人体自然腔道中诊疗机器人平台的设计研制

北京理工大学附属中学 李博阳

1.研究背景

自20世纪90年代以来，机器人技术与医学领域的结合及在生物医疗方面的应用得到了医学与机电领域的高度重视。其中腔道诊疗机器人便是其中发展最为迅速与完善的种类之一。其历史可以追溯到一百五十多年前。主要经历了硬式内镜、半曲式内镜、半导纤维内镜、电子 内镜4个发展阶段。目前的医用内窥镜系统主要有两种∶一是靠 柔性管引导从外部人为直接插入进入人体内腔。缺点是人体内腔狭窄曲折，柔性管长距离插入有困难，有些死角位置很难到达；在插入过程中，柔性管和内腔壁之间直接接触摩擦有可能对人体软 组织造成擦伤和拉伤，引起病人的严重不适和痛苦。二是内嵌微 型摄像头的胶囊内窥镜，胶囊进入人体后, 通过肠胃的自蠕动在患者体内前行。缺点是医生不能控制内窥镜的位置；在人体特殊的内环境中, 可能检查不到病灶的情况。所以研究自由式的诊疗机器人就显得非常重要了。并由此来打造以“低侵袭、微创或无创的手段、使患者低痛苦”为方针，实现对人体内的自然腔道的一次或极少次数内完成的集观察，诊断，治疗为一体的医疗模式。

2.目的及意义

本项目的设计是研发出一款新型的腔道诊疗平台，其具有高精度，以及高度可替换性且行动完全自由的特点。自由式诊疗机器人可以有效的降低患者在治疗时的痛苦。其功能部原理上可搭载包括但不限于摄像头，微型机械臂，热疗线圈等诸如此类的探测或治疗模块。这样可以使未来的诊疗设备变得统一，只需以此平台为基础，生产并替换相应的模块即可实现不同项目甚至于不同领域的探测或诊疗。这将有效的降低医疗器械的成本并降低患者的治疗费用。

3.装置组成

图一 装置组成图

装置主体是由两种，共计三个模块组合而成。分为在两端的支撑部和一个运动部组成。每个支撑部各由一个单电机带动支撑结构。运动部则是由一（两）个电机带动单（双）丝杆传动轴，进行前后的水平运动。比例原型机采用一台EV3主机作为控制器，编程或遥控四个电机。在设计中采用了一台树莓派B2主板作为控制器来进行相关控制。比例原型机采用6节1.5伏电池供电。设计主机则采用一块5伏2.1安的蓄电池供电。

4.结构原理

支撑部原理（如图二到图五）：

图二 展开示意图

图三 收缩示意图

图四 支撑模块实物图

图五 支撑模块建模图

由一个固定盘连接四个类L型支臂（后文简称为L型支臂），每个L型支臂与一根轴固连，每根轴又与一个小齿轮固连。由一个电机带动一个大型齿轮，并由这个大齿轮带动四个小齿轮转到，由此来实现L型支臂的转动。电机由主机进行供电。随着L型支臂的转动，由图一形态变为图二形态时，由于L型支臂转轴位置的原因，使其的一部分与大齿轮的一条弦重合，达到了减小其整体结构包络线直径的作用，完成了收缩的过程。之所以选用L型支臂是因为在其任何展开阶段都可以达到一个比直臂更大的接触面积，从而达到减小压强的效果。同时在其设计中还在L型支臂的前端装有微小气囊，来达到保护人体内柔软腔道壁的作用。主驱动齿轮是采用了40齿的齿轮，最低可以锁定9度的转角，使L型支臂包络线半径的变化量达到约为原长度1/6左右的高精度控制，与柔性气囊进行配合，可以把对人体腔道壁的损害降到一个非常小的级别。进一步保护了人体。

运动部原理：

由两台1电机带动滚珠螺杆传动轴使平台进行水平方向的运动。滚珠螺杆是一种机械的线性传动装置，它可以将旋转运动转化为线性运动，而几乎没有摩擦。螺纹轴为滚珠轴承提供螺旋形的滚道。作为一个精密的结构，除了能够应用或承受高推力载荷，还可以通过其间的滚珠把滑动摩擦转化为滚动摩擦，达到减小摩擦力的作用。这种结构可以有效的提高精度减小错误，因此适合在需要高精度的场合使用。满足了我们对医疗平台高精度定位的需求，使其上面挂载的机械臂等诊疗仪器普遍减小一个自由度，达到简化治疗模块的需求。

图六 运动部整体

图七 运动部正视

图八 装置建模图（1）

图九 装置建模图（2）

图十 装置整体以及结构编号图

5.工作原理及工作步骤

进入腔道前，AB支撑模块均处于收缩状态，CD运动模块处于收缩态。

初次启动：

（1）先使A模块内的电机启动，顺时针转动θ度2，达到展开状态。锁定电机，此时模块A处于展开的支撑模式。

（2）启动电机CD，使其顺时针转动7200度，达到螺杆传动轴的最大伸长距离，锁定电机CD。

（3）使B模块内的电机启动，顺时针转动θ10度，达到展开状态。锁定电机，此时模块B也处于展开的支撑模式。

（4）接着使模块A内的电机解除锁定并逆时针旋转θ9度，锁定电机，使A处于收缩状态。

（5）启动电机CD并使其逆时针旋转7200度，锁定电机，这时CD模块处于收缩态。

（6）到此完成了该机器人原型机的初次启动。

若将继续行动则继续执行以下步骤：

（7）先使A模块内的电机启动，顺时针转动θ8度，达到展开状态。锁定电机，此时模块A处于展开的支撑模式。

（8）接着使模块B内的电机解除锁定并逆时针旋转θ7度，锁定电机，使B处于收缩状态。

（9）启动电机CD，使其顺时针转动7200度，达到螺杆传动轴的最大伸长距离，锁定电机CD。

（10）使B模块内的电机启动，顺时针转动θ6度，达到展开状态。锁定电机，此时模块B也处于展开的支撑模式。

（11）接着使模块A内的电机解除锁定并逆时针旋转θ5度，锁定电机，使A处于收缩状态。

（12）启动电机CD并使其逆时针旋转7200度，锁定电机，这时CD模块处于收缩态。

（13）到此完成了该机器人原型机启动后的一次完整行动。

（14）若还需要继续运动则重复执行7-13步。

（15）距离治疗位置小于一个机身长度时，开始执行以下16至20步骤。

（16）先使A模块内的电机启动，顺时针转动θ2度，达到展开状态。锁定电机，此时模块A处于展开的支撑模式。

（17）接着使模块B内的电机解除锁定并逆时针旋转θ3度，锁定电机，使B处于收缩状态。

（18）启动电机CD，使其顺时针转动，由摄像头于导航系统的结合，确定最后治疗位置，锁定电机CD。

（19）使B模块内的电机启动，顺时针转动θ4度，达到展开状态。锁定电机，此时模块B处于展开的支撑模式。

（20）开始进行治疗。

（21）若治疗期间需要向前（向后）调整位置则执行以下22至24步骤。

（22）使模块B（A）内的电机解除锁定并逆时针旋转θ11度，锁定电机，使B(A)处于收缩状态。

（23）启动电机CD，使其顺时针转动，由摄像头于导航系统的结合，确定最后治疗位置，锁定电机CD。

（24）使B(A)模块内的电机启动，顺时针转动θ12度，达到展开状态。锁定电机，此时模块B（A）处于展开的支撑模式。

（25）若结束作业，则先进行26至31的回收部分第一步骤---变形至收缩结束开始壮态。

（26）先使B模块内的电机解除锁定启动，逆时针转动θ13度，达到收缩状态。锁定电机，此时模块B处于收缩模式。

（27）启动电机CD，使其顺时针转动，达到螺杆传动轴的最大伸长距离，锁定电机CD。

（28）使B模块内的电机启动，顺时针转动θ14度，达到展开状态。锁定电机，此时模块B也处于展开的支撑模式。

（29）接着使模块A内的电机解除锁定并逆时针旋转θ15度，锁定电机，使A处于收缩状态。

（30）启动电机CD并使其逆时针旋转7200度，锁定电机，这时CD模块处于收缩态。

（31）此时整机变为收缩结束开始状态

（32）若还需要继续运动则执行33-37步，直到脱离接近脱离人体。

（33）先使A模块内的电机启动，顺时针转动θ16度，达到展开状态。锁定电机，此时模块A处于展开的支撑模式。

（34）接着使模块B内的电机解除锁定并逆时针旋转θ17度，锁定电机，使B处于收缩状态。

（35）启动电机CD，使其顺时针转动7200度，达到螺杆传动轴的最大伸长距离，锁定电机CD。

（36）使B模块内的电机启动，顺时针转动θ18度，达到展开状态。锁定电机，此时模块B也处于展开的支撑模式。

（37）接着使模块A内的电机解除锁定并逆时针旋转θ19度，锁定电机，使A处于收缩状态。

（38）启动电机CD并使其逆时针旋转7200度，锁定电机，这时CD模块处于收缩态。

（39）即将脱离人体时，执行40-42步骤。

（40）先使A模块内的电机解锁并启动，逆时针转动θ20度，达到收缩状态。锁定电机，此时模块A处于收缩模式。

（41）接着使模块B内的电机解除锁定并逆时针旋转θ21度，锁定电机，使B处于收缩状态。

（42）整个机器人处于完全收缩状态，可由医护人员取出或患者自行排除体外。

其流程图如图十一到图十七：

图十一 1至7步的流程图

图十二 8至12步的流程图

图十三 15至19步的流程图

图十四 22至24步的流程图

图十五 26至31步的流程图

图十六 33至38步的流程图

图十七 41至42步的流程图

图十八 整机外观图

6.原型机的控制与设计

这台原型机采用了LEGO的EV3机器人进行搭建。这套机器人搭建材料零件种类完善，可以尽可能的模拟真实结构。机器人的编程则使用EV3的图形编译器，图十八到图二十面给出实物图以及部分编程样图。

7.装置的可行性分析

图十九 支撑部外观图

这部分我们将对设计图上的设计机体进行讨论。假设进行人体内的肠道治疗，那么它先会以收缩态被包裹在一个胶囊中，这个胶囊可以被人体的胃液分解。进入以后，它便可以按照工作原理中的42步程序来执行它需要完成的任务，并且在最后以收缩态的模式脱离人体。

8.总结以及改进

图二十 部分程序图（1至7步）

此台机器作为全自由式的诊疗机器人，其具有结构简单，可靠性高无需任何体外设备支持的特点。利用滚珠丝杆运动部实现的精确控制，利用一种新型的旋转固定结构来模拟尺蠖的足部，起支撑固定作用。且诊疗平台采用模块化设计，为探测部与诊疗部之间的替换提供了极大的便利。使其成为一个具有高度可替换性的精确操控诊疗平台，有效的减少了患者的痛苦，为腔道诊疗降低了成本。

但是根据设计完毕以后的继续研究，发现了这款机器设计中的几点不足之处，并思考设计了相应的解决方案：

（1）这款机器人就算结构简单，但也不可能保证100%的安全，若万一发生了停机事故，则需要进行处理。

初步构想的解决方案：

在其类L型支撑臂的底端加装一段我们称之为溶解部的模块。其内部中心为一段金属电热丝，周围由低熔点pvc包裹，作为这段结构的支持，外围则是高比热容的液体。由软胶囊（非溶解性）包裹。当发生停机时，启动电热丝，融化pvc管，由于重力与人体内液体流动的原因，导致外围软胶囊发生形变或脱离断块，这样可以使八个支撑臂从主题中脱离，并最终随肠道内的其他物质一同排出体外。构想图如图二十一：

图二十一 熔断模块示意图

（2）诊疗模块的设计还是较为复杂，需要继续增加诊疗平台自由度的数量。且平台在需要转弯时会由于某些位置曲率过大到这8个支撑臂无法完全贴合。

初步构想的解决方案：

在运动部与支撑部之间一段加装一台电机，另一端加装一个可以转动以及小角度活动的万向节，这样可以让运动部上方的模块加装平台自由旋转，并且万向节可以保证机器人在过弯时尽量与肠道臂贴合。

如果进一步改进并增加自由度，可以为每一个支撑臂加装电机，使其前端可以自由活动，但就失去了平台的简单以及可靠性。

9.应用前景及未来价值

“低侵袭、微创或无创的手段、使患者低痛苦”为方针，实现对人体内的自然腔道的一次或极少次数内完成的集观察，诊断，治疗为一体的医疗模式将是未来医疗的发展方向，而腔道治疗中，能达到此目的的最佳方案便是全自由式诊疗机器人。而现在的全自由式诊疗机器人技术还未成熟，但将来一定会有攻克的时候，到那时，这种机器人必会成为焦点，各大公司争先制造。而此项目给了大家一个可以和谐发展并一起发展的目标，我们不需要额外去制造一些重复的部件，或是在A完成后更换B完成下一个目标。只需要使用改诊疗平台并在其上替换模块即可。这可以有效的降低非必要的额外医疗花费。

[1]施宏,翻译,朱江帆.经自然腔道内镜手术:临床应用与未来展望.同济大学北京微创医学研究所.

[2]于莲芝,佘国君,朱小飞,张世雷.微小气动机器人移动FSM建模与控制.上海理工大学光电信息与计算机工程学院.

[3]WIKIPEDIA Ball screw.

[4]王希强,蔡素文,余向阳.船闸闸门滚珠丝杆传动式启闭机的运动及受力分析.京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处.