)器人在腸道內(nèi)行進(jìn)。文獻(xiàn)[10]研發(fā)了一種由外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人內(nèi)窺鏡，通過(guò)一個(gè)外部的手持永磁設(shè)備與機(jī)器人體內(nèi)的磁場(chǎng)相互作用使機(jī)器人在胃部移動(dòng)。文獻(xiàn)[11]開發(fā)了一種機(jī)器人內(nèi)窺鏡，該機(jī)器人擁有一組腿式機(jī)構(gòu)用于擴(kuò)張腸道，并通過(guò)內(nèi)部和外部磁場(chǎng)的相互作用驅(qū)動(dòng)裝置在消化道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。然而，對(duì)于所有的驅(qū)動(dòng)類型來(lái)說(shuō)，如何適應(yīng)腸道以產(chǎn)生高效的運(yùn)動(dòng)是最重要的問(wèn)題[12]。

目前已經(jīng)開發(fā)出了一系列基于體內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人內(nèi)窺鏡[13?17]。本文利用擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人樣機(jī)研究了機(jī)器人內(nèi)窺鏡在腸道中的運(yùn)動(dòng)效率。在分析機(jī)器人在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，計(jì)算每個(gè)步態(tài)周期的運(yùn)動(dòng)效率，并建立模型分析腸道與機(jī)器人之間的駐留機(jī)理。模型考慮了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腸道的擴(kuò)張和延伸，并進(jìn)行相關(guān)的效率計(jì)算。最后進(jìn)行一系列離體實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合理論模型對(duì)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)效率進(jìn)行分析。

1 ?胃腸道機(jī)器人在腸道中的運(yùn)行效率

為了適應(yīng)腸道的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種擴(kuò)張/伸縮式機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)在腸道內(nèi)的自主運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)基于尺蠖的運(yùn)動(dòng)原理，樣機(jī)如圖1所示。機(jī)器人擁有前后兩組徑向擴(kuò)張機(jī)構(gòu)以及一組軸向伸縮機(jī)構(gòu)，徑向擴(kuò)張機(jī)構(gòu)在擴(kuò)張后（如圖1b）所示）可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在腸道內(nèi)的駐留，軸向伸縮機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與腸道之間的相對(duì)位移，三個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相互配合使機(jī)器人在腸道內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿尺蠖式運(yùn)動(dòng)。

圖1 ?擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人樣機(jī)

擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人在人體腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)模擬了自然界中尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式，圖2中對(duì)機(jī)器人每個(gè)運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行分析，并通過(guò)這種運(yùn)動(dòng)步態(tài)研究機(jī)器人在腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)效率。假設(shè)圖2a）為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的第一個(gè)步態(tài)，在這個(gè)步態(tài)中，機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都處于打開的狀態(tài)。圖中的空心點(diǎn)表示該位置在機(jī)器人上，圖中的實(shí)心點(diǎn)表示該位置在腸道上，如[Rr0]點(diǎn)是機(jī)器人后端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的位置，[Rf0]點(diǎn)是機(jī)器人前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的位置，[Ir0]點(diǎn)是腸道上與[Rr0]點(diǎn)位于同一軸向位置的一點(diǎn)，[If0]點(diǎn)是腸道上與[Rf0]點(diǎn)位于同一軸向位置的一點(diǎn)。[dfr0]是機(jī)器人兩個(gè)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)之間的距離。

圖2 ?機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析

從圖2a）到圖2b）的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人后端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)縮回，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域內(nèi)的腸道失去了擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的駐留作用，[Ir0]點(diǎn)的位置相對(duì)于[Rr0]點(diǎn)向運(yùn)動(dòng)方向回縮了一段距離。從圖2b）到圖2c）的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)縮回。在這一步態(tài)中，機(jī)器人和腸道上許多地方的位置發(fā)生了變化，機(jī)器人后端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到[Rr1]點(diǎn)，腸道上[Ir0]點(diǎn)的位置由于腸道被壓縮的原因繼續(xù)向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向回縮了一段距離，[Rf0]點(diǎn)的位置由于前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了駐留失效而移動(dòng)到[Rf1]點(diǎn)（如果沒(méi)有出現(xiàn)駐留失效，則[Rf0]點(diǎn)的位置不變），[If0]的位置也由于[Rf0]點(diǎn)位置的變化而移動(dòng)了一段距離。這一步態(tài)后，機(jī)器人兩個(gè)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)之間的距離變?yōu)閇dfr1]，假設(shè)這一過(guò)程中腸道的壓縮量為[dic]，則[dic]就是這一過(guò)程中因?yàn)槟c道壓縮引起的步距損失。前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的等效移動(dòng)距離[df]則為駐留失效引起的步距損失。

從圖2c）到圖2d）的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人后端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)張開，圖中[Ir1]點(diǎn)是腸道上與[Rr1]點(diǎn)位于同一軸向位置的一點(diǎn)，[If1]點(diǎn)是腸道上與[Rf1]點(diǎn)位于同一軸向位置的一點(diǎn)。從圖2d）到圖2e）的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)縮回，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域內(nèi)的腸道失去了擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的駐留作用，[If1]點(diǎn)的位置相對(duì)于[Rf1]點(diǎn)向運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)了一段距離。從圖2e）到圖2f）的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)。在這一步態(tài)中，機(jī)器人和腸道上許多地方的位置發(fā)生了變化，機(jī)器人前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到[Rf2]點(diǎn)，腸道上[If1]點(diǎn)的位置由于腸道被拉伸的原因繼續(xù)向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)了一段距離，[Rr1]點(diǎn)的位置由于后端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了駐留失效而移動(dòng)到[Rr2]點(diǎn)（如果沒(méi)有出現(xiàn)駐留失效，[Rr1]點(diǎn)的位置則不變），[Ir1]的位置也由于[Rr1]點(diǎn)的位置的變化而移動(dòng)了一段距離。假設(shè)這一過(guò)程中腸道的拉伸量為[die]，則[die]就是這一過(guò)程中因?yàn)槟c道拉伸引起的步距損失。前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的等效移動(dòng)距離[dr]則為駐留失效引起的步距損失。

從圖2f）到圖2g）的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)張開，機(jī)器人開始重復(fù)新一輪的步態(tài)循環(huán)。圖中顯示了機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)所在位置的移動(dòng)過(guò)程。

通過(guò)上面的分析可知，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率降低的原因主要有兩點(diǎn)：由于腸道形變導(dǎo)致的步距損失;由于駐留機(jī)構(gòu)失效導(dǎo)致的步距損失。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率的計(jì)算公式如下：

以下分別對(duì)這兩個(gè)原因引起的步距損失進(jìn)行分析。

2 ?擴(kuò)張機(jī)構(gòu)失效引起的步距損失

為了分析擴(kuò)張機(jī)構(gòu)駐留失效導(dǎo)致的步距損失，對(duì)圖2c）中的步態(tài)進(jìn)行具體分析，如圖3所示。圖中[Ffr]是腸道對(duì)前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的軸向作用力，[Frb]是腸道對(duì)機(jī)器人機(jī)身的作用力，這兩個(gè)作用力的方向相反，大小相同。機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)擴(kuò)張腸道后，在與腸道之間不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的前提下所能承受的最大軸向作用力稱為最大駐留力。駐留失效出現(xiàn)的原因是[Frb]的大小超過(guò)了最大駐留力。

圖3 ?駐留失效分析

腸道是非對(duì)稱性的管狀結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的生物力學(xué)特性，因此很難得到步距損失的精確表達(dá)式。為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)腸道結(jié)構(gòu)及其生物力學(xué)特性做如下假設(shè)：

1） 為了方便計(jì)算，假設(shè)腸道被機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)擴(kuò)張后的結(jié)構(gòu)是規(guī)則的圓柱形和錐形。

2） 考慮到機(jī)器人在腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度較?。ㄒ话闱闆r下低于10 mm/s），且由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)引起的腸道應(yīng)變率同樣較?。ㄒ话闱闆r下低于5%），機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腸道的生物力學(xué)特性近似為[18?20]：

式中：[σ]是腸道受到機(jī)器人施加的應(yīng)力;[γ]為腸道的應(yīng)力?應(yīng)變系數(shù);[ε]是腸道的應(yīng)變率。

由圖3中的分析可得出機(jī)器人前端擴(kuò)張機(jī)構(gòu)和腸道之間的移動(dòng)距離為[df0-dfi0]，因?yàn)閿U(kuò)張機(jī)構(gòu)在移動(dòng)的同時(shí)對(duì)腸道有拉伸的作用，因此這并不是真正因?yàn)轳v留失效導(dǎo)致步距損失的原因。假設(shè)機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)在這一過(guò)程中對(duì)腸道施加的軸向應(yīng)力為[σa]，則腸道在這一應(yīng)力作用下的軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

由于腸道的應(yīng)變率通常較小，因此駐留失效導(dǎo)致的步距損失與[df0-dfi0]接近。

3 ?腸道形變引起的步距損失

3.1 ?腸道壓縮引起的步距損失

為了分析由于腸道壓縮導(dǎo)致的步距損失，對(duì)圖2b），圖2c）中的步態(tài)進(jìn)行具體分析，如圖4a），圖4b）所示，圖中的粗實(shí)線為腸道輪廓，虛線為機(jī)器人輪廓。

為了方便分析，將腸道分成不同的腸道段，如圖4b）所示。[L2]段腸道與機(jī)器人機(jī)身接觸，長(zhǎng)度為[l2];[L1]段腸道位于機(jī)器人兩個(gè)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)之間且與機(jī)器人機(jī)身接觸，長(zhǎng)度為[l1];[L0]段腸道位于機(jī)器人兩個(gè)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)之間且不與機(jī)器人機(jī)身接觸，長(zhǎng)度為[l0]，與機(jī)器人機(jī)身的角度為[α]。[Fri]是機(jī)器人機(jī)身對(duì)腸道的軸向作用力，[Fricosα]是機(jī)器人對(duì)[L0]段腸道施加的作用力。[ref]是機(jī)器人的擴(kuò)張距離，[rb]是機(jī)器人半徑。

圖4 ?腸道壓縮模型

3.2 ?腸道拉伸引起的步距損失

為了分析由于腸道拉伸導(dǎo)致的步距損失，對(duì)圖2e）、圖2f）中的步態(tài)進(jìn)行具體分析，如圖5a），圖5b）所示。

圖5 ?腸道拉伸模型

通過(guò)上面的分析可得出如下有助于提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率的方法：

1） 通過(guò)分析式（1）可知，在步距損失不變的情況下，提高機(jī)器人的步距從理論上來(lái)說(shuō)可提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。

2） 通過(guò)合適的方法提高機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)在腸道中的駐留能力對(duì)提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率很關(guān)鍵，這能減小因?yàn)轳v留失效引起的步距損失。

3） 通過(guò)分析式（15）和式（16）可知，減小機(jī)器人對(duì)腸道施加的作用力可降低腸道變形引起的步距損失。因此，通過(guò)優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及使用摩擦力更小的材料以減小機(jī)器人對(duì)腸道施加的作用力可有效提高機(jī)器人在腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)效率。

4） 通過(guò)分析式（15）和式（16）可知，機(jī)器人總體長(zhǎng)度不變的同時(shí)縮短機(jī)器人兩個(gè)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)之間的長(zhǎng)度可提高運(yùn)動(dòng)效率。

4 ?實(shí) ?驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了一組離體腸道實(shí)驗(yàn)用于研究機(jī)器人在腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)效率，圖2中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的圖片均取自實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的變量為：不同的理論運(yùn)動(dòng)速度、三種離體腸道直徑。機(jī)器人理論運(yùn)動(dòng)速度的改變通過(guò)在每個(gè)運(yùn)動(dòng)步態(tài)之間插入一定的停頓時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果每個(gè)運(yùn)動(dòng)步態(tài)之間的停頓時(shí)間為[tint]，則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)一個(gè)步態(tài)循環(huán)的時(shí)間增加6[tint]。離體腸道#1的直徑為12.7 mm，離體腸道#2的直徑為15.9 mm，離體腸道#3的直徑為19.1 mm，圖6為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器人在離體腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度最低為0.62 mm/s，最高為1.29 mm/s，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率最低為34.2%，最高為63.7%。

圖6 ?機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率隨著[tint]的增加而提高，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度隨著[tint]的增加而降低。[tint]的增加將使機(jī)器人的理論運(yùn)動(dòng)速度降低，因此實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度也將降低，同時(shí)，[tint]的增加將使腸道在步態(tài)間隔有更長(zhǎng)的時(shí)間適應(yīng)擴(kuò)張機(jī)構(gòu)，有利于提高擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的駐留能力，因此可以減少因?yàn)轳v留失效導(dǎo)致的步距損失，提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。

5 ?結(jié) ?論

本文對(duì)擴(kuò)張?伸縮式機(jī)器人在腸道中的運(yùn)行效率進(jìn)行了研究，結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析了影響運(yùn)動(dòng)效率的因素。導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率降低的原因有以下幾點(diǎn)：由于機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)駐留失效導(dǎo)致的步距損失、由于腸道形變導(dǎo)致的步距損失。建立模型分析駐留失效導(dǎo)致步距損失出現(xiàn)的原因，得出減小這部分步距損失的關(guān)鍵在于增強(qiáng)機(jī)器人擴(kuò)張機(jī)構(gòu)的駐留能力;建立腸道壓縮與拉伸的模型，分別計(jì)算由于腸道壓縮與拉伸導(dǎo)致的步距損失，并得出幾點(diǎn)減小這部分步距損失的機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究機(jī)器人在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)效率的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人在離體腸道中的運(yùn)動(dòng)效率在34.2%～63.7%，實(shí)際運(yùn)行速度在0.62～1.29 mm/s，機(jī)器人在腸道中的運(yùn)動(dòng)效率隨著運(yùn)動(dòng)步態(tài)之間的時(shí)間間隔的增加而提高。本文中提出的模型和分析可對(duì)胃腸道機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。

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