仿生介入机器人的运动性能

第 32卷第 3期 2010年 5月 机器人 ROBOT Vol.32, No.3May, 2010 DOI：10.3724/SP.J.1218.2010.00414 仿生介入机器人的运动性能 陈 柏 1，陈 笋 2，蒋素荣 3，吴洪涛 1 （1.南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室，江苏 南京 210016； 2.上海交通大学医学院附属新华医院，上海 200092； 3.南京航空航天大学理学院，江苏 南京 210016） 摘 要：针对弯曲多变的生物管腔，基于腹足动物运动机理，提出一种新型仿生介入机器人．通过理论建模及 实验手段， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 管腔内壁表面特性、控制磁流变液固化的磁场强度、管腔蠕动、动压润滑膜减阻效果、直线电机运动 方向变化频率对机器人运动性能的影响．结果表明：动压润滑膜能有效减小运动过程中的阻力；管壁内表面特性、 控制磁流变液固化的磁场强度是影响机体与管道壁啮合效果的重要因素；直线电机运动方向的变化频率将影响机器 人的运动性能；机器人能一定程度顺应管腔的自主或受迫小幅波动；当波动幅度较大时，机器人运动效率将大大降 低． 关键词：运动性能；磁流变液；介入机器人；仿生 中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2010)-03-0414-05 Motion Performances of a Bionic Interventional Micro Robot CHEN Bai1，CHEN Sun2，JIANG Surong3，WU Hongtao1 (1. Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Xinhua Hospital, Medical School of Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200092, China; 3. College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China) Abstract: On the basis of the motion methods of gastropod, a new bionic interventional micro robot is presented for the environment of winding and volatile biological lumen. The factors which can affect the motion performances, such as the lumen’s inner surface behaviour, the intensity of magnetic field to control the rheological behavior of magnetorheological fluid (MRF), the peristalsis of the lumen, the functions of the hydrodynamic lubrication film to reduce the resistance, and the motion direction change frequency of the linear driving motor, are studied experimentally and theoretically. The results show that the formed hydrodynamic lubrication film can reduce the motion resistance efficiently; the lumen’s inner surface behaviour and the intensity of magnetic field to control the rheological behavior of magnetorheological fluid are the two important factors which can affect the meshing effect between the robot body and the lumens; the motion direction change frequency of the linear driving motor will act on the motion performance of the robot; the robot can move with some adaptability when the lumen’s fluctuation range is very small; the large range fluctuation will cause the quick decline of the robot’s motion efficiency. Keywords: motion performance; magnetorheological fluid (MRF); interventional micro robot; bionic 1 引言（Introduction） 机器人驱动的主动介入诊疗系统是微创介入诊 疗设备研发的热点研究方向，它的成功应用将有效 减少现有插管式介入诊疗手术的盲区（比如人体小 肠段），大大降低手术过程中由于器械对人体管腔 内壁的摩擦造成的损伤 [1]．主动介入系统的重要环 节——介入机器人——研究意义重大． 当前，介入机器人应用背景正由消化道等大尺 寸、安全性要求不太严苛的生物管腔，逐步向血管、 尿管等小尺寸管腔发展．机器人驱动机理主要以仿 蛇、蚯蚓、尺蠖等软体动物蠕动推进为主 [2-4]．蠕动 推进所需的轴向驱动力主要依靠机体与管腔的径向 支撑或摩擦而获得．对蠕动机器人而言，如何有效 减小机器人运动时的摩擦对管腔造成的损伤、提高 机器人方向调整的灵活性将是该类机器人成功应用 的关键．针对血管、尿管等充满液体介质的尺寸更 小的管腔，游动式介入机器人的研究刚刚起步．如 何满足尺寸要求并有效地抵抗流体冲击成为该类介 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50605033）． 通讯作者：陈笋，Chengsun@hotmail.com 收稿／录用／修回：2009-06-15/2009-07-08/2009-08-27 414 第 32卷第 3期 陈 柏等：仿生介入机器人的运动性能 415 入机器人研究的难点 [5-8]． 腹足动物（如帽贝和蜗牛）具有良好的抗流体 冲击能力和爬坡能力，所分泌的黏液能有效避免运 动过程中与环境表面的摩擦．本文基于其运动机理 提出了一种新型仿生介入机器人．为分析机器人在 生物管腔中运行的可行性并优化仿生 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，面 向模仿腹足动物运动的介入机器人，对影响其运动 性能的几个主要因素展开了研究． 2 介入机器人仿生驱动机理（The bionic driving mechanism of the interventional robot） 腹足动物能有效地抗击流体的冲击，并能在接 近 90◦ 坡面上爬行．腹足动物良好的运动性能源于 足底分泌的黏液在足底不同区域内分别呈现固相与 液相，并且固液两相间的变化是可逆的：静态时，足 底黏液呈固态，将腹足与环境壁面有效地粘合在一 起，以抗击流体冲击及克服自身重力；当腹足动物 运动时，足面沿着前进方向会形成 12到 17个轴向 肌肉波动，波动从腹足后区向前传播，直到腹足前 端，波动耗散；在肌波沿轴向传播的过程中，在波动 的前沿，黏液受力屈服，会变为液态，液态的黏液有 效地减小或避免腹足动物蠕动过程中对环境壁面的 摩擦；肌波所过之处，黏液快速恢复成弹性固体．随 着足底肌波的发生及轴向传播，黏液在固液两相间 交替变化，生物体向前蠕动 [9]． 依据腹足动物运动机理， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出如图 1所示的 仿生介入机器人．利用环境液体介质，结合动压润 滑效应来实现黏液液化减阻功能的模拟；利用磁流 变液（MRF）在磁场作用下会迅速固化而失去流动 性，撤去磁场后能马上恢复流动性这一特点 [10]，并 借助管腔内壁的不平整性，在不遗留任何外部物质 于体内的基础上，实现黏液“固化粘合固定”功能的 模拟；用直线电机模拟足面肌肉波动的产生及轴向 传递． 该机器人由前舱单元及推进单元组成．前舱单 元主要包括舱体、视觉模块、电磁吸盘及 MRF包； 推进单元由直线电机、与前舱单元类似的电磁吸盘 及 MRF包组成．两个功能单元中，MRF包均高于 舱体轮廓，因而，整体看，两个功能单元外形均为阶 梯式． 控制直线电机，使其主轴向外伸张，同时控制推 进单元中的 MRF使其固化，而前舱单元中的 MRF 保持液态不变．由于推进单元中的MRF固化，MRF 包与表面不平整的管道壁形成啮合效应，故而推进 单元保持不动；直线电机伸张迫使前舱单元切向运 动，机体与管壁之间为收敛的楔形，形成动压润滑 膜并将机器人与管道隔开，实现了前舱单元前进过 程中的有效减阻功能．直线电机主轴伸张量达到最 大后收缩，同时使前舱单元中的MRF固化而推进单 元中的MRF液化，则前舱单元由于与管道壁啮合而 保持不动，推进单元则由于动压效应而顺利前进一 段距离．随着直线电机周期性地伸张及收缩，以及 磁流变液周期性地固化与液化，机器人实现正向或 反向运动． 图 1 介入机器人结构示意图 Fig.1 Structure diagram of the interventional robot 3 机器人运动性能（Motion performance of the robot） 依据机器人运动机理可知，影响机器人运动性 能的主要因素有：黏液及肌波功能仿真，运行管道 表面形貌，管道蠕动与变形．为此，针对机器人运动 性能的分析与研究将就上述几个因素展开． 3.1 动压润滑膜减阻效果分析 在机器人仿生设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中，对腹足动物的液状 黏液润滑功能的模拟通过阶梯形机体与管壁间形成 的动压润滑效应来实现．动压润滑膜的减阻效果关 键在于形成的最小黏液膜厚度．本文利用高速 CCD 来拍摄前舱单元在直线电机推动下在充满甲基硅 油（粘度为 93.3 mPa·s）的平直管道中运行时形成的 黏液膜，并以标准尺寸样件为参照，测定最小黏液 膜厚度． 最小黏液膜厚度测定实验所用的机器人前舱单 元总长 60 mm，MRF包比铝质舱体高 1 mm，其轴 向长度为 40 mm，机体半径为 14 mm，前舱单元重 0.96 N．前舱单元在直线电机的推进下，以不同的线 速度在内半径为 17 mm的平直透明橡胶管中运行． 图 2给出了直线电机伸张速度 Vn 不同时，机体 与管道间最小黏液膜厚度 h0 的变化曲线．实验中， 直线电机输出轴伸张与收缩速度相等．由图 2可知， 416 机 器 人 2010年 5月 随着电机伸缩速度增大，最小黏液膜厚度逐渐增大． 而基于文 [1]理论模型的最小黏液膜厚度理论值与 实验值能较好地吻合． 图 2 最小黏液膜厚度随直线马达伸缩速度变化曲线 Fig.2 The change curve of the minimal thickness of mucus film varying with the stretching speed of linear motor 阶梯型机体沿管道某一方向运动对应于收敛的 楔形，沿相反方向运动则对应于发散的楔形．两种 状态分别对应于有动压润滑膜与无动压润滑膜两种 不同的摩擦状态．为此，我们将离体猪小肠拉伸、延 展并黏附于有机玻璃管道内壁，管道内充满甲基硅 油，推动机体在轴向分别做正、反向运动，从而研究 动压润滑膜的减阻效果．结果表明：在其中一个方 向，机体匀速运动所受阻力约为前舱单元总重量的 0.04倍；而在另一个方向运行时，对应的运动阻力 达到总重量的 0.4倍．动压润滑膜减阻效果十分明 显． 3.2 黏液粘合固定功能模拟效果分析 机器人对腹足动物黏液粘合功能的模拟是通过 MRF包在磁场作用下固化并与管道啮合来实现的． 磁流变液包与管壁啮合状态如图 3所示． 影响啮合状态的关键因素有：管道表面特性、 磁流变液特性、磁场特性．为此，我们对上述几个因 素对啮合效应的影响分别展开研究． 图 3 机器人与管壁啮合状态 Fig.3 The meshing state of the micro robot and the tube wall 3.2.1 管壁形貌数学描述 本文选用管壁内半径算术平均偏差和轴向波动 平均波长来描述平均半径为 R、长度为 L的管道内 壁的形貌特征． 定义管壁内半径算术平均偏差 Ra 为： Ra = 1 n n ∑ i=1 |yi| (1) 其中，n为采样点的数量，yi 为截面半径方向的断面 深度． 轴向波动平均波长 La 为： La = 2pi Ra Da (2) 其中 Da 为管壁面截面坡度的算术均值： Da = 1 n n ∑ i=1 ∣∣∣∣∆y∆x ∣∣∣∣ (3) ∆y = yi+1− yi，∆x = xi+1− xi，xi 为截面轴向坐标． 3.2.2 MRF包控制磁场分析 磁流变液控制磁场由尺寸为 φ 25.5 mm×20 mm 的电磁吸盘产生磁场．吸盘磁芯的材料为铁—钴— 钒—钢，其尺寸为 φ 9.5 mm×20 mm；线圈匝数 N = 450，电阻 R = 85Ω，额定电压为 24 V．利用 ANSYS 对电磁吸盘产生的磁场进行仿真分析，结果表明： 电磁吸盘的线圈周围空间产生的磁场主要分布在离 吸盘 3 mm左右范围内，之后迅速衰减．最大磁感应 强度 B达 0.55 T． 电磁吸盘产生的磁场主要受控于电磁吸盘两端 的电压．为此，本文对不同电压下吸盘周围最强磁 感应强度以及平均磁感应强度变化进行分析，如图 4所示．由图 4可知，随着电压的增大，磁场强度逐 渐增大；当电压增加到一定程度后，磁感应强度趋 于常值． 图 4 电磁吸盘周围磁感应强度随电压变化曲线 Fig.4 The change curve of magnetic induction density generated by the magnetic chuck varying with the applied voltage 第 32卷第 3期 陈 柏等：仿生介入机器人的运动性能 417 3.2.3 磁流变液流变模型 本实验采用 Lord公司提供的MRF-132LD磁流 变液，磁流变液剪应力与磁场强度的关系曲线满足 方程 [11]： τy = 4×107H3−0.00082H2 +0.3482H−0.6631 (4) 3.2.4 啮合增阻功能实验分析 啮合增阻功能实验是这样的：利用 Pro/E 首先 对管道内表面形貌进行定量设计，在此基础上，通 过数控加工中心，对半圆透明有机玻璃管道内表面 进行加工，以获得不同形貌特征运行管道．啮合产 生的阻力的测量是这样的：控制电磁吸盘两端电压， 使推进单元（总重 1.59 N）与管道壁啮合．由于受固 定不动的力传感器的阻挡，当直线电机主轴伸张时， 机体将被迫后退，读出力传感器所测得的最大值即 为啮合产生的最大阻力． 图 5给出了当电磁吸盘端电压、管道表面形貌 不同时，啮合产生的无量纲最大阻力（注：最大切 向阻力与机器人总重力之比）变化规律．由图 5可 知：当管壁内半径算术平均偏差较大时，有利于啮 合效应的产生；当管壁内半径算术平均偏差相同， 而轴向波动平均波长 La 较小时，管道内壁越不平 整，啮合产生的切向运动阻力越大；当电压较小时， 随着电压的增大，啮合产生的最大运动阻力增幅较 快，随着电压的不断增大，啮合产生的最大运动阻 力虽有增加，但增幅减缓，并逐步趋于常值．究其原 因，当电压增加到一定程度后，MRF将处于磁饱和 状态，固化程度趋于稳定． 图 5 电压与管道表面形貌对啮合效果的影响 Fig.5 Effect of the voltage applied to magnetic chuck and the tube surface topography on meshing results 3.3 肌波运动模拟 肌波的产生及传递动作是由直线电机的往复运 动来模拟的．运动机体在直线电机推进下轴向前进 对应于肌波的传递．在此过程中，直线电机往复最 大行程对应于肌波波长，往复周期对应于肌波波动 周期．为此，本文对直线电机最大伸张量、伸张频率 等因素对机器人运动速度的影响展开研究． 在实验过程中，设定电磁吸盘控制电压分别为 9 V、12 V，直线电机最大行程分别为 20 mm、12 mm， 机器人伸张及收缩速度相等．机器人运行在半径为 17 mm的管道中，运行管道表面形貌特征参数 Ra 为 1 mm，La 为 12 mm．图 6为机器人平均运动速度随 直线电机伸缩频率的变化曲线．由图 6及实验可知： 当直线电机伸缩最大行程一定时，机器人前进速度 随着电机伸缩频率的增大而加快；当电机伸缩频率 增大到一定值后，机器人机身出现振动，运动机体 与管壁间动压润滑膜出现一定程度的破坏，运动阻 力增大．同时，啮合效应也出现一定程度的减弱，直 接导致原先不动的机体产生一定程度的后退，整个 机器人前进速度显著下降；电机伸缩最大行程越大， 产生有害振动对应的伸缩频率越大． 图 6 机器人平均运动速度随电机伸缩频率变化曲线 Fig.6 The change curve of the robot’s average motion speed varying with the linear motor’s stretching frequency 3.4 管道蠕动对机器人运动性能的影响 活体生物管道自身会有一定的蠕动，并可能影 响机器人综合运动性能．为此，我们用一段内半径 为 17 mm的柔性透明橡胶管来模拟生物管腔，管内 充入粘度为 300 mPa·s的甲基硅油．若在橡胶管某一 固定位置处均匀施加周期性挤压力，则橡胶管会产 生一定的轴向蠕动． 记管腔径向变形幅度为 A，管道内半径为 R，定 义无量纲径向变形幅度为 A/R，径向波动频率为 bf． 观察并测试机器人通过波动区域（以波动点为中心 的 124 mm长橡胶管）时的运动状态及平均速度．在 实验过程中，直线电机伸缩频率为 0.5 Hz，伸缩最 大行程为 15 mm． 418 机 器 人 2010年 5月 图 7 机器人平均运动速度随管道波动幅度的变化曲线 Fig.7 The change curve of the robot’s average motion speed varying with the fluctuation amplitude of the tube 图 7为机器人平均运动速度随环境管腔径向波 动幅度的变化曲线．由图可知，当管道的径向波动 在一定范围内时，对机器人运动几乎不产生影响． 当波动幅度增大到一定值后，机器人运动过程中形 成的动压润滑膜受到破坏，运动机体与管腔间会产 生一定的摩擦，管道也会发生一定程度的轴向伸长， 机器人运动速度会较大幅度地降低． 4 结论（Conclusion） (1) 动压润滑膜能有效减小运动过程中的管道 阻力． (2)管壁内表面特性、电磁吸盘产生的磁场强度 都是影响啮合增阻功能的重要因素．当磁场增强到 一定程度时，磁流变液将趋于磁饱和状态，固化程 度趋于稳定，最大运动阻力将趋于常值． (3) 利用直线电机的伸缩运动来模拟肌波的发 生及传播时，直线电机运动方向的变化频率过高将 导致机器人振动，从而影响动压润滑膜的形成及啮 合的稳定性． (4)管壁的波动幅度较小时，对机器人运动几乎 不产生影响，也就是说，机器人能一定程度顺应管 腔的自主或受迫变形；当波动幅度较大时，动压润 滑膜将受到破坏，机器人运动阻力会增大，运动效 率将大大降低． 参考文献（References） [1] 陈柏，蒋素荣，顾大强．运行环境特性对螺旋内窥镜机器人 性能的影响 [J]．仪器仪表学报，2006，27(11)：1391-1394. 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