人體自然腔道中診療機(jī)器人平臺的設(shè)計(jì)研制

北京理工大學(xué)附屬中學(xué) 李博陽

1.研究背景

自20世紀(jì)90年代以來，機(jī)器人技術(shù)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的結(jié)合及在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用得到了醫(yī)學(xué)與機(jī)電領(lǐng)域的高度重視。其中腔道診療機(jī)器人便是其中發(fā)展最為迅速與完善的種類之一。其歷史可以追溯到一百五十多年前。主要經(jīng)歷了硬式內(nèi)鏡、半曲式內(nèi)鏡、半導(dǎo)纖維內(nèi)鏡、電子 內(nèi)鏡4個(gè)發(fā)展階段。目前的醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要有兩種∶一是靠 柔性管引導(dǎo)從外部人為直接插入進(jìn)入人體內(nèi)腔。缺點(diǎn)是人體內(nèi)腔狹窄曲折，柔性管長距離插入有困難，有些死角位置很難到達(dá)；在插入過程中，柔性管和內(nèi)腔壁之間直接接觸摩擦有可能對人體軟 組織造成擦傷和拉傷，引起病人的嚴(yán)重不適和痛苦。二是內(nèi)嵌微 型攝像頭的膠囊內(nèi)窺鏡，膠囊進(jìn)入人體后, 通過腸胃的自蠕動在患者體內(nèi)前行。缺點(diǎn)是醫(yī)生不能控制內(nèi)窺鏡的位置；在人體特殊的內(nèi)環(huán)境中, 可能檢查不到病灶的情況。所以研究自由式的診療機(jī)器人就顯得非常重要了。并由此來打造以“低侵襲、微創(chuàng)或無創(chuàng)的手段、使患者低痛苦”為方針，實(shí)現(xiàn)對人體內(nèi)的自然腔道的一次或極少次數(shù)內(nèi)完成的集觀察，診斷，治療為一體的醫(yī)療模式。

2.目的及意義

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是研發(fā)出一款新型的腔道診療平臺，其具有高精度，以及高度可替換性且行動完全自由的特點(diǎn)。自由式診療機(jī)器人可以有效的降低患者在治療時(shí)的痛苦。其功能部原理上可搭載包括但不限于攝像頭，微型機(jī)械臂，熱療線圈等諸如此類的探測或治療模塊。這樣可以使未來的診療設(shè)備變得統(tǒng)一，只需以此平臺為基礎(chǔ)，生產(chǎn)并替換相應(yīng)的模塊即可實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目甚至于不同領(lǐng)域的探測或診療。這將有效的降低醫(yī)療器械的成本并降低患者的治療費(fèi)用。

3.裝置組成

圖一 裝置組成圖

裝置主體是由兩種，共計(jì)三個(gè)模塊組合而成。分為在兩端的支撐部和一個(gè)運(yùn)動部組成。每個(gè)支撐部各由一個(gè)單電機(jī)帶動支撐結(jié)構(gòu)。運(yùn)動部則是由一（兩）個(gè)電機(jī)帶動單（雙）絲桿傳動軸，進(jìn)行前后的水平運(yùn)動。比例原型機(jī)采用一臺EV3主機(jī)作為控制器，編程或遙控四個(gè)電機(jī)。在設(shè)計(jì)中采用了一臺樹莓派B2主板作為控制器來進(jìn)行相關(guān)控制。比例原型機(jī)采用6節(jié)1.5伏電池供電。設(shè)計(jì)主機(jī)則采用一塊5伏2.1安的蓄電池供電。

4.結(jié)構(gòu)原理

支撐部原理（如圖二到圖五）：

圖二 展開示意圖

圖三 收縮示意圖

圖四 支撐模塊實(shí)物圖

圖五 支撐模塊建模圖

由一個(gè)固定盤連接四個(gè)類L型支臂（后文簡稱為L型支臂），每個(gè)L型支臂與一根軸固連，每根軸又與一個(gè)小齒輪固連。由一個(gè)電機(jī)帶動一個(gè)大型齒輪，并由這個(gè)大齒輪帶動四個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)到，由此來實(shí)現(xiàn)L型支臂的轉(zhuǎn)動。電機(jī)由主機(jī)進(jìn)行供電。隨著L型支臂的轉(zhuǎn)動，由圖一形態(tài)變?yōu)閳D二形態(tài)時(shí)，由于L型支臂轉(zhuǎn)軸位置的原因，使其的一部分與大齒輪的一條弦重合，達(dá)到了減小其整體結(jié)構(gòu)包絡(luò)線直徑的作用，完成了收縮的過程。之所以選用L型支臂是因?yàn)樵谄淙魏握归_階段都可以達(dá)到一個(gè)比直臂更大的接觸面積，從而達(dá)到減小壓強(qiáng)的效果。同時(shí)在其設(shè)計(jì)中還在L型支臂的前端裝有微小氣囊，來達(dá)到保護(hù)人體內(nèi)柔軟腔道壁的作用。主驅(qū)動齒輪是采用了40齒的齒輪，最低可以鎖定9度的轉(zhuǎn)角，使L型支臂包絡(luò)線半徑的變化量達(dá)到約為原長度1/6左右的高精度控制，與柔性氣囊進(jìn)行配合，可以把對人體腔道壁的損害降到一個(gè)非常小的級別。進(jìn)一步保護(hù)了人體。

運(yùn)動部原理：

由兩臺1電機(jī)帶動滾珠螺桿傳動軸使平臺進(jìn)行水平方向的運(yùn)動。滾珠螺桿是一種機(jī)械的線性傳動裝置，它可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動，而幾乎沒有摩擦。螺紋軸為滾珠軸承提供螺旋形的滾道。作為一個(gè)精密的結(jié)構(gòu)，除了能夠應(yīng)用或承受高推力載荷，還可以通過其間的滾珠把滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，達(dá)到減小摩擦力的作用。這種結(jié)構(gòu)可以有效的提高精度減小錯(cuò)誤，因此適合在需要高精度的場合使用。滿足了我們對醫(yī)療平臺高精度定位的需求，使其上面掛載的機(jī)械臂等診療儀器普遍減小一個(gè)自由度，達(dá)到簡化治療模塊的需求。

圖六 運(yùn)動部整體

圖七 運(yùn)動部正視

圖八 裝置建模圖（1）

圖九 裝置建模圖（2）

圖十 裝置整體以及結(jié)構(gòu)編號圖

5.工作原理及工作步驟

進(jìn)入腔道前，AB支撐模塊均處于收縮狀態(tài)，CD運(yùn)動模塊處于收縮態(tài)。

初次啟動：

（1）先使A模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ度2，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊A處于展開的支撐模式。

（2）啟動電機(jī)CD，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動7200度，達(dá)到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機(jī)CD。

（3）使B模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ10度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B也處于展開的支撐模式。

（4）接著使模塊A內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ9度，鎖定電機(jī)，使A處于收縮狀態(tài)。

（5）啟動電機(jī)CD并使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7200度，鎖定電機(jī)，這時(shí)CD模塊處于收縮態(tài)。

（6）到此完成了該機(jī)器人原型機(jī)的初次啟動。

若將繼續(xù)行動則繼續(xù)執(zhí)行以下步驟：

（7）先使A模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ8度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊A處于展開的支撐模式。

（8）接著使模塊B內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ7度，鎖定電機(jī)，使B處于收縮狀態(tài)。

（9）啟動電機(jī)CD，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動7200度，達(dá)到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機(jī)CD。

（10）使B模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ6度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B也處于展開的支撐模式。

（11）接著使模塊A內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ5度，鎖定電機(jī)，使A處于收縮狀態(tài)。

（12）啟動電機(jī)CD并使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7200度，鎖定電機(jī)，這時(shí)CD模塊處于收縮態(tài)。

（13）到此完成了該機(jī)器人原型機(jī)啟動后的一次完整行動。

（14）若還需要繼續(xù)運(yùn)動則重復(fù)執(zhí)行7-13步。

（15）距離治療位置小于一個(gè)機(jī)身長度時(shí)，開始執(zhí)行以下16至20步驟。

（16）先使A模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ2度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊A處于展開的支撐模式。

（17）接著使模塊B內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ3度，鎖定電機(jī)，使B處于收縮狀態(tài)。

（18）啟動電機(jī)CD，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動，由攝像頭于導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合，確定最后治療位置，鎖定電機(jī)CD。

（19）使B模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ4度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B處于展開的支撐模式。

（20）開始進(jìn)行治療。

（21）若治療期間需要向前（向后）調(diào)整位置則執(zhí)行以下22至24步驟。

（22）使模塊B（A）內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ11度，鎖定電機(jī)，使B(A)處于收縮狀態(tài)。

（23）啟動電機(jī)CD，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動，由攝像頭于導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合，確定最后治療位置，鎖定電機(jī)CD。

（24）使B(A)模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ12度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B（A）處于展開的支撐模式。

（25）若結(jié)束作業(yè)，則先進(jìn)行26至31的回收部分第一步驟---變形至收縮結(jié)束開始壯態(tài)。

（26）先使B模塊內(nèi)的電機(jī)解除鎖定啟動，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動θ13度，達(dá)到收縮狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B處于收縮模式。

（27）啟動電機(jī)CD，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動，達(dá)到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機(jī)CD。

（28）使B模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ14度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B也處于展開的支撐模式。

（29）接著使模塊A內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ15度，鎖定電機(jī)，使A處于收縮狀態(tài)。

（30）啟動電機(jī)CD并使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7200度，鎖定電機(jī)，這時(shí)CD模塊處于收縮態(tài)。

（31）此時(shí)整機(jī)變?yōu)槭湛s結(jié)束開始狀態(tài)

（32）若還需要繼續(xù)運(yùn)動則執(zhí)行33-37步，直到脫離接近脫離人體。

（33）先使A模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ16度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊A處于展開的支撐模式。

（34）接著使模塊B內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ17度，鎖定電機(jī)，使B處于收縮狀態(tài)。

（35）啟動電機(jī)CD，使其順時(shí)針轉(zhuǎn)動7200度，達(dá)到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機(jī)CD。

（36）使B模塊內(nèi)的電機(jī)啟動，順時(shí)針轉(zhuǎn)動θ18度，達(dá)到展開狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊B也處于展開的支撐模式。

（37）接著使模塊A內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ19度，鎖定電機(jī)，使A處于收縮狀態(tài)。

（38）啟動電機(jī)CD并使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)7200度，鎖定電機(jī)，這時(shí)CD模塊處于收縮態(tài)。

（39）即將脫離人體時(shí)，執(zhí)行40-42步驟。

（40）先使A模塊內(nèi)的電機(jī)解鎖并啟動，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動θ20度，達(dá)到收縮狀態(tài)。鎖定電機(jī)，此時(shí)模塊A處于收縮模式。

（41）接著使模塊B內(nèi)的電機(jī)解除鎖定并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ21度，鎖定電機(jī)，使B處于收縮狀態(tài)。

（42）整個(gè)機(jī)器人處于完全收縮狀態(tài)，可由醫(yī)護(hù)人員取出或患者自行排除體外。

其流程圖如圖十一到圖十七：

圖十一 1至7步的流程圖

圖十二 8至12步的流程圖

圖十三 15至19步的流程圖

圖十四 22至24步的流程圖

圖十五 26至31步的流程圖

圖十六 33至38步的流程圖

圖十七 41至42步的流程圖

圖十八 整機(jī)外觀圖

6.原型機(jī)的控制與設(shè)計(jì)

這臺原型機(jī)采用了LEGO的EV3機(jī)器人進(jìn)行搭建。這套機(jī)器人搭建材料零件種類完善，可以盡可能的模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的編程則使用EV3的圖形編譯器，圖十八到圖二十面給出實(shí)物圖以及部分編程樣圖。

7.裝置的可行性分析

圖十九 支撐部外觀圖

這部分我們將對設(shè)計(jì)圖上的設(shè)計(jì)機(jī)體進(jìn)行討論。假設(shè)進(jìn)行人體內(nèi)的腸道治療，那么它先會以收縮態(tài)被包裹在一個(gè)膠囊中，這個(gè)膠囊可以被人體的胃液分解。進(jìn)入以后，它便可以按照工作原理中的42步程序來執(zhí)行它需要完成的任務(wù)，并且在最后以收縮態(tài)的模式脫離人體。

8.總結(jié)以及改進(jìn)

圖二十 部分程序圖（1至7步）

此臺機(jī)器作為全自由式的診療機(jī)器人，其具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高無需任何體外設(shè)備支持的特點(diǎn)。利用滾珠絲桿運(yùn)動部實(shí)現(xiàn)的精確控制，利用一種新型的旋轉(zhuǎn)固定結(jié)構(gòu)來模擬尺蠖的足部，起支撐固定作用。且診療平臺采用模塊化設(shè)計(jì)，為探測部與診療部之間的替換提供了極大的便利。使其成為一個(gè)具有高度可替換性的精確操控診療平臺，有效的減少了患者的痛苦，為腔道診療降低了成本。

但是根據(jù)設(shè)計(jì)完畢以后的繼續(xù)研究，發(fā)現(xiàn)了這款機(jī)器設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)不足之處，并思考設(shè)計(jì)了相應(yīng)的解決方案：

（1）這款機(jī)器人就算結(jié)構(gòu)簡單，但也不可能保證100%的安全，若萬一發(fā)生了停機(jī)事故，則需要進(jìn)行處理。

初步構(gòu)想的解決方案：

在其類L型支撐臂的底端加裝一段我們稱之為溶解部的模塊。其內(nèi)部中心為一段金屬電熱絲，周圍由低熔點(diǎn)pvc包裹，作為這段結(jié)構(gòu)的支持，外圍則是高比熱容的液體。由軟膠囊（非溶解性）包裹。當(dāng)發(fā)生停機(jī)時(shí)，啟動電熱絲，融化pvc管，由于重力與人體內(nèi)液體流動的原因，導(dǎo)致外圍軟膠囊發(fā)生形變或脫離斷塊，這樣可以使八個(gè)支撐臂從主題中脫離，并最終隨腸道內(nèi)的其他物質(zhì)一同排出體外。構(gòu)想圖如圖二十一：

圖二十一 熔斷模塊示意圖

（2）診療模塊的設(shè)計(jì)還是較為復(fù)雜，需要繼續(xù)增加診療平臺自由度的數(shù)量。且平臺在需要轉(zhuǎn)彎時(shí)會由于某些位置曲率過大到這8個(gè)支撐臂無法完全貼合。

初步構(gòu)想的解決方案：

在運(yùn)動部與支撐部之間一段加裝一臺電機(jī)，另一端加裝一個(gè)可以轉(zhuǎn)動以及小角度活動的萬向節(jié)，這樣可以讓運(yùn)動部上方的模塊加裝平臺自由旋轉(zhuǎn)，并且萬向節(jié)可以保證機(jī)器人在過彎時(shí)盡量與腸道臂貼合。

如果進(jìn)一步改進(jìn)并增加自由度，可以為每一個(gè)支撐臂加裝電機(jī)，使其前端可以自由活動，但就失去了平臺的簡單以及可靠性。

9.應(yīng)用前景及未來價(jià)值

“低侵襲、微創(chuàng)或無創(chuàng)的手段、使患者低痛苦”為方針，實(shí)現(xiàn)對人體內(nèi)的自然腔道的一次或極少次數(shù)內(nèi)完成的集觀察，診斷，治療為一體的醫(yī)療模式將是未來醫(yī)療的發(fā)展方向，而腔道治療中，能達(dá)到此目的的最佳方案便是全自由式診療機(jī)器人。而現(xiàn)在的全自由式診療機(jī)器人技術(shù)還未成熟，但將來一定會有攻克的時(shí)候，到那時(shí)，這種機(jī)器人必會成為焦點(diǎn)，各大公司爭先制造。而此項(xiàng)目給了大家一個(gè)可以和諧發(fā)展并一起發(fā)展的目標(biāo)，我們不需要額外去制造一些重復(fù)的部件，或是在A完成后更換B完成下一個(gè)目標(biāo)。只需要使用改診療平臺并在其上替換模塊即可。這可以有效的降低非必要的額外醫(yī)療花費(fèi)。

[1]施宏,翻譯,朱江帆.經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù):臨床應(yīng)用與未來展望.同濟(jì)大學(xué)北京微創(chuàng)醫(yī)學(xué)研究所.

[2]于蓮芝,佘國君,朱小飛,張世雷.微小氣動機(jī)器人移動FSM建模與控制.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院.

[3]WIKIPEDIA Ball screw.

[4]王希強(qiáng),蔡素文,余向陽.船閘閘門滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)的運(yùn)動及受力分析.京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處.