胶囊机器人的柔顺钳设计与性能分析.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠设计与制造：（）胶囊机器人的柔顺钳设计与性能分析吴瑞莹，甘中学，欧阳春，胡林强，张宏达（复旦大学工程与应用技术研究院，上海）摘要：针对胶囊机器人活检钳中零部件数量多、装配复杂的问题，提出了一种基于柔顺双稳态机构理论的柔顺钳。利用伪刚体模型对柔顺钳的双稳态特性进行理论分析，并设计有限元仿真与样机测试试验。在厚板夹持试验中，柔顺钳由开到闭切换，产生 的静态夹持力峰值，利于对组织破坏后夹取。通过有限元仿真模拟了不同铰链参数对柔顺钳双稳态特性的影响，其双稳态特性随着铰链厚度的增大而先增大后减小直至消失。组织交互仿真试验中，柔顺钳有双稳态特性，组织所受最大等效应力在 范围；柔顺钳失去双稳态特性后，组织所受最大等效应力在 范围。该柔顺钳的结构简单，对组织有更大的破坏应力，为胶囊机器人活检提供新的思路。关键词：胶囊机器人活检；柔顺钳；双稳态特性；伪刚体模型中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引言微型机器人是一种能够穿越具有复杂内部环境的窄口径管道的微系统结构，胶囊机器人是微型机器人在生命健康领域的一个有益应用。然而，市场上现有的胶囊机器人功能仅局限于在消化道中拍摄传输图像，无法采样病变组织，患者仍要经历传统内窥镜采样的痛苦。年，韩国全南大学利用多级齿轮传动，带动活检钳张开闭合，夹取组织样本。年，哈尔滨工业大学利用电机驱动齿轮齿条传动，带动微型倒钩伸缩运动实现穿刺活检。年，天津大学利用绳触发扳机杆，使得预拧紧的扭簧释放组织切割刀，在扭簧作用下快速旋转取得活体组织。然而，这些方案存在触发机制复杂，零部件数量多，夹取力不足，能耗大等缺点。本文研究采用柔顺双稳态活检机构替代传统刚性活检机构解决上述问题。柔顺机构是利用柔顺关节的弹性变形完成传统机械结构中力和运动的转化，与包含刚性连杆、关节和弹簧的收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（）；上海市科技重大专项项目（）第期吴瑞莹，等：胶囊机器人的柔顺钳设计与性能分析传统机构相比，零部件数量显著减少，装配简单，无摩擦无需润滑，易于实现微型化，在微机电系统中蕴藏着巨大潜力。柔顺机构经巧妙设计还可从自身存储的能量中获取双稳态行为，且无功率输入时，机构能够保持两种稳定的构型，减少能耗。由于柔顺机构和双稳态机构分别具有独特优势，柔顺双稳态机构已成为机构学研究中的热点。本文设计的应用于胶囊机器人活检的柔顺双稳态钳折叠时能集成到机器人面内，结构紧凑，执行任务时再展开部署。在柔顺钳折展过程中，柔顺段发生变形，有弹性势能的变化，适合制成双稳态机构。柔顺钳由于有双稳态特性，可以完成对目标物体的夹持和抓取。最终设计的胶囊机器人尺寸为直径，长度。双稳态柔顺钳机构设计与分析机构设计柔顺钳采用热塑性聚氨酯 材料加工，圆柱体基座、滑梭采用聚乳酸材料加工，采用喷墨打印技术成型。图（）为设计模型及样机，柔顺钳有种稳定状态 张开伸出态（）和闭合收缩态（），尺寸在 内。表列出柔顺双稳态钳的关键几何参数。其中，为柔顺钳平面外厚度。图（）为柔顺钳模型简图，滑梭沿中轴线移动，带动柔顺钳开合。(b)?模型简图(a)?模型与样机基座滑梭 柔顺双稳态钳t2t1l1l2l0琢图柔顺双稳态钳机构表柔顺双稳态钳相关参数 （）伪刚体模型建模由于柔顺钳两侧对称，现取左半部分进行分析。基于弹性梁理论，弹性变形集中发生在较弱的局部区域，大变形区域可以等效成柔顺梁和，刚度较强的区域可以等效成连接两段柔顺梁的刚性连杆，如图（）所示。当存在位移输入时，两段柔顺梁都处于压应力之下，发生较大变形。在伪刚体模型中，柔顺梁可由线性弹簧连接活动铰支座等效移动副模拟平动刚度，由扭簧等效旋转副模拟旋转刚度。通过计算铰链梁处柔度矩阵，得到和的轴向平动刚度分别是和，旋转刚度分别是和。刚性段最初是直的，其欧拉屈曲载荷很大以至于不会发生屈曲，将其建模为冯米塞斯桁架，对应图（）中段，图中，；，分别为杆的水平和竖直投影长度。，其中，为材料杨氏模量。L0w0dKL2K兹2BAl0KL1K兹1l0321d(b)?伪刚体模型(a)?部分柔顺机构模型图机构等效模型（左半部分）双稳态特性分析模型 力位移分析模型图（）中给定输入位移，为输入位移为时的作用力。刚性段移动至的过程，杆上中点移动到点，由静力学平衡条件，轨迹为竖直线。该点满足零力矩特征，将点建模为瞬时销接头，仅受相互正交的组合力，作用。对段进行静力学分析，点向下行进一段位移，弹簧压缩量为，如图（）所示。w02dOfpO1Ol02xyMA FAxxeA1FAyL02兹琢FdB1xeBAO1OA1xe(b)?静力学分析(a)?机构运动简图图机构运动静态建模 联立几何约束方程、力平衡方程、力矩平衡方程（）（）（），（）（）（）线性弹簧施加的水平弹力，扭簧对桁架的扭矩满足，（）。为桁架与水平方向夹角，满足 （）（）（）。其中，（槡）。求解方程组（），得到 关系式（）（）（）（）能量位移分析模型由一组扭簧和线性弹簧组成柔顺关节的能量方程为 （）（）由于活检钳机构具有组这样的柔顺关节，所以机构的能量方程为 （）（）（）试验平台搭建柔顺钳的双稳态特性仿真和测试如图（），在 中建立柔顺钳机构的有限元模型，网格划分后施加固定载荷约束和位移载荷约束，得到双稳态特性仿真曲线。使用图（）中的专用试验传 感 器 与 微 系 统第卷装置进行准静态拉伸试验，该装置由带标尺机械拉力试验机和推拉力计组成，位移测量行程在 以内，推拉力计可施加最大 的力，精度为 。位移作为系统的输入，推拉力计固连柔顺钳中段向上低速运动带动柔顺钳闭合，下部夹具用于固定双稳态机构。不考虑动态化影响，依式（），准静态拉伸试验中外力对位移沿路径所做的总功为，全部转化为柔顺钳内能（）同步测试分析软件手摇装置数显式推拉力计黑色夹板数据传输线下夹具柔顺双稳态钳圆柱体基座上夹具数显标尺(a)?有限元仿真(b)?准静态拉伸测试图双稳态特性试验静态夹持力测试将柔顺钳集成于胶囊机器人侧壁。图（）为胶囊机器人结构，动力由舵机提供，输出轴带动与摆臂固连的光轴做圆周运动，光轴相对滑梭上的滑槽做直线运动，从而带动滑梭做往复直线运动。现安装 舵机驱动，由上位机软件控制驱动轴转速为，驱动轴从 的转动对应滑梭推出微夹钳的行程，即推程；从 的转动对应滑梭收回夹钳的行程，即回程，如图（）所示。试验测试柔顺双稳态钳在舵机带动下，由张开到闭合过程中夹持不同厚度的板。板的厚度在 内变化，间隔取一次值，一共测得组静态夹持力数据。柔顺活检钳滑梭光轴摆臂舵机输出轴舵机胶囊外壳摄像头LED 灯应变片胶囊机器人传感器显示屏上位机软件3.7?V 锂(Li)电池舵机控制板(b)?静态夹持力测试(a)?胶囊机器人结构图胶囊机器人结构与静态夹持力测试柔顺钳与组织交互力学仿真基于动力学仿真，模拟不同铰链参数条件下，柔顺钳对组织的伤害。人体肠道中，组织密度为 ，杨氏模量为 ，泊松比为。用于模拟夹钳的材料选用，密度为 ，杨氏模量，泊松比为。给定中央梭 位移约束，带动柔顺钳闭合。图为活检组织时的应力应变。试验结果与分析双稳态特性曲线图中，理论、仿真、测试曲线变化趋势基本一致，验证了分析模型的有效性，力位移曲线中有正负刚度段，图中A:显示动力学总变形量类型:总变形量单位:mm时间:6.000?710-42023/1/16?17:186.2708Max5.5744.877?34.180?53.483?82.7872.090?31.393?50.696?750MinA:显示动力学等效应力 2类型:等效(von-Mises)应力单位:MPa时间:6.000?110-42023/1/16?16:580.87618Max0.778?830.681?470.584?120.485?770.389?410.292?060.194?710.097?3530Min(b)?等效应力(a)?等效应变图活检组织应力应变用“”，“”表示，能量曲线中能量峰侧存在能量谷，对应个稳态位置，证实了柔顺钳具有双稳态特性。64200102030405060能量 E/mJ位移 d/mm(b)?能量-位移曲线(a)?力-位移曲线6420位移 d/mm-10-5051015力/N理论曲线测试曲线仿真曲线理论曲线测试曲线仿真曲线图双稳态特性曲线静态夹持力测试结果对测得的组夹持力数据，绘制夹持力张口大小改变量关系图，张口大小改变量 。如图所示，该试验通过厚板所受夹持力研究双稳态特性发生前后静态夹持力输出特点。夹持力测试结果表明，柔顺钳闭合过程中，在双稳态触发点，发生正向突跳行为，与滑梭分离，无需供能，柔顺钳即能快速闭合。但双稳态触发点仍未越过能量最大值点，柔顺钳需要越过能量最大值点，才能进入第二稳态位置，否则仍返回第一稳态位置。时，硬板阻碍了柔顺钳的正向突跳，柔顺钳有回到第一稳态位置的趋势，无静态夹持力输出，越过能量最大值点，柔顺钳无外部能量供应，仍能输出 的静态夹持力，比突跳前输出的 静态夹持力，增大了 倍。该试验说明柔顺钳快速闭合时，有大输出力的冲量，利于破坏组织后夹取。相比传统内窥镜活检钳通过夹取组织后牵拉咬断的方式，利用双稳态产生的大输出力的冲量切断组织，能降低患者的痛苦。夹断生物组织需要大约 的输出力，根据现有测量数据，临床使用的内窥镜活检钳夹持力最大值可达 ，柔顺双稳态钳可以满足活检要求。1210864200.00.20.40.60.81.0张口变化量 驻/mm夹特力 FO/NT正向突跳0.38图夹持力与张口变化量关系柔顺钳双稳态特性对组织交互力的影响基于 节双稳态特性仿真试验平台，在一定范围内改变铰链长度和厚度，得到释能阶段能量落差，并以此第期吴瑞莹，等：胶囊机器人的柔顺钳设计与性能分析作为双稳态特性强弱指标，研究铰链参数对柔顺钳双稳态特性的影响。铰链长度满足 ，间隔 取值；铰链厚度满足 ，间隔 取值。若释能落差为负，则无双稳态特性，用表示。试验结果表明，柔顺钳是否有双稳态特性只与铰链厚度有关，铰链厚度增大，柔顺钳的双稳态特性先增大后减小，直至消失；铰链长度增大，柔顺钳的双稳态特性减小。图（）中绘制了不同参数条件下释能大小的三维云图，并根据释能大小，在平面投影区注明有无双稳态特性的区域。柔顺钳在 时，失去双稳态特性。基于 节与组织交互力学仿真试验平台，得到柔顺钳在不同铰链参数下，对组织产生的最大等效应力，该过程考虑柔顺钳动态夹持过程对组织交互的影响，组织所受最大等效应力云图如图（）所示。柔顺钳有双稳态特性时，有正向突跳行为，组织所受最大等效应力最大为 ，最小为 ；柔顺钳失去双稳态特性，组织所受的最大等效应力最大为 ，最小为 。说明有双稳态特性的柔顺钳对组织有更大的破坏应力，利于胶囊机器人活检。3.52.51.50.51.81.41.00.60.00.40.81.2t/mml/mm滓/MPaAB滓/MPaAB有双稳态区无双稳态区(b)?组织应力云图(a)?能量云图1.235?01.134?51.034?00.933?50.833?00.732?50.632?00.531?50.431?00.330?50.230?03.52.51.50.5t/mm驻E/mJ1.81.41.00.6l/mm驻E/mJ0102030ABAB有双稳态区无双稳态区29.6026.6423.6820.7217.7611.848.885.922.960.0014.80图不同铰链参数下的双稳态特性研究结论基于伪刚体模型，对双稳态特性进行理论分析，推导了柔顺钳的双稳态特性理论曲线，并与有限元仿真、测试曲线进行对比。条曲线的变化趋势相同，验证了分析模型的有效性。力位移曲线中有正负刚度段，能量曲线中能量峰两侧存在能量谷，证实了柔顺钳具有双稳态特性。厚板夹持试验说明，柔顺钳由于双稳态特性，有突跳行为，能输出最大为 的静态夹持力。快速闭合过程中，大输出力的冲量，利于破坏组织后夹取，降低患者痛苦。有限元仿真模拟了不同铰链参数对柔顺钳双稳态特性的影响，柔顺钳双稳态特性随着铰链厚度的增大而先增大后减小直至消失。胶囊机器人与组织交互力学仿真试验