人體自然腔道中診療機器人平臺的設計研制

北京理工大學附屬中學 李博陽

1.研究背景

自20世紀90年代以來，機器人技術與醫學領域的結合及在生物醫療方面的應用得到了醫學與機電領域的高度重視。其中腔道診療機器人便是其中發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。主要經歷了硬式內鏡、半曲式內鏡、半導纖維內鏡、電子 內鏡4個發展階段。目前的醫用內窺鏡系統主要有兩種∶一是靠 柔性管引導從外部人為直接插入進入人體內腔。缺點是人體內腔狹窄曲折，柔性管長距離插入有困難，有些死角位置很難到達；在插入過程中，柔性管和內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，引起病人的嚴重不適和痛苦。二是內嵌微 型攝像頭的膠囊內窺鏡，膠囊進入人體后, 通過腸胃的自蠕動在患者體內前行。缺點是醫生不能控制內窺鏡的位置；在人體特殊的內環境中, 可能檢查不到病灶的情況。所以研究自由式的診療機器人就顯得非常重要了。并由此來打造以“低侵襲、微創或無創的手段、使患者低痛苦”為方針，實現對人體內的自然腔道的一次或極少次數內完成的集觀察，診斷，治療為一體的醫療模式。

2.目的及意義

本項目的設計是研發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。自由式診療機器人可以有效的降低患者在治療時的痛苦。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備變得統一，只需以此平臺為基礎，生產并替換相應的模塊即可實現不同項目甚至于不同領域的探測或診療。這將有效的降低醫療器械的成本并降低患者的治療費用。

3.裝置組成

圖一 裝置組成圖

裝置主體是由兩種，共計三個模塊組合而成。分為在兩端的支撐部和一個運動部組成。每個支撐部各由一個單電機帶動支撐結構。運動部則是由一（兩）個電機帶動單（雙）絲桿傳動軸，進行前后的水平運動。比例原型機采用一臺EV3主機作為控制器，編程或遙控四個電機。在設計中采用了一臺樹莓派B2主板作為控制器來進行相關控制。比例原型機采用6節1.5伏電池供電。設計主機則采用一塊5伏2.1安的蓄電池供電。

4.結構原理

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 支撐模塊實物圖

圖五 支撐模塊建模圖

由一個固定盤連接四個類L型支臂（后文簡稱為L型支臂），每個L型支臂與一根軸固連，每根軸又與一個小齒輪固連。由一個電機帶動一個大型齒輪，并由這個大齒輪帶動四個小齒輪轉到，由此來實現L型支臂的轉動。電機由主機進行供電。隨著L型支臂的轉動，由圖一形態變為圖二形態時，由于L型支臂轉軸位置的原因，使其的一部分與大齒輪的一條弦重合，達到了減小其整體結構包絡線直徑的作用，完成了收縮的過程。之所以選用L型支臂是因為在其任何展開階段都可以達到一個比直臂更大的接觸面積，從而達到減小壓強的效果。同時在其設計中還在L型支臂的前端裝有微小氣囊，來達到保護人體內柔軟腔道壁的作用。主驅動齒輪是采用了40齒的齒輪，最低可以鎖定9度的轉角，使L型支臂包絡線半徑的變化量達到約為原長度1/6左右的高精度控制，與柔性氣囊進行配合，可以把對人體腔道壁的損害降到一個非常小的級別。進一步保護了人體。

運動部原理：

由兩臺1電機帶動滾珠螺桿傳動軸使平臺進行水平方向的運動。滾珠螺桿是一種機械的線性傳動裝置，它可以將旋轉運動轉化為線性運動，而幾乎沒有摩擦。螺紋軸為滾珠軸承提供螺旋形的滾道。作為一個精密的結構，除了能夠應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化為滾動摩擦，達到減小摩擦力的作用。這種結構可以有效的提高精度減小錯誤，因此適合在需要高精度的場合使用。滿足了我們對醫療平臺高精度定位的需求，使其上面掛載的機械臂等診療儀器普遍減小一個自由度，達到簡化治療模塊的需求。

圖六 運動部整體

圖七 運動部正視

圖八 裝置建模圖（1）

圖九 裝置建模圖（2）

圖十 裝置整體以及結構編號圖

5.工作原理及工作步驟

進入腔道前，AB支撐模塊均處于收縮狀態，CD運動模塊處于收縮態。

初次啟動：

（1）先使A模塊內的電機啟動，順時針轉動θ度2，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊A處于展開的支撐模式。

（2）啟動電機CD，使其順時針轉動7200度，達到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機CD。

（3）使B模塊內的電機啟動，順時針轉動θ10度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊B也處于展開的支撐模式。

（4）接著使模塊A內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ9度，鎖定電機，使A處于收縮狀態。

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

（6）到此完成了該機器人原型機的初次啟動。

若將繼續行動則繼續執行以下步驟：

（7）先使A模塊內的電機啟動，順時針轉動θ8度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊A處于展開的支撐模式。

（8）接著使模塊B內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ7度，鎖定電機，使B處于收縮狀態。

（9）啟動電機CD，使其順時針轉動7200度，達到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機CD。

（10）使B模塊內的電機啟動，順時針轉動θ6度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊B也處于展開的支撐模式。

（11）接著使模塊A內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ5度，鎖定電機，使A處于收縮狀態。

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

（13）到此完成了該機器人原型機啟動后的一次完整行動。

（14）若還需要繼續運動則重復執行7-13步。

（15）距離治療位置小于一個機身長度時，開始執行以下16至20步驟。

（16）先使A模塊內的電機啟動，順時針轉動θ2度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊A處于展開的支撐模式。

（17）接著使模塊B內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ3度，鎖定電機，使B處于收縮狀態。

（18）啟動電機CD，使其順時針轉動，由攝像頭于導航系統的結合，確定最后治療位置，鎖定電機CD。

（19）使B模塊內的電機啟動，順時針轉動θ4度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊B處于展開的支撐模式。

（20）開始進行治療。

（21）若治療期間需要向前（向后）調整位置則執行以下22至24步驟。

（22）使模塊B（A）內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ11度，鎖定電機，使B(A)處于收縮狀態。

（23）啟動電機CD，使其順時針轉動，由攝像頭于導航系統的結合，確定最后治療位置，鎖定電機CD。

（24）使B(A)模塊內的電機啟動，順時針轉動θ12度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊B（A）處于展開的支撐模式。

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

（26）先使B模塊內的電機解除鎖定啟動，逆時針轉動θ13度，達到收縮狀態。鎖定電機，此時模塊B處于收縮模式。

（27）啟動電機CD，使其順時針轉動，達到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機CD。

（28）使B模塊內的電機啟動，順時針轉動θ14度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊B也處于展開的支撐模式。

（29）接著使模塊A內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ15度，鎖定電機，使A處于收縮狀態。

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

（31）此時整機變為收縮結束開始狀態

（32）若還需要繼續運動則執行33-37步，直到脫離接近脫離人體。

（33）先使A模塊內的電機啟動，順時針轉動θ16度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊A處于展開的支撐模式。

（34）接著使模塊B內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ17度，鎖定電機，使B處于收縮狀態。

（35）啟動電機CD，使其順時針轉動7200度，達到螺桿傳動軸的最大伸長距離，鎖定電機CD。

（36）使B模塊內的電機啟動，順時針轉動θ18度，達到展開狀態。鎖定電機，此時模塊B也處于展開的支撐模式。

（37）接著使模塊A內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ19度，鎖定電機，使A處于收縮狀態。

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

（39）即將脫離人體時，執行40-42步驟。

（40）先使A模塊內的電機解鎖并啟動，逆時針轉動θ20度，達到收縮狀態。鎖定電機，此時模塊A處于收縮模式。

（41）接著使模塊B內的電機解除鎖定并逆時針旋轉θ21度，鎖定電機，使B處于收縮狀態。

（42）整個機器人處于完全收縮狀態，可由醫護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 整機外觀圖

6.原型機的控制與設計

這臺原型機采用了LEGO的EV3機器人進行搭建。這套機器人搭建材料零件種類完善，可以盡可能的模擬真實結構。機器人的編程則使用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

這部分我們將對設計圖上的設計機體進行討論。假設進行人體內的腸道治療，那么它先會以收縮態被包裹在一個膠囊中，這個膠囊可以被人體的胃液分解。進入以后，它便可以按照工作原理中的42步程序來執行它需要完成的任務，并且在最后以收縮態的模式脫離人體。

8.總結以及改進

圖二十 部分程序圖（1至7步）

此臺機器作為全自由式的診療機器人，其具有結構簡單，可靠性高無需任何體外設備支持的特點。利用滾珠絲桿運動部實現的精確控制，利用一種新型的旋轉固定結構來模擬尺蠖的足部，起支撐固定作用。且診療平臺采用模塊化設計，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。

但是根據設計完畢以后的繼續研究，發現了這款機器設計中的幾點不足之處，并思考設計了相應的解決方案：

（1）這款機器人就算結構簡單，但也不可能保證100%的安全，若萬一發生了停機事故，則需要進行處理。

初步構想的解決方案：

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。其內部中心為一段金屬電熱絲，周圍由低熔點pvc包裹，作為這段結構的支持，外圍則是高比熱容的液體。由軟膠囊（非溶解性）包裹。當發生停機時，啟動電熱絲，融化pvc管，由于重力與人體內液體流動的原因，導致外圍軟膠囊發生形變或脫離斷塊，這樣可以使八個支撐臂從主題中脫離，并最終隨腸道內的其他物質一同排出體外。構想圖如圖二十一：

圖二十一 熔斷模塊示意圖

（2）診療模塊的設計還是較為復雜，需要繼續增加診療平臺自由度的數量。且平臺在需要轉彎時會由于某些位置曲率過大到這8個支撐臂無法完全貼合。

初步構想的解決方案：

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

如果進一步改進并增加自由度，可以為每一個支撐臂加裝電機，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.應用前景及未來價值

“低侵襲、微創或無創的手段、使患者低痛苦”為方針，實現對人體內的自然腔道的一次或極少次數內完成的集觀察，診斷，治療為一體的醫療模式將是未來醫療的發展方向，而腔道治療中，能達到此目的的最佳方案便是全自由式診療機器人。而現在的全自由式診療機器人技術還未成熟，但將來一定會有攻克的時候，到那時，這種機器人必會成為焦點，各大公司爭先制造。而此項目給了大家一個可以和諧發展并一起發展的目標，我們不需要額外去制造一些重復的部件，或是在A完成后更換B完成下一個目標。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療花費。

[1]施宏,翻譯,朱江帆.經自然腔道內鏡手術:臨床應用與未來展望.同濟大學北京微創醫學研究所.

[2]于蓮芝,佘國君,朱小飛,張世雷.微小氣動機器人移動FSM建模與控制.上海理工大學光電信息與計算機工程學院.

[3]WIKIPEDIA Ball screw.

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