机器人主动内窥镜的自动介入技术初探

    0  引言

    用机器人技术改造内窥镜是国际上医疗机器人领域研究的一个热点课题。日本研制的一种多单元内窥镜，采用蛇行游动原理，使整个机构以一种相似的弯曲状态实现避障功能L’];美国卡内基梅隆大学研制的一种可变硬度的内窥镜，使内窥镜在移动过程中，能够在柔性与刚性之间转换;意大利比萨大学研究的一种自动关节内窥镜控制前端弯转机构，由直流电机嵌人内窥镜的操作端，控制前端的一个自由度，同时，利用微型传感器测量前端的弯转角度和前端对人体组织的作用力。国内对此的研究也展开较多，上海交通大学研制了一种全方向蠕动驱动机构驱动内窥镜系统〔4，和一种前端可自动操作内窥镜系统工5〕，都在某种程度上实现了内窥镜的自动介人。目前，传统内窥纤维镜的介人方式主要依靠操作人员的外部推力介人到人体被检腔道中。为提高内窥镜的智能化程度，有必要研究机器人内窥镜的自动介人技术。作者主要从自动介人机构的机械本体设计入手，设计了两种内窥镜的自动介人装置，一种是利用摩擦轮机构实现内窥镜的连续介人，另一种是利用导轨抓手机构实现内窥镜的间歇介人。在装置上配加相应的编码器、传感器，可以实时获取内窥镜的介人长度以及介人力的大小等。

    1  连续介入机构及其性能分析

    1.1  连续介入机构原理

    图1是该机构的原理图。利用直流电机和减速模块，带动一对同样大小的齿轮传动，两根齿轮上分别固定一个同样大小的摩擦轮，内窥镜夹持在两摩擦轮之间，依靠摩擦轮和内窥镜表面之间的摩擦力，实现内窥镜的连续介人。

    通过螺杆调整两摩擦轮之间的间隙，可以改变介人力大小。在装置外壁安装光电码盘，实时获取内窥镜的介人长度。

    1.2  夹紧力与送进力的关系实验及分析

    该机构介人力的调整，是依靠丝杠螺母传动，调整两个摩擦轮之间的距离来实现的。摩擦轮之间的距离愈小，摩擦轮和内窥镜之间的摩擦力愈大，介人力愈大。为了得到夹紧螺栓的旋转圈数和介人力大小之间的确切关系，通过实验测定了一组数据。实验数据证明，螺栓旋紧圈数愈多，介人力愈大。具体关系如图2所示。

    2  间歇送进机构

    2.1 机构原理

    间隙送进机构利用电磁铁的吸合，完成机械手的开合动作。利用步进电机、丝杠螺母和滑动导轨实现机械手的前进后退。利用步进电机和齿轮传动，实现机械手的旋转。共有两个机械手，其中一个固定在外壁上，另外一个固定在导轨滑块上，两个机械手配合完成内窥镜的间隙式旋转介人。图3为整体结构图，右旋转体、左旋转体和大齿轮，通过6根支杆、连接块、紧定螺钉、弹簧垫圈和螺母等固接成一体。滑动导轨通过导轨支板安放在两根支撑连接杆上。一只机械手固定在轴承支板上，另外一只机械手固定在导轨滑块上，通过步进电机带动一对传动齿轮、利用丝杠螺母，实现抓手在导轨上的前进后退。步进电机带动齿轮传动，使大齿轮、左右旋转体、连接杆、导轨和机械手整体绕机械手中心旋转，实现机械手的旋转介人。